УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/06 G01R27/02 

Изобретение относится к кондуктометрии, предназначено для измерений электрической проводимости воды и других электролитов и может быть использовано при физико-химических исследованиях жидкостей и в системах контроля технологических процессов.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия средств измерения электрической проводимости жидкости.

Известно устройство для измерений электрической проводимости жидкости, в котором используется трансформаторный датчик (Авторское свидетельство СССР №949464, Кл. G01N 27/02, опубликовано 07.08.82, бюллетень №29).

Для повышения точности измерений в этом устройстве кроме основного измерения выполняются два дополнительных: при подключении образцового резистора с помощью дополнительной обмотки и ключа и при коммутации выводов обмоток трансформаторного датчика. Результаты этих трех измерений используются для вычисления значения измеряемой электрической проводимости жидкости. Повышение точности измерений достигается за счет исключения влияния ряда параметров функции преобразования измерительного устройства на конечный результат измерений.

Недостатком указанного устройства является снижение быстродействия, что определяется необходимостью последовательного выполнения дополнительных измерений для повышения точности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения электропроводности (Авторское свидетельство СССР №832435, Кл. G01N 27/02, опубликовано 23.05.81, бюллетень №19).

Данное устройство представляет собой трансформаторный измерительный преобразователь, в котором связь между двумя трансформаторами осуществляется жидкостным контуром, обмотка одного трансформатора подключена к источнику переменного напряжения, а с обмотки другого трансформатора снимается напряжение, которое детектируется, причем его амплитуда пропорциональна проводимости исследуемой жидкости. Для повышения точности измерений используется петля из токопроводящего материала, охватывающая сердечники обоих трансформаторов. В цепь этой петли включены образцовый резистор и ключ, коммутируемый с определенной частотой. Возникающая при этом модуляция амплитуды выходного сигнала используется для автоматического регулирования амплитуды напряжения возбуждения на выходе источника переменного напряжения. Регулирование осуществляется с помощью системы автоматического регулирования, включающей в себя фильтр верхних частот, детектор, источник опорного напряжения, схему сравнения и интегратор.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:

1. Точность измерений в значительной мере ограничена точностью системы автоматического регулирования амплитуды напряжения возбуждения на выходе источника переменного напряжения, т.е. точностью фильтра верхних частот, детектора, источника опорного напряжения, схемы сравнения и интегратора.

2. Быстродействие устройства определяется, главным образом, частотой импульсного генератора, управляющего работой ключа, а также инерционностью указанной системы автоматического регулирования. При этом следует учитывать, что частота импульсного генератора должна быть горазда меньше частоты сигнала источника переменного напряжения возбуждения и значительно больше верхней частоты в спектре исследуемого сигнала (электрической проводимости жидкости).

В устройство для измерения электрической проводимости, содержащее питающий и измерительный трансформаторы, связь между которыми осуществляется жидкостным контуром, с обмотками, подключенными соответственно к источнику переменного напряжения и к детектору, и петлю из токопроводящего материала, введенную в обмотки трансформаторов, в которую включен образцовый резистор, введены второй измерительный трансформатор, второй детектор и вычислительный блок, причем связь между питающим и вторым измерительным трансформаторами осуществляется тем же жидкостным контуром, обмотка второго измерительного трансформатора подключена ко входу второго детектора, выходы обоих детекторов подключены ко входам вычислительного блока, а выход вычислительного блока является выходом измерительного устройства.

Функциональная схема устройства для измерения электрической проводимости изображена на чертеже.

Устройство содержит источник переменного напряжения 1, питающий трансформатор 2 с обмоткой 3 на ферромагнитном сердечнике 4, первый измерительный трансформатор 5 с обмоткой 7 на ферромагнитном сердечнике 6, жидкостный контур 11, петлю из токопроводящего материала 12 с образцовым резистором 13, второй измерительный трансформатор 8 с обмоткой 10 на ферромагнитном сердечнике 9, два детектора 14, 15 и вычислительный блок 16.

Выход источника переменного напряжения 1 подключен к обмотке 3 питающего трансформатора 2. Жидкостный контур 11 охватывает сердечники 4, 6 и 9 всех трех трансформаторов. Петля из токопроводящего материала 12, в которую включен образцовый резистор 13, охватывает сердечники 4 и 6 питающего и первого измерительного трансформаторов. Обмотки первого и второго измерительных трансформаторов подключены соответственно ко входам первого и второго детекторов, выходы которых соединены со входами вычислительного блока, а выход вычислительного блока является выходом измерительного устройства.

Устройства работает следующим образом.

Источник переменного напряжения 1 вырабатывает периодическое переменное напряжение (обычно синусоидальное), которое подается на обмотку 3 питающего трансформатора 2. В жидкостном контуре 11 и в петле из токопроводящего материала 12 индуцируются ЭДС, которые создают в них токи, пропорциональные соответствующим проводимостям:

где I₁ - ток в жидкостном контуре 11;

I₂ - ток в петле 12;

Е_в - напряжение возбуждения на обмотке 3;

g_x - проводимость жидкостного контура 11;

g₀ - проводимость петли 12;

k₁ - коэффициент, определяемый параметрами трансформатора 2.

Проводимость g₀ сопротивлением образцового резистора 13, т.е. g₀=1/R₀, где R₀ - сопротивление резистора 13.

Измерительные трансформаторы 5 и 8 выполняются идентичными: они имеют одинаковые сердечники 6 и 9 и одинаковые обмотки 7 и 10. При этом жидкостный контур 11 охватывает оба измерительных трансформатора, а петля 12 - только трансформатор 5.

Тогда ЭДС на измерительных обмотках 7 и 10 равны:

где E₁ и E₂ - ЭДС на измерительных обмотках 7 и 10 соответственно;

k₂ - коэффициент, определяемый параметрами трансформаторов 5 и 8.

На выходах детекторов 14 и 15 образуются постоянные напряжения U₁ и U₂. соответственно, которые при идентичности этих детекторов равны:

где k_д - коэффициент преобразования детекторов 14 и 15.

Напряжения U₁ и U₂ поступают на входы вычислительного блока 16, в котором вычисляется значение g_x по формуле

Удельная электрическая проводимость жидкости σ_х определяется формулой

где k - геометрическая постоянная датчика электропроводности.

Из формулы (8) следует, что вычисленное значение σ_х не зависит от напряжения возбуждения Е_в, коэффициента преобразования детекторов k_д и параметров трансформаторов, от которых зависят коэффициенты k₁ и k₂. В частности, таким образом исключается влияние изменений магнитной проницаемости сердечников трансформаторов, вызванных изменениями температуры, т.е. существенно уменьшается температурная погрешность измерительного устройства.

Погрешность вычисленного значения σ_х определяется главным образом точностью и стабильностью геометрической постоянной датчика k и проводимости образцового резистора 13, а также неидентичностью характеристик измерительных трансформаторов 14 и 15.

В изготовленном устройстве в качестве образцового резистора был применен резистор фирмы MEGGITT HOLSWORTNY с температурным коэффициентом сопротивления 10·10^-6 1/°С. Для обеспечения температурной стабильности геометрической постоянной датчика электропроводности в его конструкции была использована трубка из кварцевого стекла, размеры которой определяют геометрическую постоянную датчика.

Для питания датчика, детектирования и преобразования выходных сигналов была применена микросхема AD698, содержащая генератор синусоидального напряжения возбуждения, два идентичных детектора, аналоговое делительное устройство и фильтр нижних частот. Постоянное напряжение на выходе этой микросхемы пропорционально отношению U₁/U₂. Для дальнейших преобразований и вычислений по формуле (8) был использован микроконвертор AduC824, содержащий дельта-сигма АЦП и микропроцессор.

Экспериментальные исследования описанного устройства показали, что приведенная погрешность измерений удельной электрической проводимости воды в диапазоне (0,5...65) Ом/м и диапазоне температур (0...85)°С не превышает 0,15%.

Предлагаемое устройство предназначено для измерений удельной электрической проводимости жидкости в широком диапазоне изменения ее проводимости и температуры и может быть использовано как при исследованиях различных водных объектов, так и при автоматическом контроле технологических процессов.

Изобретение может быть использовано при физико-химических исследованиях жидкостей, а также при автоматическом контроле технологических процессов. В измерительное устройство, построенное на основе трансформаторного датчика электрической проводимости, введены второй измерительный трансформатор, второй детектор и вычислительный блок. Связь между питающим и обоими измерительными трансформаторами осуществляется с помощью жидкостного контура. Выходы обоих детекторов подключены ко входам вычислительного блока, выход вычислительного блока является выходом устройства. Значение измеряемой электрической проводимости жидкости вычисляется в вычислительном блоке. Изобретение обеспечивает повышение точности и быстродействия средств измерений электрической проводимости жидкости. 1 ил.

Устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее питающий и измерительный трансформаторы, связь между которыми осуществляется жидкостным контуром, с обмотками, подключенными соответственно к источнику переменного напряжения и к детектору, и петлю из токопроводящего материала, введенную в обмотки трансформаторов, в которую включен образцовый резистор, отличающееся тем, что в него введены второй измерительный трансформатор, второй детектор и вычислительный блок, причем связь между питающим и вторым измерительным трансформаторами осуществляется тем же жидкостным контуром, обмотка второго измерительного трансформатора подключена ко входу второго детектора, выходы обоих детекторов подключены ко входам вычислительного блока, выход вычислительного блока является выходом устройства, а значение измеряемой электрической проводимости жидкости вычисляется в вычислительном блоке по формуле:

g_x=g₀/(U₁/U₂-1),

где g_x - проводимость жидкостного контура,

g₀ - проводимость петли из токопроводящего материала,

U₁ - напряжение на выходе детектора,

U₂ - напряжение на выходе второго детектора.