СОЛЕМЕР Российский патент 2009 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к технике измерений солености жидкостей и может быть использовано в метрологии в качестве образцового средства измерений при поверке и калибровке средств измерений более низкой точности, а также при аттестации стандартных растворов.

Наиболее широкое применение предлагаемое устройство может найти в океанографии. Соленость проб морской (океанической) воды определяется косвенным методом по результатам измерений их относительной электрической проводимости (ОЭП) и температуры с использованием известных эмпирических соотношений, связывающих эти параметры [1].

Известно устройство для определения солености проб морской воды путем измерений ОЭП пробы и ее температуры, которое состоит из трансформаторного кондуктометрического преобразователя, размещенного на корпусе прибора, генератора гармонического напряжения, управляемого трансформаторного делителя напряжений, последовательно подключенных к выходу кондуктометрического преобразователя усилителя, синхронного детектора, интегратора и стрелочного индикатора, устройства термокомпенсации и устройства для измерений температуры с датчиком температуры, размещенным в кондуктометрическом преобразователе [2].

Недостатком этого устройства является низкая точность измерений, что обусловлено разновременностью компарирования (нормальная морская вода (образцовый раствор) и проба заливаются в кондуктометрический преобразователь поочередно) и низкой точностью определения температуры проб и температурной компенсации. Кроме того, измерения с помощью этого устройства довольно трудоемки, поскольку процедура нахождения участков температурной компенсации достаточно сложна.

Наиболее близким по технической сущности (большинству сходных конструктивных признаков) к предлагаемому устройству является солемер, содержащий кондуктометрический преобразователь, состоящий из первого, второго и третьего трансформаторов, первого элемента связи, охватывающего сердечники первого и второго трансформаторов, второго элемента связи, охватывающего сердечники второго и третьего трансформаторов, причем первые выводы обмоток трансформаторов соединены с общей шиной, последовательно соединенные усилитель, вход которого подсоединен к второму выводу выходной обмотки второго трансформатора, синхронный детектор и блок индикации, генератор, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора и с входом переключателя, первый выход которого соединен с вторым выводом обмотки первого трансформатора, резистор [3].

Недостатком устройства-прототипа является недостаточно высокая точность, ограниченная чувствительностью кондуктометрического преобразователя, а именно - низкими коэффициентами преобразования кондуктометрических ячеек (элементов связи).

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем повышения чувствительности кондуктометрического преобразователя за счет увеличения коэффициентов, преобразования элементов связи (кондуктометрических ячеек).

Поставленная цель достигается тем, что в солемер, содержащий генератор, выход которого соединен с входом переключателя и с опорным входом синхронного детектора, к выходу которого подсоединен блок индикации, кондуктометрический преобразователь, включающий первый сердечник с первой обмоткой, второй сердечник с второй и третьей обмотками, первый элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая исследуемой или образцовой жидкостью, и который охватывает первый и второй сердечники, третий сердечник с четвертой обмоткой, второй элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая образцовой жидкостью, и который охватывает третий сердечник, причем первые выводы первой, второй, третьей и четвертой обмоток соединены с общей шиной, второй вывод первой обмотки соединен с первым выходом переключателя, второй вывод третьей обмотки соединен с входом усилителя, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора, резистор, введены четвертый сердечник с пятой и шестой обмотками, охватываемый вторым элементом связи, второй переключатель и преобразователь "код-напряжение", причем первые выводы пятой и шестой обмоток соединены с общей шиной, второй выход первого переключателя соединен с вторым выводом четвертой обмотки, вход питания преобразователя "код-напряжение" соединен с выходом генератора, а выход преобразователя "код-напряжение" соединен через резистор с входом второго переключателя, первый выход которого соединен с вторым выводом второй обмотки, второй выход второго переключателя соединен с вторым выводом пятой обмотки, второй вывод шестой обмотки соединен с вторым входом усилителя.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого солемера.

Солемер состоит из генератора 1 гармонического напряжения, первого переключателя 2, второго переключателя 3, кондуктометрического преобразователя 4, включающего в себя первый сердечник 5 с первой обмоткой 6, второй сердечник 7 с второй обмоткой 8 и третьей обмоткой 9, третий сердечник 10 с четвертой обмоткой 11, четвертый сердечник 12 с пятой обмоткой 13 и шестой обмоткой 14, первый элемент 15 связи и второй элемент 16 связи, преобразователя 17 "код-напряжение", резистора 18, усилителя 19, синхронного детектора 20 и блока 21 индикации. Выход генератора 1 соединен с входом питания преобразователя 17 "код-напряжение", с входом первого переключателя 2 и с опорным входом синхронного детектора 20. Первый выход первого переключателя 2 соединен с вторым выводом первой обмотки 6. Второй выход первого переключателя 2 соединен с вторым выводом четвертой обмотки 11. Первый выход второго переключателя 3 соединен с вторым выводом второй обмотки 8. Второй выход второго переключателя 3 соединен с вторым выводом пятой обмотки 13. Первый элемент 15 связи охватывает первый сердечник 5 и второй сердечник 7. Второй элемент 16 связи охватывает третий сердечник 10 и четвертый сердечник 12. Первые выводы первой обмотки 6, второй обмотки 8, третьей обмотки 9, четвертой обмотки 11, пятой обмотки 13 и шестой обмотки 14 соединены с общей шиной. Выход преобразователя 17 "код-напряжение" через резистор 18 соединен с входом второго переключателя 3. Второй вывод третьей обмотки 9 соединен с первым входом усилителя 19. Второй вывод шестой обмотки 14 соединен с вторым входом усилителя 19, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора 20, к выходу которого подсоединен блок 21 индикации.

Генератор 1 предназначен для питания кондуктометрического преобразователя 4 и преобразователя 17 "код-напряжение" гармоническим напряжением звуковой частоты, а также для формирования управляющего напряжения синхронного детектора 20. Генератор может быть выполнен по схеме, приведенной в [4, рис.4.17].

Переключатель 2 предназначен для подключения к выходу генератора 1 одной из двух обмоток - обмотки 6 или обмотки 11.

Переключатель 3 предназначен для подключения к резистору 18 одной из двух обмоток - обмотки 8 или обмотки 13.

Кондуктометрический преобразователь 4 служит для преобразования проводимостей элементов связи 15 и 16 в напряжения, подаваемые на входы усилителя 19. В качестве сердечников 5, 7, 10 и 12 могут быть использованы, например, кольцевые сердечники К32×20×9 из феррита марки М6000НМ. Обмотки трансформаторов и элементы связи выполнены так же, как в известных кондуктометрах и солемерах. Кондуктометрический преобразователь 4 может быть помещен в термостат, например, пассивного типа.

Преобразователь "код-напряжение" 17 предназначен для преобразования устанавливаемого на его входе кода в пропорциональное гармоническое напряжение и может быть выполнен по схеме, приведенной в [5, рис.4-8].

Резистор 18 служит для преобразования выходного напряжения преобразователя "код-напряжение" 17 в ток уравновешивания, подаваемый в одну из двух обмоток - в обмотку 8 или в обмотку 13. В качестве резистора 18 может быть использован высокостабильный резистор, например, типа С5-61.

Усилитель 19 предназначен для усиления одного из двух напряжений - напряжения, снимаемого с обмотки 9, или напряжения, снимаемого с обмотки 14. Усилитель 19 может быть выполнен по схеме, содержащей:

- малошумящий предварительный усилитель, вход которого подсоединен к обмотке 9 (например, микросхема 504УН1Б);

- малошумящий предварительный усилитель, вход которого подсоединен к обмотке 14 (например, микросхема 504УН1Б);

- суммирующий усилитель, выполненный, например, по схеме, приведенной в [4, рис.8.1а];

- избирательный усилитель, необходимый для повышения отношения "сигнал/шум", который может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в [4, рис.3.10];

- фазовращатель, необходимый для компенсации фазового сдвига напряжений на обмотках 9 и 14, которые сдвинуты относительно выходного напряжения генератора 1 приблизительно на 90°. Фазовращатель может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в [4, рис.3.17].

Синхронный детектор 20 предназначен для преобразования выходного переменного напряжения усилителя 19 в постоянное напряжение, знак которого зависит от фазы выходного напряжения усилителя 19: если, например, выходное напряжение усилителя 19 находится в фазе с управляющим напряжением (выходным напряжением генератора 1), то напряжение на выходе синхронного детектора положительное, если в противофазе, то - отрицательное. Синхронный детектор может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в [4, рис.5.12].

Блок индикации 21 предназначен для определения направления изменения кода N (увеличение или уменьшение) и поиска такого значения кода, при котором выходное напряжение синхронного детектора 20 минимально (практически равно нулю). Блок индикации может быть выполнен по схеме, содержащей:

- усилитель-ограничитель, выполненный, например, на микросхеме К140УД17А;

- токоограничивающий резистор;

- стрелочный микроамперметр магнитоэлектрической системы с нулем в середине шкалы.

Солемер работает следующим образом.

Элементы 15 и 16 связи заполняют жидкостями: элемент 15 - исследуемой жидкостью, элемент 16 - образцовой жидкостью.

Переключающие контакты переключателей 2 и 3 устанавливают в верхнее положение, т.е. входы переключателей 2 и 3 подключают к их первым выходам. При этом обмотка 6 соединена с выходом генератора 1, обмотка 8 соединена через резистор 18 с выходом преобразователя 17 "код-напряжение", обмотки 11 и 13 находятся в отключенном состоянии и напряжение на обмотке 14 равно нулю. Выходное напряжение генератора 1, приложенное к обмотке 6, возбуждает в элементе 15 связи ЭДС, под действием которой по элементу 15 протекает ток I₁, создающий в сердечнике 7 магнитный поток Ф₁. Под действием выходного напряжения преобразователя 17 "код-напряжение" по обмотке 8 протекает ток I₂, создающий в сердечнике 7 магнитный поток Ф₂, направленный встречно магнитному потоку Ф₂. Разность магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ обусловливает в обмотке 9 ЭДС, которая усиливается усилителем 19, детектируется синхронным детектором 20 и преобразуется в соответствующее показание блока 21 индикации по знаку и абсолютному значению. Изменяя код N на входе преобразователя 17 "код-напряжение" и наблюдая за показаниями блока 21 индикации, устанавливают такое значение N₁ кода, при котором показание блока 21 индикации по абсолютному значению минимально (практически равно нулю), что соответствует отсутствию магнитного потока в сердечнике 7 и равенству ампер-витков элемента 15 связи и обмотки 8.

Переключающие контакты переключателей 2 и 3 устанавливают в нижнее положение, т.е. входы переключателей 2 и 3 подключают к их вторым выходам. При этом обмотка 11 соединена с выходом генератора 1, обмотка 13 соединена через резистор 18 с выходом преобразователя 17 "код-напряжение", обмотки 6 и 8 находятся в отключенном состоянии и напряжение на обмотке 9 равно нулю. Выходное напряжение генератора 1, приложенное к обмотке 11, возбуждает в элементе 16 связи ЭДС, под действием которой по элементу 16 протекает ток I₃, создающий в сердечнике 12 магнитный поток Ф₃. Под действием выходного напряжения преобразователя 17 "код-напряжение" по обмотке 13 протекает ток I₄, создающий в сердечнике 12 магнитный поток Ф₄, направленный встречно магнитному потоку Ф₃. Разность магнитных потоков Ф₃ и Ф₄ обусловливает в обмотке 14 ЭДС, которая усиливается усилителем 19, детектируется синхронным детектором 20 и преобразуется в соответствующее показание блока 21 индикации по знаку и абсолютному значению. Изменяя код N на входе преобразователя 17 "код-напряжение" и наблюдая за показаниями блока 21 индикации, устанавливают такое значение N₂ кода, при котором показание блока 21 индикации по абсолютному значению минимально (практически равно нулю), что соответствует отсутствию магнитного потока в сердечнике 12 и равенству ампер-витков элемента 16 связи и обмотки 13.

Соленость исследуемой жидкости определяют по отношению N₁/N₂ и значению температуры t, рассчитанному по градуировочной характеристике

где а₀, a₁…a_n - градуировочные коэффициенты.

Значение кода N₁ получают при выполнении условия:

где w_y.1 - число витков обмотки 8.

Ток I₁ определяется выражением:

где Ur - выходное напряжение генератора 1, В;

w_г.1 - число витков обмотки 6;

Y₁ - проводимость элемента 15 связи, заполненного исследуемой жидкостью, См;

λ_и - удельная электрическая проводимость (УЭП) исследуемой жидкости при данной температуре, См/м;

k₁ - коэффициент преобразования (геометрическая постоянная) элемента 15 связи, м.

Напряжение на выходе преобразователя 17 "код-напряжение" (представляющего собой управляемый трансформаторный делитель напряжения):

где N_m - наибольшее значение кода, которое может быть установлено на входе преобразователя 17 "код-напряжение".

Ток I₂ с учетом (4) может быть представлен в следующем виде:

где R - сопротивление резистора 18, Ом.

Подставляя (3) и (5) в (2), после несложных преобразований получим:

Значение кода N₂ получают при выполнении условия:

где w_y.2 - число витков обмотки 13.

Ток I₃ определяется выражением:

где w_г.2 - число витков обмотки 11;

Y₂ - проводимость элемента 16 связи, заполненного образцовой жидкостью, См;

λ_о - УЭП образцовой жидкости при данной температуре, См/м;

k₂ - коэффициент преобразования (геометрическая постоянная) элемента 16 связи, м.

Напряжение на выходе преобразователя 17 "код-напряжение":

Ток I₄ с учетом (9) может быть представлен в следующем виде:

Подставляя (8) и (10) в (7), после несложных преобразований получим:

На основании (6) и (11) отношение N₁/N₂ может быть представлено в следующем виде:

При w_г.1=w_г.2 и w_у.1=w_у.2 выражение (12) упрощается и принимает вид:

Соленость исследуемой жидкости рассчитывается по относительной электрической проводимости [1] G_t - отношению УЭП исследуемой жидкости при некоторой температуре t к УЭП образцовой жидкости при этой же температуре:

На основании (13) и (14) можно написать:

При изготовлении кондуктометрического преобразователя стремятся выполнить условие:

Однако с достаточной степенью точности этого сделать не удается из-за несовершенства технологии. Поэтому до выполнения измерений производят калибровку солемера, которая заключается в следующем. Оба элемента связи заполняют одной и той же образцовой жидкостью и получают значения кодов при калибровке N_1.к и N_2.к. Так как при калибровке G_t=1, то калибровочный коэффициент А рассчитывают по формуле

Таким образом, значение величины G_t исследуемой пробы, необходимое для расчета ее солености, находят по полученным при измерении значениям кода N₁ и N₂ и по известному значению калибровочного коэффициента А:

Градуировочную характеристику (1) получают известным способом - кондуктометрический преобразователь помещают в термостат и при различных значениях температуры (измеряемой с помощью образцового средства измерений температуры) регистрируют соответствующие им значения кода N₂, затем по методу наименьших квадратов определяют коэффициенты a₀, a₁…a_n.

На фиг.2 показана конструкция кондуктометрической ячейки (незаполненного элемента связи), коэффициент преобразования которой может быть представлен в следующем виде:

где S - площадь поперечного кругового сечения полости ячейки, м²;

L - средняя длина полости ячейки, м.

Полагаем, что в кондуктометрических преобразователях устройства-прототипа и предлагаемого устройства:

а) используются сердечники типа М6000НМ К32×20×9;

б) толщина обмоток, толщина экранов и толщина стенок кондуктометрических ячеек равны 1 мм.

При этом внутренние диаметры готовых трансформаторов - 16 мм, а внешние - 36 мм.

На фиг.3 показана конструкция кондуктометрического преобразователя устройства-прототипа, в котором (с учетом принятых выше условий) кондуктометрические ячейки имеют размеры: r₁=11 мм; r₂=17 мм; d=6 мм; h=13 мм. Подставляя эти значения в (18), находим коэффициент преобразования кондуктометрической ячейки устройства-прототипа

На фиг.4 показана конструкция кондуктометрического преобразователя предлагаемого устройства, в котором кондуктометрические ячейки имеют размеры: r₁=6 мм; r₂=20 мм; d=14 мм; h=25 мм. Подставляя эти значения в (18), находим коэффициент преобразования кондуктометрической ячейки предлагаемого устройства

Таким образом, в сравнении с устройством-прототипом, предлагаемое устройство позволяет получить более высокую чувствительность кондуктометрического преобразователя (приблизительно в 5 раз) и повысить точность измерений за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе кондуктометрического преобразователя.

Источники информации

1. О введении Шкалы практической солености, 1978 и нового Международного уравнения состояния морской воды. 1980. - Океанология, 1982, т.XXII, вып.2, с.337-343.

2. Электросолемер ГМ-65. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

3. Прототип - А.с. СССР №1599744, кл. G01N 27/00, 1990.

4. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Техника, 1983. - 213 с., ил.

5. Трансформаторные измерительные мосты. Под ред. К.Б.Карандеева. М.: Энергия, 1970. - 280 с. с ил.

Изобретение может быть использовано в метрологии в качестве образцового средства измерений при поверке и калибровке средств измерений более низкой точности, а также при аттестации стандартных растворов. Устройство содержит генератор, выход которого соединен с входом переключателя и с опорным входом синхронного детектора, к выходу которого подсоединен блок индикации, кондуктометрический преобразователь, включающий первый сердечник с первой обмоткой, второй сердечник с второй и третьей обмотками, первый элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая исследуемой или образцовой жидкостью, и который охватывает первый и второй сердечники, третий сердечник с четвертой обмоткой, второй элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая образцовой жидкостью, и который охватывает третий сердечник, причем первые выводы первой, второй, третьей и четвертой обмоток соединены с общей шиной, второй вывод первой обмотки соединен с первым выходом переключателя, второй вывод третьей обмотки соединен с входом усилителя, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора, резистор, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений введены четвертый сердечник с пятой и шестой обмотками, охватываемый вторым элементом связи, второй переключатель и преобразователь "код-напряжение", причем первые выводы пятой и шестой обмоток соединены с общей шиной, второй выход первого переключателя соединен с вторым выводом четвертой обмотки, вход питания преобразователя "код-напряжение" соединен с выходом генератора, а выход преобразователя "код-напряжение" соединен через резистор с входом второго переключателя, первый выход которого соединен со вторым выводом второй обмотки, второй выход второго переключателя соединен со вторым выводом пятой обмотки, второй вывод шестой обмотки соединен с вторым входом усилителя. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений путем повышения чувствительности кондуктометрического преобразователя за счет увеличения коэффициентов преобразования элементов связи. 6 ил.

Солемер, содержащий генератор, выход которого соединен с входом переключателя и с опорным входом синхронного детектора, к выходу которого подсоединен блок индикации, кондуктометрический преобразователь, включающий первый сердечник с первой обмоткой, второй сердечник с второй и третьей обмотками, первый элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая исследуемой или образцовой жидкостью, и который охватывает первый и второй сердечники, третий сердечник с четвертой обмоткой, второй элемент связи, внутри которого имеется полость, заполняемая образцовой жидкостью, и который охватывает третий сердечник, причем первые выводы первой, второй, третьей и четвертой обмоток соединены с общей шиной, второй вывод первой обмотки соединен с первым выходом переключателя, второй вывод третьей обмотки соединен с входом усилителя, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора, резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, введены четвертый сердечник с пятой и шестой обмотками, охватываемый вторым элементом связи, второй переключатель и преобразователь "код-напряжение", причем, первые выводы пятой и шестой обмоток соединены с общей шиной, второй выход первого переключателя соединен с вторым выводом четвертой обмотки, вход питания преобразователя "код-напряжение" соединен с выходом генератора, а выход преобразователя "код-напряжение" соединен через резистор с входом второго переключателя, первый выход которого соединен с вторым выводом второй обмотки, второй выход второго переключателя соединен с вторым выводом пятой обмотки, второй вывод шестой обмотки соединен с вторым входом усилителя.