УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/06 

Изобретение относится к области измерения электрической проводимости жидкостей, а именно, к конструктивному выполнению средства для измерения электрической проводимости жидкости, действие которого основано на использовании четырех электродов, смонтированных в электроизолированной полости для протока жидкости. Преимущественной областью использования данного устройства для измерения электрической проводимости жидкости является осуществление измерений в океанах и морях на глубинах до 6000 метров. Носителями этих устройств для измерения электрической проводимости воды являются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) и другие средства подводного применения с автономными источниками электропитания.

Известно устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее четыре электрода, смонтированные в электроизолированной полости для протока жидкости, генератор и синхронный детектор [1].

Недостатком данного устройства является наличие заметного тока в измерительных цепях, соединенных с потенциальными электродами. При этом нестабильность сопротивления измерительных цепей, соединенных с потенциальными электродами, возникающая при загрязнении электродов или изменении температуры, приводит к дополнительному изменению напряжения, снимаемого с электродов, что снижает точность измерения электропроводности.

Известно также устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее электрически изолированную полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные электроды, дифференциальный усилитель, генератор, интегрирующий усилитель, нагрузочный резистор, синхронный детектор и блок сравнения, выход которого подключен к первому выводу нагрузочного резистора и к инвертирующему входу интегрирующего усилителя, причем первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен ближе ко второму токовому электроду, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду, а к выходу дифференциального усилителя подключен первый вход блока сравнения, второй токовый электрод соединен с общим проводом, выход генератора соединен с управляющим входом синхронного детектора, а остальные два входа синхронного детектора подключены к выводам нагрузочного резистора [2]. Известное измерительное устройство обеспечивает более высокую точность измерения.

Данное устройство для измерения электрической проводимости жидкости по функциональному назначению, по своей технической сущности и по достигаемому техническому результату наиболее близко к заявленному устройству для измерения электрической проводимости жидкости.

Основным недостатком известного устройства является необходимость в использовании биполярного источника электропитания, что сужает область его применения и увеличивает энергопотребление.

В основу изобретения положена задача разработать аналогичное устройство, не требующее двух источников напряжения для своего электропитания и, соответственно, меньше потребляющее электроэнергии при обеспечении высокой точности измерений в течение длительной эксплуатации, что особенно важно при использовании устройства на морских глубинах до 6000 метров с электропитанием от автономного источника (аккумулятора).

Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения электропроводимости жидкости, содержащее электрически изолированную полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные электроды, дифференциальный усилитель, генератор, интегрирующий усилитель, нагрузочный резистор, синхронный детектор и блок сравнения, выход которого подключен к первому выводу нагрузочного резистора и к инвертирующему входу интегрирующего усилителя, причем первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен ближе ко второму токовому электроду, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду, а к выходу дифференциального усилителя подключен первый вход блока сравнения, второй токовый электрод соединен с общим проводом, выход генератора соединен с управляющим входом синхронного детектора, а остальные два входа синхронного детектора подключены к выводам нагрузочного резистора, дополнительно введены источник тока, источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор на два положения, три конденсатора и четыре резистора, два из которых, первый и второй, точные, причем второй вывод нагрузочного резистора подключен к первому токовому электроду через первый конденсатор, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду через второй конденсатор, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду через третий конденсатор, выход генератора соединен с управляющим входом аналогового мультиплексора, переключаемый вход которого соединен с выходом источника тока, первый выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом блока сравнения, а второй его выход соединен со вторым входом блока сравнения, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу блока сравнения через первый точный резистор, выход интегрирующего усилителя подключен ко второму входу блока сравнения через второй точный резистор, а выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу интегрирующего усилителя и к опорному входу дифференциального усилителя, а через третий и четвертый резисторы, соответственно, к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя.

В заявленном устройстве для измерения электрической проводимости жидкости общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- электрически изолированная полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные электроды;

- дифференциальный усилитель;

- генератор;

- интегрирующий усилитель;

- нагрузочный резистор;

- синхронный детектор;

- блок сравнения, выход которого подключен к первому выводу нагрузочного резистора и к инвертирующему входу интегрирующего усилителя;

- первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе ко второму токовому электроду;

- неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду;

- инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду;

- к выходу дифференциального усилителя подключен первый вход блока сравнения;

- второй токовый электрод соединен с общим проводом;

- выход генератора соединен с управляющим входом синхронного детектора, а остальные два входа синхронного детектора подключены к выводам нагрузочного резистора.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого устройства для измерения электрической проводимости жидкости и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:

- источник тока;

- источник опорного напряжения;

- аналоговый мультиплексор на два положения;

- три конденсатора и четыре резистора, два из которых, первый и второй, точные;

- второй вывод нагрузочного резистора подключен к первому токовому электроду через первый конденсатор;

- неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду через второй конденсатор;

- инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду через третий конденсатор;

- выход генератора соединен с управляющим входом аналогового мультиплексора, переключаемый вход которого соединен с выходом источника тока;

- первый выход аналогово мультиплексора соединен с первым входом блока сравнения, а второй его выход соединен со вторым входом блока сравнения;

- выход дифференциального усилителя подключен к первому входу блока сравнения через первый точный резистор;

- выход интегрирующего усилителя подключен ко второму входу блока сравнения через второй точный резистор;

- выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу интегрирующего усилителя и к опорному входу дифференциального усилителя, а через третий и четвертый резисторы, соответственно, к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя.

Такая совокупность всех существенных признаков заявленного устройства для измерения электрической проводимости жидкости позволила снизить мощность энергопотребления, по сравнению с известным устройством (прототипом) в два раза при измерении электропроводности, соответствующей верхнему пределу диапазона измерений, а также обеспечить высокую точность измерений в течение длительной эксплуатации на АНПА.

На основании изложенного можно заключить, что в целом, вся указанная совокупность существенных признаков как известных, так и отличительных имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков создано менее энергоемкое устройство для измерения электропроводности жидкости при сохранении точности измерений.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

Достигнутый технический результат позволил расширить область использования устройства для измерения электропроводности жидкости за счет возможности включения в состав многофункциональных устройств с однополярным питанием и увеличить длительность его работы при автономном питании с сохранением точности измерений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема устройства для измерения электрической проводимости жидкости;

на фиг.2 показаны диаграммы сигналов при работе устройства:

а) диаграмма сигналов напряжения Uf на выходе генератора;

б) диаграмма сигналов напряжения Uc на выходе блока сравнения;

в) диаграмма напряжения U_P1 на первом потенциальном электроде;

г) диаграмма напряжения U_P2 на втором потенциальном электроде;

д) диаграмма напряжения Ud на выходе дифференциального усилителя.

Устройство для измерения электрической проводимости жидкости (см. фиг.1) содержит электрически изолированную полость 1 для протока жидкости, в которой смонтированы первый 2 и второй 3 токовые электроды, первый 4 и второй 5 потенциальные электроды. В состав устройства входят также генератор 6, блок сравнения 7, нагрузочный резистор 8, синхронный детектор 9, интегрирующий усилитель 10, дифференциальный усилитель 11, первый 12 и второй 13 (точные) резисторы, третий 14 и четвертый 15 резисторы, первый 16, второй 17 и третий 18 конденсаторы, источник опорного напряжения 19, источник тока 20 и аналоговый мультиплексор 21. На фиг.1 дополнительно обозначены первый вход 22 и второй вход 23 блока сравнения 7, первый 24 и второй 25 выводы нагрузочного резистора 8. Электрически изолированная полость 1 помещена в металлический корпус 26, электрически соединенный с общим проводом. К общему проводу подключен также минусовой провод источника питания (на схеме не показан) и второй токовый электрод 3. Потенциальные электроды расположены между токовыми, причем первый потенциальный электрод 4 расположен вблизи первого токового электрода 2, а второй потенциальный электрод 5 - вблизи второго токового электрода 3. Питание токовых электродов 2 и 3 переменным током осуществляется с выхода блока сравнения 7 через резистор 8 и конденсатор 16. Потенциальные электроды 4 и 5 соединены соответственно через конденсаторы 17 и 18 с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя 11, к выходу которого через первый (точный) резистор 12 подключен первый вход 22 блока сравнения 7. Неинвертирующий вход интегрирующего усилителя 10 и опорный вход дифференциального усилителя 11 соединены с выходом источника опорного напряжения 19. Неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя 11 также подключены к выходу источника опорного напряжения 19 через, соответственно, резисторы 14 и 15. Благодаря этому (см. фиг.2) изменение напряжения Uc на выходе блока сравнения 7 и напряжения Ud на выходе дифференциального усилителя 11, вызванное изменением напряжений U_P1 и U_P2 на потенциальных электродах 4 и 5, происходит относительно уровня опорного напряжения Ео. Емкости конденсаторов 17, 18 и сопротивления резисторов 14, 15 взяты достаточно большой величины и, практически, не оказывают влияния на точность измерений. Управляющий вход синхронного детектора 9, а также управляющий вход аналогового мультиплексора 21 подключены к выходу генератора 6. Инвертирующий вход интегрирующего усилителя 10 подключен к выходу блока сравнения 7, а выход интегрирующего усилителя 10 соединен со вторым входом 23 блока сравнения 7 через второй (точный) резистор 13. Входы синхронного детектора 9 подключены к первому и второму выводам нагрузочного резистора 8. Выход синхронного детектора 9 является выходом устройства для измерения электрической проводимости жидкости. Опорное напряжение Ео приблизительно равно половине напряжения Es источника питания.

Устройство для измерения электрической проводимости жидкости работает следующим образом. Сигнал опорной частоты в виде напряжения Uf прямоугольной формы (меандра) с выхода генератора 6 подается на управляющие входы аналогового мультиплексора 21 и синхронного детектора 9. При этом постоянный ток Io от источника тока 20 через аналоговый мультиплексор 21 подается попеременно (с равными по времени интервалами) на первый 22 и второй 23 входы блока сравнения 7, вызывая соответственно уменьшение или увеличение напряжения Uc (см. фиг.2б) на выходе блока сравнения 7. Благодаря интегрирующему усилителю 10 изменение напряжения Uc на выходе блока сравнения 7 происходит относительно уровня опорного напряжения Ео. Переменной составляющей напряжения Uc на выходе блока сравнения 7 возбуждается переменный ток Ig, проходящий через резистор 8, конденсатор 16, токовые электроды 2, 3 и через жидкость, протекающую в полости 1. Благодаря току Ie, протекающему через жидкость между токовыми электродами 2 и 3, на потенциальных электродах 4 и 5 возникает падение напряжения, равное:

где Re, Ge - соответственно электрическое сопротивление и проводимость жидкости между электродами 4 и 5. Благодаря петле глубокой отрицательной обратной связи "выход блока сравнения 7 - резистор 8 - конденсатор 16 - токовые электроды 2 и 3 и жидкость в полости 1 - потенциальные электроды 4 и 5 -дифференциальный усилитель 11 - резистор 12 - вход 22 блока сравнения" на входе 22 поддерживается напряжение, равное напряжению на входе 23 блока сравнения. При низком уровне напряжения Uf на выходе генератора 6 ток Io от источника тока протекает через резистор 12 и на выходе дифференциального усилителя 11 устанавливается уровень напряжения Ud₁=Ui-R·Io, где - напряжение на выходе интегрирующего усилителя. При высоком уровне напряжения Uf на выходе генератора 6 ток Io от источника тока протекает через резистор 13 и на выходе дифференциального усилителя 11 устанавливается уровень напряжения Ud₂=Ui+R·Io. Уровень переменной составляющей напряжения на выходе дифференциального усилителя 11 поддерживается неизменным ΔUd=Ud₂-Ud₁=±R·Io, где R - равные сопротивления резисторов 12 и 13. Благодаря этому уровень переменного напряжения на потенциальных электродах 4 и 5 поддерживается приблизительно постоянным и равен значению:

где Kd - коэффициент передачи дифференциального усилителя 11. Так как размеры полости 1, расстояния между электродами и размеры электродов являются постоянными, то выражение (1) можно записать в виде:

где Ig - ток через первый токовый электрод 2, конденсатор 16 и резистор 8, Ке - коэффициент, определяющий часть тока Ig, протекающую через жидкость, контактирующую с потенциальными электродами, Ge - электрическая проводимость жидкости между потенциальными электродами. При этом измеряемая удельная электрическая проводимость G жидкости, протекающей через полость 1, определяется выражением:

где Kg - постоянный ("конструкционный") коэффициент. Напряжение, пропорциональное току Ig, снимается с резистора 8 и детектируется синхронным детектором 9. Сигнал Ug, снимаемый с выхода синхронного детектора 9, является основным выходным сигналом устройства. Оператор преобразования по выходному сигналу устройства для измерения электрической проводимости жидкости с учетом выражений 2, 3, 4 имеет вид:

где К_СД - коэффициент передачи синхронного детектора 9, Rg - сопротивление нагрузочного резистора 8.

Институтом проведены сравнительные лабораторные и натурные испытания предлагаемого устройства для измерения электрической проводимости жидкости и устройства прототипа. Как показали результаты испытаний, мощность энергопотребления снизилась по сравнению с прототипом на 75 мВт и составила 75 мВт при измерении электропроводности, соответствующей верхнему пределу диапазона измерений.

Достигнутый результат позволил расширить область использования устройства для измерения электрической проводимости жидкости за счет возможности включения его в состав многофункциональных устройств с однополярным питанием, таких, например, как измеритель гидростатического давления и температуры морской воды для АНПА или автономная буйковая станция, без заметного увеличения общих габаритов многофункционального устройства и уменьшения длительности работы при питании от автономного источника.

Источники информации

1. Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана. Киев, "Наукова думка", 1979, с.123-125.

2. Российская Федерация, свидетельство № 10883 на полезную модель. Бюл. № 8, 16.08.1999 г. - прототип.

Изобретение может быть использовано для электрических измерений в океанах и морях на глубинах до 6000 метров. Устройство выполнено на основе четырехэлектродного кондуктивного датчика электропроводности и содержит, помимо него, генератор, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, источник тока, аналоговый мультиплексор, блок сравнения, интегрирующий усилитель, синхронный детектор, резисторы и конденсаторы. Генератор используется для управления аналоговым мультиплексором и синхронным детектором. Благодаря глубокой отрицательной связи "выход блока сравнения - нагрузочный резистор - конденсатор - токовые электроды датчика - потенциальные электроды датчика - дифференциальный усилитель - точный резистор - первый вход блока сравнения" на потенциальных электродах датчика поддерживается постоянный уровень переменного напряжения, который определяется значением сопротивлений двух точных резисторов, тока от источника тока и коэффициента передачи дифференциального усилителя. Переменный ток, возбуждаемый блоком сравнения и пропорциональный измеряемой электропроводности, протекает через токовые электроды датчика и нагрузочный резистор, наводя на последнем переменное напряжение, которое детектируется синхронным детектором. Интегрирующий усилитель используется для поддержания рабочей точки на выходе блока сравнения на уровне опорного напряжения. Изобретение обеспечивает снижение мощности, потребляемой от источника электропитания, при сохранении высокой точности измерений. 2 ил.

Устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее электрически изолированную полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные электроды, дифференциальный усилитель, генератор, интегрирующий усилитель, нагрузочный резистор, синхронный детектор и блок сравнения, выход которого подключен к первому выводу нагрузочного резистора и к инвертирующему входу интегрирующего усилителя, причем первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен ближе ко второму токовому электроду, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду, а к выходу дифференциального усилителя подключен первый вход блока сравнения, второй токовый электрод соединен с общим проводом, выход генератора соединен с управляющим входом синхронного детектора, а остальные два входа синхронного детектора подключены к выводам нагрузочного резистора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены источник тока, источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор на два положения, три конденсатора и четыре резистора, два из которых, первый и второй, точные, причем второй вывод нагрузочного резистора подключен к первому токовому электроду через первый конденсатор, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду через второй конденсатор, а инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен ко второму потенциальному электроду через третий конденсатор, выход генератора соединен с управляющим входом аналогового мультиплексора, переключаемый вход которого соединен с выходом источника тока, первый выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом блока сравнения, а второй его выход соединен со вторым входом блока сравнения, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу блока сравнения через первый точный резистор, выход интегрирующего усилителя подключен ко второму входу блока сравнения через второй точный резистор, а выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу интегрирующего усилителя и к опорному входу дифференциального усилителя, а через третий и четвертый резисторы - соответственно - к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя.