УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2007 года по МПК G01N27/02 

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

Известно устройство для измерения электропроводности жидких сред, содержащее генератор, соединенный через коммутатор с двумя контурами, имеющими измерительную и сравнительную катушки, измерительную схему с последовательно соединенными детектором, сумматором, усилителем и регистрирующим прибором. Контуры через обмотку связи соединены с измерительной схемой, а измерительная и сравнительная катушки выполнены в виде двух обмоток, размещенных на одном полом цилиндрическом сердечнике, имеющем зазор вдоль образующей его поверхности, при этом витки измерительной катушки расположены на внешней поверхности сердечника, их плоскости перпендикулярны к оси сердечника, а плоскости витков сравнительной катушки проходят через его ось [Авторское свидетельство СССР 1383184].

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

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению является 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, 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. Измерительная и сравнительная обмотки являются соответственно индуктивностью измерительного и сравнительного контуров. Измерительная обмотка размещена на одном сердечнике, а сравнительная и компенсационная обмотки - на другом сердечнике. Выводы компенсационной обмотки соединены с первым и вторым выводами управляемого элемента. Вывод управления управляемого элемента подключен к первому выходу блока управления [Патент RU 2209421, МПК⁷ G01N 27/02].

Недостатком описанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная уменьшением добротности измерительного контура при увеличении электропроводности жидкости, как и добротности сравнительного контура в результате изменения проводимости управляемого элемента, что способствует увеличению амплитудной и частотной нестабильности автогенератора, а соответственно, и погрешности измерений, поскольку в известном устройстве непосредственно измеряется амплитуда колебаний.

Изобретением решается задача повышения точности измерений электропроводности жидких сред.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения электропроводности жидких сред, содержащем усилитель высокой частоты, измерительную и компенсационную обмотки, каждая из которых размещена на отдельном сердечнике, управляемый элемент, первый вывод которого подключен к первому выводу компенсационной обмотки, а вход управления - к первому выходу блока управления, согласно изобретению каждый сердечник снабжен дополнительными измерительной и компенсационной обмотками, а в устройство введены коммутатор, первый и второй выводы которого соединены с выводами дополнительной измерительной обмотки, а третий и четвертый выводы связаны с первым и вторым выходами усилителя высокой частоты, а также с выводами первой измерительной обмотки и третьим и четвертым выводами управляемого элемента, второй вывод которого связан с первым выводом дополнительной компенсационной обмотки, второй вывод которой подключен к второму выводу компенсационной обмотки, измеритель амплитуд, первый вход которого подсоединен к третьему выходу усилителя высокой частоты, а второй и третий входы подключены соответственно к второму и третьему выходам блока управления. Первый и второй выходы измерителя амплитуд связаны с первым и вторым входами блока управления, а четвертый выход блока управления соединен с входом коммутатора. Кроме того, сердечники выполнены стержневыми и параллельны друг другу. Кроме того, измеритель амплитуд содержит элемент связи, коммутатор, генератор, фазовый детектор и счетчик импульсов, причем первый вывод элемента связи является первым входом измерителя амплитуд и соединен с первым входом фазового детектора и входом счетчика импульсов, а второй вывод элемента связи подключен к первому выводу коммутатора, второй вывод которого подключен к выходу генератора и второму входу фазового детектора. Вход управления коммутатора является вторым входом измерителя амплитуд, вход управления генератора является третьим входом измерителя амплитуд, выход фазового детектора является вторым выходом измерителя амплитуд, а выход счетчика импульсов - первым выходом измерителя амплитуд.

Повышение точности измерений обеспечивается за счет снижения погрешности, обусловленной изменением электрических параметров измерительных обмоток при воздействии электропроводности жидких сред, и осуществляется путем создания компенсирующего воздействия на обе измерительные обмотки, равного по абсолютному значению, но противоположного по направлению относительно воздействия электропроводности жидких сред на измерительные обмотки. Причем введение дополнительной измерительной обмотки и коммутатора позволяет выделить воздействие электропроводности жидких сред на измерительные обмотки, а введение дополнительной компенсационной обмотки позволяет создать воздействие на каждую измерительную обмотку, аналогичное по физической природе воздействию электропроводности жидких сред, измеритель амплитуд регистрирует изменение амплитуды колебаний усилителя высокой частоты, что служит источником информации для изменения значения компенсирующего воздействия на измерительные обмотки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства для измерения электропроводности жидких сред, на фиг.2 - структурная схема измерителя амплитуды, на фиг.3 показано устройство коммутатора 10, на фиг.4 - одно из возможных устройств фазового детектора 16.

Устройство для измерения электропроводности жидких сред содержит усилитель высокой частоты 1, измерительную 2 и компенсационную 3 обмотки, размещенные соответственно на сердечниках 4 и 5, управляемый элемент 6, первый вывод которого подключен к первому выводу компенсационной обмотки 3, а вход управления - к первому выходу блока управления 7, дополнительные измерительную 8 и компенсационную 9 обмотки, расположенные соответственно на сердечниках 5 и 4, коммутатор 10, первый и второй выводы которого соединены с выводами измерительной обмотки 8, а третий и четвертый выводы связаны с первым и вторым выходами усилителя высокой частоты 1, а также с выводами измерительной обмотки 2 и третьим и четвертым выводами управляемого элемента 6, второй вывод которого связан с первым выводом компенсационной обмотки 9, второй вывод которой подключен к второму выводу компенсационной обмотки 3. Измеритель амплитуд 11 первым входом подсоединен к третьему выходу усилителя высокой частоты 1, а вторым и третьим входом подключен соответственно к второму и третьему выходам блока управления 7. Первый и второй выходы измерителя амплитуд 11 связаны с первым и вторым входами блока управления 7, а четвертый выход блока управления 7 соединен с входом коммутатора 10. Сердечники 4 и 5 выполнены стержневыми, параллельны друг другу и связаны через магнитное поле с жидкостным кольцом 12.

Измеритель амплитуд 11 содержит элемент связи 13, коммутатор 14, генератор 15, фазовый детектор 16 и счетчик импульсов 17, причем первый вывод элемента связи 13 является первым входом измерителя амплитуд 11 и соединен с первым входом фазового детектора 16 и входом счетчика импульсов 17, а второй вывод элемента связи 13 подключен к первому выводу коммутатора 14, второй вывод которого подключен к выходу генератора 15 и второму входу фазового детектора 16, а вход управления коммутатора 14 является вторым входом измерителя амплитуд 11. Вход управления генератора 15 является третьим входом измерителя амплитуд 11, выход фазового детектора 16 является вторым выходом измерителя амплитуд 11, выход счетчика импульсов 15 - первым выходом измерителя амплитуд 11.

Коммутатор 10 содержит первый 18 и второй 19 ключи. Причем первый вывод ключа 18 и первый вывод ключа 19 являются соответственно первым и вторым выводами коммутатора 10. Второй вывод ключа 18 соединен с третьим выводом ключа 19 и является третьим выводом коммутатора 10, а третий вывод ключа 18 соединен со вторым выводом ключа 19, являющегося четвертым выводом коммутатора 10. Вход управления ключа 18 соединен с входом управления ключа 19 и является входом управления коммутатора 10.

Фазовый детектор 16 состоит из первого 20, второго 21 компараторов напряжения и D-триггера 22. Причем первые входы компараторов напряжений 20 и 21 являются соответственно первым и вторым входами фазового детектора 16, вторые выводы компараторов напряжения 20 и 21 подключены к «нулевому потенциалу», а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами D-триггера 22. Первый вход D-триггера 22 является входом управления записью по фронту сигнала, второй вход - входом записываемого сигнала. Выход D-триггера 22 является выходом фазового детектора 16.

Усилитель высокой частоты 1 и индуктивная система, состоящая из сердечников 4, 5, измерительных обмоток 2, 8 и компенсационных обмоток 3, 9, образуют автогенератор.

В качестве управляемого элемента 6 может быть использован цифроаналоговый преобразователь, фоторезистор, блок управления 7 представляет собой микроконтроллер, элементом связи 13 является резистивный элемент, коммутатор 14 представляет собой электрический ключ. Фазовый детектор 16 выполнен в виде блока, сигнал на выходе которого изменяет логическое значение, если разность фаз между сигналами на его входах меньше 180° или больше 180°.

Устройство для измерения электропроводности жидких сред работает следующим образом. Под действием управляющего сигнала с первого выхода блока управления 7 коммутатор 10 меняет местами подключение выводов измерительной обмотки 8 относительно первого и второго выходов высокочастотного усилителя 1 и соответственно измерительной обмотки 2. Высокочастотный усилитель 1 и измерительные обмотки 2 и 8 образуют автогенератор, амплитуда колебаний которого зависит от потерь энергии в измерительных обмотках 2 и 8. Сигнал с третьего выхода усилителя высокой частоты 1 поступает на первый вход измерителя амплитуд 11.

Измерение амплитуды колебаний выполняется таким путем. На первый вывод элемента связи 13, первый вход фазового детектора 16 и вход счетчика 17 поступает сигнал с выхода высокочастотного усилителя 1. В начале цикла измерений коммутатор 14 разомкнут, на выходе счетчика импульсов 17 устанавливается сигнал, значение которого пропорционально частоте колебаний f_A0 сигнала на его входе. Путем изменения значения управляющего сигнала на втором входе измерителя амплитуд 11 коммутатор 14 замыкается, в результате чего генератор 15 через элемент связи 13 воздействует на усилитель высокой частоты 1, подключенный к первому входу измерителя амплитуд 11. Таким образом, реализуется режим связанных колебаний. [Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. - М.: Наука, 1980 г.]. Частота колебаний f_г генератора 15 устанавливается в соответствии с условием:

где f_А0 - частота колебаний сигнала на первом входе измерителя амплитуд 11 при разомкнутом коммутаторе 14;

γ_m - коэффициент связи, значение которого определяется элементом связи 13;

- коэффициент распределения амплитуд;

А - амплитуда колебаний сигнала на входе измерителя амплитуд 11 при разомкнутом коммутаторе 14;

В - амплитуда колебаний генератора 15;

N₁ - коэффициент, определяемый верхним пределом диапазона измерений электропроводности жидкости, N₁<1.

В выражении условия (1) коэффициент распределения амплитуд χ имеет значение, соответствующее минимальной амплитуде колебаний сигнала на первом входе измерителя амплитуд 11 при разомкнутом коммутаторе 14 для соответствующего диапазона измерений электропроводности.

На выходе фазового детектора 16 формируется сигнал, частота изменения значения которого равна разностной частоте связанных колебаний Ω. Частота колебаний f_Г генератора 15 изменяется в сторону уменьшения разностной частоты связанных колебаний Ω до тех пор, пока не выполнится условие:

где Ω - частота сигнала на втором выходе измерителя амплитуд 11;

N₂ - коэффициент, значение которого определяется нелинейными свойствами усилителя высокой частоты 1, подключенного к первому входу измерителя амплитуд 11.

Условие (2) позволяет обеспечить высокую чувствительность зависимости частоты сигнала на выходе фазового детектора 16 от параметров источника сигнала, подключенного к первому входу измерителя амплитуд 11 и генератора 15 и, одновременно, предотвратить синхронизацию колебаний [Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. - М.: Наука, 1980 г.].

Тогда значение амплитуды свободных колебаний сигнала на первом входе измерителя амплитуд 11 составит:

где

В зависимости от управляющего сигнала на входе коммутатора 10 поток магнитного поля в сердечнике 5 направлен встречно или согласно относительно направления магнитного потока в сердечнике 4. В случае, если первая и вторая измерительные обмотки 2 и 8, а также сердечники 2 и 5 выполнены одинаковыми, при согласном включении первой и второй измерительных обмоток 2 и 8 результирующий магнитный поток, проходящий через жидкостное кольцо 12, в общем случае не равен нулю. Результатом этого является индукция электрического тока в жидкостном кольце 12. При встречном включении второй измерительной обмотки 8 относительно первой измерительной обмотки 2 результирующий магнитный поток, проходящий через жидкостное кольцо 12, в общем случае равен нулю, чему соответствует отсутствие электрического тока в жидкостном кольце 12. В начале цикла измерений путем установления соответствующего сигнала на входе коммутатора 10 первая и вторая измерительные обмотки 2 и 8 включены встречно, путем установления соответствующего сигнала на втором выходе блока управления 7, проводимость управляемого элемента 6 принимает минимальное значение. При этом амплитуда колебаний автогенератора определяется только характеристиками усилителя высокой частоты 1 и параметрами индуктивной системы, состоящей из сердечников 4, 5, измерительных обмоток 2, 8 и компенсационных обмоток 3, 9. С третьего выхода усилителя высокой частоты 1 сигнал поступает на первый вход измерителя амплитуд 11. Блок управления 7 сигналом на третьем выходе запрещает режим связанных колебаний и считывает с первого входа значение сигнала измерителя амплитуд 11, устанавливает на третьем выходе сигнал, соответствующий режиму связанных колебаний, а на четвертом выходе изменяет значение управляющего сигнала. Причем начальное значение управляющего сигнала на четвертом выходе блока управления 7 принимает значение согласно выражению (1) и изменяется до тех пор, пока не выполнится условие (2). Используя зависимость (3), блок управления 7 вычисляет амплитуду свободных колебаний А_В сигнала на выходе усилителя высокой частоты 1 при встречном включении измерительных обмоток 2 и 8.

Посредством сигнала на первом выходе блока управления 7 коммутатор 10 подключает измерительную обмотку 8 согласно по отношению к измерительной обмотке 2. При этом в жидкостном кольце 12 наводится электрический ток, значение которого пропорционально значению проводимости жидкостного кольца 12, что в свою очередь ставит в зависимость амплитуду колебаний А_С сигнала на выходе усилителя высокой частоты 1 от проводимости жидкостного кольца 12 при согласном включении измерительных обмоток 2 и 8:

где A_C - амплитуда колебаний на первом входе измерителя амплитуд 11;

А_С0 - амплитуда колебаний на первом входе измерителя амплитуд 11 при G_ж=0 и G_УЭ=0;

G_ж - проводимость жидкостного кольца 12;

G_УЭ - проводимость управляемого элемента 6;

а₁, a₂ - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров.

Блок управления 7 сигналом на третьем выходе запрещает режим связанных колебаний и считывает с первого входа значение сигнала измерителя амплитуд 11, устанавливает на третьем выходе сигнал, соответствующий режиму связанных колебаний, а на четвертом выходе изменяет значение управляющего сигнала. Причем начальное значение управляющего сигнала на четвертом выходе блока управления 7 принимает значение согласно выражению (1) и изменяется до тех пор, пока не выполнится условие (2). Используя зависимость (3), блок управления 7 вычисляет амплитуду свободных колебаний сигнала на выходе усилителя высокой частоты 1 при согласном включении измерительных обмоток 2 и 8.

Проводимость управляемого элемента 6 имеет следующую зависимость от значения сигнала на втором выходе блока управления 7:

где G_УЭ - проводимость управляемого элемента 6;

G_УЭmax - максимальное значение проводимости управляемого элемента 6;

n - значение сигнала на втором выходе блока управления 7;

n_max - максимальное значение сигнала на втором выходе блока управления 7.

Значение проводимости (5) управляемого элемента 6 посредством управляющего сигнала на втором выходе блока управления 7 уменьшается, если:

где М₀ - коэффициент, численно равный отношению амплитуд колебаний при согласном и встречном включении первой и второй измерительных обмоток 2 и 8 при G_ж=0 и G_УЭ=0 (4);

что соответствует уменьшению компенсирующего воздействия. Если условие (6) не выполняется, проводимость управляемого элемента 6 увеличивается, что соответствует увеличению компенсирующего воздействия. После каждого шага изменения проводимости управляемого элемента 6 выполняется измерение амплитуды колебаний автогенератора при согласном включении измерительных обмоток 2 и 8.

Циклы изменения проводимости управляемого элемента 6 длятся до тех пор, пока не выполнится равенство:

В момент выполнения равенства (7) между значением сигнала на втором выходе блока управления 7, изменяющего проводимость управляемого элемента 6, и значением проводимости жидкостного кольца 12 выполняется следующая зависимость:

Из зависимости (8) следует, что выходной сигнал устройства для измерения электропроводности пропорционален значению электропроводности жидкостного кольца 12. Определение амплитуды колебаний при встречном A_В и согласном A_С включении измерительных обмоток 2 и 8 и использование их отношения (6), (7) в качестве указателя направления изменения компенсирующего воздействия со стороны управляемого элемента 6 позволяет снизить влияние неинформативных воздействий на результат измерения (8), таких как температура жидкости, старение сердечников 4 и 5, изменение характеристик усилителя высокой частоты 1.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить точность измерений электропроводности жидких сред за счет снижения погрешности, обусловленной изменением электрических параметров измерительных обмоток при воздействии электропроводности жидких сред и осуществляется путем создания компенсирующего воздействия на обе измерительные обмотки, равного по абсолютному значению, но противоположного по направлению относительно воздействия электропроводности жидких сред на измерительные обмотки.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при физико-химическом анализе свойств материалов по их удельной электропроводности, а также для контроля состояния жидких или пульпообразных технологических сред химических производств. Технический результат изобретения: повышение точности измерений электропроводности жидких сред за счет снижения погрешности, обусловленной изменением электрических параметров измерительных обмоток при воздействии электропроводности жидких сред путем создания компенсирующего воздействия на обе измерительные обмотки, равного по абсолютному значению, но противоположного по направлению относительно воздействия электропроводности жидких сред на измерительные обмотки. Сущность: устройство для измерения электропроводности жидких сред содержит усилитель высокой частоты, измерительную и компенсационную обмотки, каждая из которых размещена на отдельном сердечнике, управляемый элемент, первый вывод которого подключен к выводу компенсационной обмотки, а вход управления - к первому выходу блока управления. Каждый сердечник снабжен дополнительными измерительной и компенсационной обмотками, в устройство введены коммутатор, первый и второй выводы которого соединены с выводами дополнительной измерительной обмотки, а третий и четвертый выводы связаны с первым и вторым выходами усилителя высокой частоты, а также с выводами первой измерительной обмотки и третьим и четвертым выводами управляемого элемента, второй вывод которого связан с выводом дополнительной компенсационной обмотки, второй вывод которой подключен к второму выводу компенсационной обмотки. Устройство также содержит измеритель амплитуд, первый вход которого подсоединен к третьему выходу усилителя высокой частоты, а второй и третий входы подключены соответственно к второму и третьему выходу блока управления, причем первый и второй выходы измерителя амплитуд связаны с первым и вторым входами блока управления, а четвертый выход блока управления соединен с входом коммутатора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения электропроводности жидких сред, содержащее усилитель высокой частоты, измерительную и компенсационную обмотки, каждая из которых размещена на отдельном сердечнике, управляемый элемент, первый вывод которого подключен к первому выводу компенсационной обмотки, а вход управления - к первому выходу блока управления, отличающееся тем, что каждый сердечник снабжен дополнительными измерительной и компенсационной обмотками, в устройство введены коммутатор, первый и второй выводы которого соединены с выводами дополнительной измерительной обмотки, а третий и четвертый выводы связаны с первым и вторым выходами усилителя высокой частоты, а также с выводами первой измерительной обмотки и третьим и четвертым выводами управляемого элемента, второй вывод которого связан с первым выводом дополнительной компенсационной обмотки, второй вывод которой подключен к второму выводу компенсационной обмотки, измеритель амплитуд, первый вход которого подсоединен к третьему выходу усилителя высокой частоты, а второй и третий входы подключены соответственно к второму и третьему выходу блока управления, причем первый и второй выходы измерителя амплитуд связаны с первым и вторым входами блока управления, а четвертый выход блока управления соединен с входом коммутатора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сердечники выполнены стержневыми и параллельны друг другу.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель амплитуд содержит элемент связи, коммутатор, генератор, фазовый детектор и счетчик импульсов, причем первый вывод элемента связи является первым входом измерителя амплитуд и соединен с первым входом фазового детектора и входом счетчика импульсов, второй вывод элемента связи подключен к первому выводу коммутатора, второй вывод которого подключен к выходу генератора и второму входу фазового детектора, при этом вход управления коммутатора является вторым входом измерителя амплитуд, вход управления генератора является третьим входом измерителя амплитуд, выход фазового детектора является вторым выходом измерителя амплитуд, а выход счетчика импульсов - первым выходом измерителя амплитуд.