УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2003 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение при физико-химическом анализе свойств материалов по их удельной электропроводности, а также может быть использовано для контроля состояния жидких или пульпообразных технологических сред химических производств.

Известно устройство для измерения электропроводности жидких сред. Известный измерительный преобразователь электропроводности растворов содержит генератор качающей частоты и два последовательно соединенных контура, к одному из которых подключен емкостный датчик. Снятые с контуров напряжения детектируются и сравниваются [1].

Недостаток измерителя электропроводности растворов применение - емкостного датчика, который в условиях загрязненных сред мало чем отличается по точности от контактного двухэлектродного датчика. Кроме того, емкостный датчик в погружном исполнении практически не применяется из-за очень малой электролитической постоянной.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению является устройство для измерения электропроводности, содержащее измерительный и сравнительный контуры, подключенные через коммутатор к усилителю высокой частоты, образующие автогенератор, выход которого через амплитудный детектор, первый усилитель и управляемый элемент соединен со сравнительным контуром и измерителем, фазовый детектор и второй усилитель, причем первый вход фазового детектора соединен со вторым входом коммутатора, а второй вход фазового детектора соединен с выходом первого усилителя [2].

Недостатком описанного устройства является низкая чувствительность измерений, обусловленная применением линейного режима первичного преобразования измеряемой величины в информационный сигнал, не позволяющего усилить сигнал на этом этапе преобразований.

Цель изобретения - повышение чувствительности измерительного преобразователя.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения электропроводности жидких сред, содержащее измерительный и сравнительный контуры, подключаемые поочередно к усилителю высокой частоты и образующие автогенератор, управляемый элемент, соединенный со сравнительным контуром и измерителем, дополнительно введены генератор электрических колебаний, выходом соединенный с первым выводом первого элемента связи, первым выводом второго элемента связи, вторым входом детектора асинхронного режима, а входом управления амплитудой соединенный с третьим выходом блока управления, второй вывод первого элемента связи соединен с входом первого усилителя высокой частоты, второй вывод второго элемента связи соединен с входом второго усилителя высокой частоты, первым выходом соединенного с первым входом сравнительного колебательного контура, вторым выходом подключенного к четвертому входу детектора асинхронного режима, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, третьим входом подключенного к второму выходу первого усилителя высокой частоты, а первым и вторым выходами связанного соответственно с первым и вторым входами блока управления, первым выходом подключенного к входу управляемого элемента, а вторым выходом соединенного с измерителем, компенсационная обмотка соединена с управляемым элементом, измерительная и сравнительная обмотки являются соответственно индуктивностью измерительного контуров.

Техническим результатом является увеличение чувствительности измерительного преобразователя путем усиления измерительного сигнала на этапе первичного преобразования измеряемой величины в информационный сигнал.

Усиление измерительного сигнала на первичном этапе преобразования (повышение эффективности преобразований [4]) осуществляется за счет применения переходного режима связанных колебаний (выхода из синхронизма). Это позволяет использовать в качестве рабочего режима режим бифуркаций, реализующего переход через границу потери устойчивости в колебательной системе и являющегося сильно нелинейным, что обеспечивает усиление сигнала на стадии первичного преобразования измеряемой величины.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства для измерения электропроводности жидких сред, а на фиг.3 - временные диаграммы работы детектора асинхронного режима и блока управления.

Устройство для измерений электропроводности жидких сред содержит (см. фиг. 1) генератор электрических колебаний 1, выходом подключенный к первому выводу элемента связи 2, первому выводу элемента связи 3, входу b детектора асинхронного режима 13. Элемент связи 2 вторым выводом соединен с вторым входом измерительного контура 6, колебательный контур которого содержит измерительную обмотку 9 датчика 8, а первым входом подключенного к первому выходу первого усилителя высокой частоты 4, который вторым выходом соединен с входом с детектора асинхронного режима 13. Элемент связи 3 вторым выводом соединен с вторым входом сравнительного контура 7, колебательный контур которого содержит сравнительную обмотку 10 датчика 8, а первым входом подключен к первому выходу второго усилителя высокой частоты 5, который вторым выходом соединен с входом d детектора асинхронного режима 13. Усилитель высокой частоты 4 и измерительный контур 6 образуют автогенератор 17, как и усилитель высокой частоты 5 и сравнительный контур 7 образуют автогенератор 18. Детектор синхронного режима входом а, выходами е и f соединен соответственно с четвертым выходом, первым и вторым входами блока управления 14. Блок управления 14 третьим выходом k подключен к входу управления амплитудой генератора электрических колебаний 1, первым выходом g соединен с входом управляемого элемента 15, вторым выходом h подключен к входу измерителя 16. Управляемый элемент 15 соединен с компенсационной обмоткой 11 датчика 8.

На фиг. 2 представлена структурная схема детектора асинхронного режима. Сигналы, поступающее на входа b, с, d с помощью компараторов напряжения Kl, K2, К3 преобразуются в логические уровни, поступающие на определенные входа триггеров Т1 и Т2, причем положительной полуволне соответствует логическая единица, отрицательной - логический нуль. На вход b подается сигнал с синхронизирующего генератора, а на входа с и d с синхронизируемых автогенераторов. В синхронном режиме наблюдаются синфазные колебания (разность фаз по модулю не превышает π) синхронизирующего генератора с автогенератором. Этому соответствует наличие логической единицы на прямых выходах триггеров Т1 и Т2. В момент выхода из синхронизма система переходит в область противофазных колебаний (разность фаз больше π), чему соответствует смена состояния триггеров Т1 и Т2. В случае, если первым вышел из синхронизма автогенератор, подключенный к входу с, на выходе е появляется логическая единица, в противном случае - на выходе f. Посредством подачи управляющего сигнала на вход а детектор асинхронного режима переводится в исходное состояние (на выходах e и f устанавливается логический нуль).

Кроме того, на чертеже (см. фиг.3) изображены временные диаграммы сигналов на входах a, b, с, d и выходах е, f детектора асинхронного режима 13 и выходах g, h, k блока управления 14. При этом сигналы на выходах g, h, k блока управления 14 являются аналоговыми и их величина пропорциональна соответственно проводимости управляемого элемента 15, показанию измерителя 16, амплитуде колебаний генератора электрических колебаний 1, и на чертеже показаны в виде отношения значения текущего показания к максимальному значению выходной величины. Для сигналов на входах a, b, с, d и выходах е, f детектора асинхронного режима 13 активным уровнем является высокий уровень сигналов. Так наличие сигнала высокого уровня на входе а переводит детектор асинхронного режима в начальное состояние, т.е. устанавливает низкий уровень сигнала на выходах е, f. Сигналы на входах b, с, d имеют синусоидальную форму, фаза которых совпадает с токам соответственно генератора электрических колебаний 1, усилителя высокой частоты 4 и усилителя высокой частоты 5, на чертеже эти сигналы для удобства показаны в виде прямоугольных импульсов, высокий уровень которых соответствует положительной полуволне синусоидального сигнала, а низкий уровень - отрицательной полуволне.

Устройство работает следующим образом: высокочастотный усилитель 4 и измерительный контур 6, так же как и высокочастотный усилитель 5 и сравнительный контур, образуют автогенераторы 17 и 18 соответственно, при этом индуктивностью для измерительного контура 6 является обмотка 9 датчика 8, а индуктивностью сравнительного контура 7 является обмотка 10 датчика 8. С выхода генератора электрических колебаний 1 напряжение поступает на первый вывод элемента связи 2 и первый вывод элемента связи 3, а также на вход b детектора асинхронного режима 11. Напряжение на первом выводе элемента связи 2 обусловливает связь измерительного контура 6 с генератором электрических колебаний 1 посредством создания дополнительного электрического тока в колебательном контуре измерительного контура 6, пропорционального величине напряжения на выходе генератора электрических колебаний 1 и электрической проводимости элемента связи 2. Аналогично, напряжение на первом выводе элемента связи 3 обусловливает связь сравнительного контура 7 с генератором электрических колебаний 1 посредством создания дополнительного электрического тока в колебательном контуре сравнительного контура 7, пропорционального величине напряжения на выходе генератора электрических колебаний 1 и электрической проводимости элемента связи 3. В качестве элементов связи 2 и 3 применены элементы электрического сопротивления (резисторы). В исходном состоянии на выходах е, f детектора асинхронного режима 13 установлены низкие уровни, на входе управления амплитудой генератора электрических колебаний 1 определенное значение величины управляющего напряжения соответствующее синхронному режиму колебаний автогенератора 18 с генератором электрических колебаний 1. Цикл измерений начинается с изменения управляющего сигнала на входе управления амплитудой колебаний генератора 1 до величины, соответствующей режиму асинхронных колебаний автогенератора 18 с генератором 1, что вызывает переходный процесс, связанный с выходом автогенераторов 17 и 18 из синхронизма с генератором 1. При этом разность фаз между автогенераторами 17 и 18 и генератором 1 изменяется в сторону увеличении. Окончанию переходного процесса соответствует момент появления противофазных колебаний между автогенераторами 17, 18 и генератором 1. Длительности переходных процессов в автогенераторах 17, 18 описываются следующими зависимостями:

где t1_cc - время выхода из режима синхронных колебаний автогенератора 17;
показатель взаимодействия автогенератора 17 с генератором электрических колебаний 1, зависящий от измеряемой проводимости жидкости 12;
распределение амплитуд;
относительная расстройка частоты собственных колебаний автогенератора 17 и частоты собственных колебаний генератора 1, зависящая от измеряемой проводимости жидкости 12;
n₀ - частота собственных колебаний генератора 1;
n₁(G_x) - частота собственных колебаний автогенератора 17;
причем n₀ > n₁(G_x);
γ₁ - коэффициент, пропорциональный проводимости элемента связи 2;
B₁(G_x) - амплитуда колебаний автогенератора 17, зависящая от измеряемой проводимости жидкости 12.

G_x - значение измеряемой проводимость жидкости 12.

где t2_cc - время выхода из режима синхронных колебаний автогенератора 18;
показатель взаимодействия автогенератора 18 с генератором электрических колебаний 1, зависящая от проводимости управляемого элемента 15;
распределение амплитуд;
- относительная расстройка частоты собственных колебаний автогенератора 18 и частоты собственных колебаний генератора 1, зависящая от проводимости управляемого элемента 15;
n₂(G₀) - частота собственный колебаний автогенератора 18;
причем n₀<n₂(G₀);
γ₂ - коэффициент, пропорциональный проводимости элемента связи 3;
B₂(G₀) - амплитуда колебаний автогенератора 18, зависящая от проводимости управляемого элемента 15;
G₀ - проводимость управляемого элемента 15.

При увеличении электропроводности жидкости 12 амплитуда колебаний B₁(G_x) автогенератора 17 и относительная расстройка ξ₁(G_x) увеличиваются, т.е. уменьшится величина взаимодействия λ₁(G_x), что обусловливает согласно (1) уменьшение времени выхода из режима синхронных колебаний автогенератора 17 с генератором 1. Это означает, что первым переходный процесс окончится в автогенераторе 17, чему будет соответствовать появление высокого уровня на выходе е детектора асинхронного режима 13. По этому сигналу (фиг.3) на выходе g блока управления 14 выставляется управляющий сигнал, увеличивающий проводимость управляемого элемента 15, что уменьшает показатель взаимодействия λ₂(G₀). В качестве управляемого элемента может быть применен полевой транзистор, оптопара и т.д. Одновременно на вход измерителя 16 с выхода h блока управления 14 подается сигнал, пропорциональный проводимости управляемого элемента 15, а на вход управления амплитудой колебаний генератора электрических колебаний 1 с блока управления 14 подается управляющий сигнал, соответствующий синхронному режиму колебаний автогенератора 17 с генератором электрических колебаний 1, что синхронизирует колебания последних. Циклы измерений повторяются до момента равенства интервалов времени выхода из режима синхронных колебаний tl_cc(G_x) и t2_cc(G₀). При этом из (1) и (2) следует:

или
G₀=F(G_X), (4)
где F(G_x) - функциональная зависимость электрической проводимости управляемого элемента 16 от измеряемой электропроводности жидкой среды 12, полученная путем преобразований из (3).

Таким образом, проводимость управляемого элемента 15, а значит, и значение управляющего сигнала и значение сигнала на выходах соответственно g и h блока управления 14 являются функциями электропроводности жидкой среды 12.

Коэффициент усиления при преобразовании измеряемой величины в информационный сигнал при λ₁(G_x)→1 выражается следующей зависимостью:

где коэффициент эффективности преобразования известного устройства для измерения электропроводности жидких сред.

Таким образом, коэффициент эффективности преобразования или коэффициент усиления в раз больше, чем в известном устройстве [2]. Высокочувствительный режим измерений реализуется при λ₁(G_x)≈1, что обеспечивается при λ₂(G₀)_→λ₁(G_x) путем поддержания соответствующей амплитуды колебаний генератора 1.

Взаимная синхронизация автогенераторов 17 и 18 при наличии паразитной связи между ними исключается по двум причинам:
1) частота собственных колебаний генератора электрических колебаний 1 лежит между частотами собственных свободных колебаний автогенераторов 17 и 18, т. е. и |ξ₂(G₀)|<|ξ₁₂|, где ξ₁₂ - относительная расстройка частот собственных свободных колебаний автогенераторов 17 и 18;
2) распределение амплитуд взаимно связанных автогенераторов выражается как [3]:

и

λ₁₂(G_x, G₀)- показатель взаимодействия автогенератора 17 с автогенератором 18;
γ₁₂- коэффициент паразитной связи между автогенератором 17 с автогенератором 18.

Амплитуды колебаний автогенераторов выбираются равными, и в ходе измерения изменяются друг относительно друга незначительно.

Согласно условию 1 и 2 показатель взаимодействия автогенераторов λ₁₂(G_x, G₀), близок к нулю, т.е. взаимная синхронизация автогенераторов 17 и 18 невозможна.

Источнтки информации
1. Авт. св. СССР 144318, кл. G 01 N 27/02.

2. Авт. св. СССР 1383184, кл. G O1 N 27/02.

3. Седалищев В. Н. Нелинейные пьезорезонансные датчики. Учебное пособие/АлтГТУ им. И.И. Ползунова - Барнаул: АлтГТУ, 1999, с. 33.

4. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1975, с. 103, 107.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит генератор электрических колебаний 1, выходом подключенный к первым выводам элементов связи 2 и 3, выводу b детектора асинхронного режима 13. Элемент связи 2 вторым выводом соединен с вторым входом измерительного контура 6, индуктивностью которого является измерительная обмотка 9, и первым входом подключенного к первому выводу усилителя высокой частоты 4, который вторым выходом соединен с детектором асинхронного режима 13. Элемент связи 3 вторым выводом соединен с вторым входом сравнительного контура 7, индуктивностью которого является компенсационная обмотка 10, и первым входом подключенного к первому выходу усилителя высокой частоты 5, который вторым выходом соединен с входом d детектора асинхронного режима 13, соединенного входом а, выходами е и f соответственно с четвертым выходом, первым и вторым входами блока управления 14, третьим выходом подключенного к входу управления амплитудой генератора 1. Блок управления 14 первым выходом соединен с входом управляемого элемента 15, вторым выходом подключен к входу измерителя 16, а элемент 15 соединен с компенсационной обмоткой 11. Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности измерительного преобразователя путем усиления измерительного сигнала на этапе первичного преобразования измеряемой величины в информационный сигнал. 3 ил.

Устройство для измерения электропроводности жидких сред, содержащее измерительный и сравнительный контуры, подключенные поочередно к усилителю высокой частоты, образующие автогенератор, управляемый элемент, соединенный со сравнительным контуром и измерителем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены генератор электрических колебаний, выходом соединенный с первым выводом первого элемента связи, первым выводом второго элемента связи, вторым входом детектора асинхронного режима, а входом управления соединенный с третьим выходом блока управления, второй вывод первого элемента связи соединен с вторым входом измерительного контура, первым входом подключенного к первому выходу первого усилителя высокой частоты, который вторым выходом соединен с третьим входом детектора асинхронного режима, второй вывод второго элемента связи соединен с вторым входом сравнительного контура, первым входом подключенного к первому выходу второго усилителя высокой частоты, который вторым выходом соединен с четвертым входом детектора асинхронного режима, детектор асинхронного режима первым входом соединен с четвертым выходом блока управления, а первым и вторым выходами связан соответственно с первым и вторым входами блока управления, первым выходом подключенного к входу управляемого элемента, а вторым выходом соединенного с измерителем, компенсационная обмотка соединена с управляемым элементом, измерительная и сравнительная обмотки являются соответственно индуктивностью измерительного и сравнительного контуров.