Устройство для измерения электропроводности жидкости Советский патент 1983 года по МПК G01N27/02 

N3 1C Изобретение относится к гидрофизическим измерениям параметров жидко ти и может быть использовано для исследования тонкой стратифи.кации во океана, в метрологии р качестве рбразцового средства для градуировки и по верки рабочих средств измерения средних значений удельной электричес кой проводимости {УЭП, а также для воспроизведения стандартных растворо методом непосредственного компарирования электропроводности. Известно устройство для измерения электропроводности жидкости, основанное на дифференциальном способе с применением двухконтактных измерительных ячеек. ..Устройство содержит две двухэлёктродные измерительные ячейки равных геометрических размеров 1 1, Недостатками устройства являются низкие точность и чувствительность, вызванные нестабильностью поверхност ных контактных явлений на электродах Наиболее бЛиаким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее две кондуктометрические ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока/ связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напря жени.я-, подключенный к обмотке трансформатора напряжения, дифференциальный усилитель, входы которого подклю чены к выходной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор,соединен ный с регистратором 2. Фазовые искажения в измерительных трансформаторах вызванные частич- . ным дифференцированием сигнала, не позволяют в известном устройстве осуществить управление синхронным детектором от источника переменного напряжения. Обеспечение идентичности сдвига фазы в известном устройстве требует развязки выходных цепей измерительных трансформаторов ячеек и включения двух идентичных усилителей переменного тока в калсднй из каналов. Поэтому каждый из усилителей переменного тока должен иметь динамический диапазон обеспечивающий прохождение сигнала, соответствукяцего абсолютной величине среднего значения УЭП жидкостей. Усилители переменного тока, подключенные к измерительным трансформаторам ячеек, имеют большой динамический диапазон, следовательно отношение сигнал/шум определяется не величиной измерения УЭП, а абсолютной величино сигнала. Поэтому на. дифференциальный усилитель приходит сигнал с к оэффиЦи ентом шума, соответс.твующим прохождению через усилители сигнала с боль шим синфазным уровнем. Чувствительность известного устройства ограничена высоким уровнем шумов усилителей переменного тока с большим динамическим диапазоном, обусловленным прохождением большого синфазного сигнала, и не может быть более 0,03 См/м в диапазоне величин УЭП З-ДО См/м. Точность усТройств.а ограничена большим динамическим диа пазоном сигналов суммы и разности, . которые должны без искажения подаваться на управляющий и сигнальйый входы синхронного детектора. Таким образом, недостатками известного устройства являются ограниченные точность и чувствительность измерений. Цель изобретения - повышение Точности и чувствительности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее две кондуктометрические ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения, подключенный к обмотке трансформатора напряжения, дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединенный с регистратором, дополнительно введен трансформ тор / тока, а обмотки измерительных транса форматоров тока обеих ячеек включены встречно-параллельно и подключены к входной обмотке дополнительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого выполнена в виде параллельного резонансного контура и соединена с входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к компенсационной обмотке дополнительного трансформатора,тока и к синхронному, детектору, управляющий вход которого подключен к источнику переменного напряжения. обеспечивается прохождение в измерительном тракте устрой ства сигнала, несущего информацию только о -разностиУЭП жидкости, независимо от абсолютного значения УЭП жидкости в ячейках, .сузить динамический диапазон усилителей переменного тока и понизить уровень из шумов, обеспечить уси;.еийё изкеряе-t мого сигнала по напряжению на пассивном дифференциальном трансформаторе, застабилизировать фазовые соотношения сигналов источника переменного тока напряжения и измерительных трансформаторов и подать на управляющий вход синхронного детектора выходной сигнал источника переменного напряжения. На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения электропроводности жидкостиJ на фиг. 2 - эквивалентная схема соединения иэмерительтных трансформаторов с входом усилителя встречно-параллельное включение обмоток, трансформаторов ), на фиг. 3 - то же/ отдельное подключение каждой обмотки трансформатора к входу усилителя

Устройство-содержит источник 1 переменного напряжения, трансформатор 2 напряжения, обмотка 3 которого подключена к источнику 1,- две кондуктометрические ячейки 4 и 5 с измерительными трансформаторами б и 7. Трансформаторы 6 и 7 тока связаны с трансформатором 2 напряжения жидкостными витками 8 и 9. Обмотки 10 и 11 измерительных трансформаторов 6 и 7 соединены параллельно Компенсационная обмотка 12 трансформатора 7 через импеданс 13 подключена к зещающему источйику 1, Импеданс 13 состоит из конденсатора 14 переменной емкости и переменного высокоомного резистора 15. Дифференциальный трансформатор 16 выполнен на тороидальном магнитопроводе 17. Выходная обмотка 18 трац сформатора 16 подключена параллельно обмоткам 10 и 11 трансформаторов 6 и 7. Вторичная обмотка 19 трансформатора 16 выполнена в виде параллельного резонансного контура 20, совместно с конденсатором 21 и резистором 22, и подключена к входу усилителя 23 переменного тока. Выход усилителя 23 через резистор 24 подключен к компенсационной обмотке 25 трансформатора 16 и непосредственно к входу усилителя 26 переменного тока, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора 27, а через масштабный резистор 28 - с обмоткой 12 трансформатора 7. Управляющий вход синхронного детектора 27 подключен к задающему источнику 1, а выход - к регистратору 29.

Устройство для измерения электропроводности жидкости работает следующим образом.

Ячейки 4 и 3 заливаются жидкостями, например, ячейка 4 - образцовой жидкостью, а ячейка 5 - измеряемой. Генератор 1 переменного напряжения, подключенный к обмотке 3 трансформатора 2 напряжения, индуцирует в жидкостных витках 8. и 9 кондуктометрических ячеек 4 и 5. равные по величине ЭДС. Токи в жидкостных витках 8 и 9 пропорциональны величинам УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. Эти токи трансформируются в измерительных трансформаторах 6 и 7 в токи обмоток 10 и 11, Обмотки 10 и 11 включены параллельно, поэтому через входную обмотку 18 дифференциального трансформатора 16 протекает уок разности обмоток 10 и 11, т.е. ток, несущий информацию о разности УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. Этот ток создает на

эквивалентном входном сопротивлении Трансформатора 16 падение напряжения, которое усиливается трансформатором 16 и с обмотки 19 поступает на вход усилителя 23. С выхода усилителя 23 сигнал поступает на дальнейшее усилие, а также в цепь отрицательной обратной связи трансформатора 16. С выхода усилителя 26 сигнат несущий информацию .о разности УЭП

0 жидкостей в ячейках, поступает на сигнальный вход синхронного детектора 27, подключенного к двуполярному регистратору 29, по показаниям которого определяется знак и велис чина разности УЭП жидкостей. Например, ячейка 4 с жидкостным витком 8 заполнена образцовой жидкостью, а в ячейке 5 требуется воспроизвести этот раствор. По показанию регистратора 29 определяется вели0 чина абсолютной ошибки УЭП вприготовленном растворе относительно образцового, и по знаку этой разности принимаются соответствующие решения об изменении концентрации

5 раствора в ячейке 5. Измерения про водятся до тех пор, пока в резуль-тате.добавок -реактива или разбавле-ния {в зависимости от знака разности ) S ячейке 5 воспроизводится раст0 вор с таким же значением УЭП, как и в ячейке 4. При этом регистратор 29 покажет нулевой отсчет, а стабильность нулевого отсчета не зависит, от температуры при применеНИИ дифференциального способа измерения.

Кондуктометрические ячейки 4 и 5 с жидкостньами витками 8 и 9 выполнены .идентичными (или, например, с возможностью регулировки кондуктометрической постоянной одной из

ячеек и возбуждаются одним и тем . же трансформатором 2 напряжения. Поэтому при равных значениях УЭП жид .костей в ячейках 4 и 5 будут рав5 1ны и токи в витках 8 и 9 связи, (Следовательно не .будет происходить ответвление тока в обмотку 18 трансформатора 16, т.е.. весь ток обмотки 10 трансформатора 6 будет проте0 кать через обмотку 11 трансформатора 7, так как эти токи будут равны. Конструктивно ячейки 9. и 5 могут быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью для улучшения.теплообмена между жидкостями в витках 8 и 9..

Для обеспечения синфазности напряжения задающего генератора 1 и токов в обмотках 10 и 11 измерительных трансформаторов 6 и 7 последние вводятся, в режим глубокого короткого замыкания. При этом параллельное соединение обмоток 10 и 11, при встречном включении, обеспечивает

протекание через обе обмотки общей синфазной составляющей тока. Дифференциальная составляющая тока ответвляется во входную обмотку 18 трансформатора 16 и развивает на входном сопротивлении дифференциального трансформатора 16 синфазное ра ностное напряжение, так как все три обмотки 10, 11 и 18 включены параллельно. Например, при величинах УЭП в ячейках 4 и 5 соответственно 5 См и 5,1 См/м синфазная составляющая T ка трансформаторов 6 и 7, обусловленная сигна7 ом, соответствующим УЭП 5 См/м будет протекать через обе об мотки 10 и 11, а дифференциальная с тавляющая, соответству ацая значению УЭП 0,1 См/м, ответвится во,., взсод ную обмотку 18 трансформатора 16 из обмотки измерительного трансформато ра той ячейки, в которой находится жидкоств с большей проводимостью, т.е. 5,1 См/м. Таким образом, в изм рительный тракт, состоящий из. диффе ренциального трансформатора 16, уси лителя 23 и усилителя 26, поступает сигнал, несущий информацию тольк 0величине разности УЭП жидкостей, в ячейках 4 .и 5. Поэтому динамический диапазон усилителей 23 и 26 дос точно обеспечить таким, чтобы прохо дил сигнал только в пределах измерения разностного (а не абсолютного значения УЭП; )апример, в диапазоне 0-0,1 См/м, а не в диапазоне Ог5,1 См/м, как в -известном устройстве. Это .значительно уменьшает примерно на два порядка/ динамический диапазон усилителей 23 и 26 и исключает возможность появления фазовых искажений в измерительном тракте, улучшая точность устройст-ва, 1Встречно-параллельное включен 1е обмоток 10 и 11 трансформаторов 6 и 71,фиг. 2 ) в . отличие от С1Тдельного подключения каждой из о бмоток к входу усилителя (фиг. 3), как например, в известном устройстве, позволяе.т получить значительный выигрыш в величине входного -напряжения усилителя 23 при тех же и даже лучших условиях согласования. В самом деле, для обеспечения режима короткого замыкания, вторичной обмотки измерительного трансформато ра требуется, чтобы, входное сопроти ление усилителя (например, транс- формируемое через обмотку 18 трансФорматора 16 ) было значительно мень ше эквивалентного йопротийления обмотки. Критерием согласование я)вляется отношение напряжения на входе усилителя к величине токз обмот;ки трансформатора, с учетомгеометрических размеров в индуктивности обмотки, влиякщеб на погрешность трансформации тока. Так.как измерительные трансформаторы 6 и 7 одинаковы в известном устройстве ив предлагаемом, то при той же вели.чине УЭП жидкостей критерием согласования является величина входного сопротивления усилителя (так как то-t ки обмоток 10 и 11 в обоих случаях будут теми же. В случае раздельного подключения обмоток. 10 и 11 трансформаторов .6 и 7 к входам усилит.елей (фиг. 3) входное напряжение создается током, несущим информацию об абсолютном значений Уэп, например, 5,1 См/М,,т.е. током обмотки 10 или 11. В случае же встречнопараллельного вклточения обмоток 10 и 11 то же значение напряжения вызывается значительно меньшим током, например, соответствующим значению УЭП 0,1 См/м, что позволяет во столько же раз увеличить входное сопротивление усилител.я без нарушения условия согласования. При этом во столько же раз возрастает полезное входное .на пряженив/ т.е. напряжение, несущее информацию о разности УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. На фиг. 2 обозначены: D и р - соот.10.. .г . трановетственно токи обмогок 10-и форматоров 6 и 7, R сопротивление, вносимое со стороны измерительного тракта в обмотку 18 трансформатора ,16. На фиг. 3 обозначены: ток обмо ки 10 трансформатора 6, R-, - входное сопротивление усилителя в случае раздельного подключения измерительных, трансформатороЬ 6 и 7 к входам усилителей Исходя из одинаковых условий согласования,, т.е. погрешности транрформации тока, молсно представить .. D -о зкв- 1 . Таким оеэразом, на ушенля ме-, трологических характеристик в устройстве возможно значительное увеличение входного сопротивления измерительного тракта, а следовательно, и напряжения сигнала, соответствующего информации о. разностном значении УЭП. Дифференциальный трансформатор тока находится в режиме ко-: ротного замыкания за счет заведения. в компенсационную обмотку 25 через резистор 24 с выхода усилителя 23 сигнала, уравновешивающего ампер-витки первичной обмотки 18. РазностIные ампер-витки магнитопр.овода 17,определяет ше глубиной отрицатель ной обратной-связи трансформатора; 16, трансформируют ся в обмотку 19, создавая на эквивалентном Сопротивлении Параллельного резонансного контура 20 входное напряженибл усилителя 23. При этом сопротивление прецизионного резистора 22 значительно меньше собственного сопротивления резонансного контура 20, с целью стабилизации добротноети контура. Поэтому эквивалентное сопротивление контура 20 равно сопротивлению резистора.22 и определяется в соответствий с вносимым сопротивлением обмотки 18 (по условию согласования) .коэффици ёнтом трансформации трансформатора 16,и глубиной его отрицательной обратной связи. ,; о -О Л п П - коэффициент трансформации трансформатора 16, А - глу.бина отрицательной обра ной связи трансформатора 1 Входное напряжение усилителя 23 определится как 23 3Ke -1o it) А ПРИ этом мйожитёлБ п/А соответс вует коэффициенту усиления по напря жению трансформатора 16 тока, т.е. во сколько раз напряжение на- обмотке 19 Bfcjme напряжения на обмотке 18 Например при глубине отрицательной обратной связи трансформатора 16 , коэффициенте трансформации п 20 дифференциальный трансформа-тор 16 тока обеспечивает дополнител ное усиление сигнала по напряжений в 10 раз бе нарушения условия согл сования измерительных трансформаторов 6 и 7. Суммарное увеличение входного напряжения усилителя 23 переменного тока в предлагаемом уст ройстве по сравнению с известным возможно на 2,5 порядка. Это обеспечивает увеличение соотношения сиГ нал/шум на входе усилителя 23 и уве личивает чувствительность устройст ва примерно на два порядка. Импеданс 13, состоящий из переменного конденсатора 14.и переменного резистора 15, осуществляет компесацию началь- цого Spoвня аводок, вызванных емкосТ ными и гальваническими утечками ня цепей источника 1 в цепи измерительных трансформаторов 6 и 7. Масиггабный резистоЕ 28 включен между выходом усилителя 26 и компенсационной обмоткой 12 трансформатора 7 и служит для нормирования выходного напряжения усилителя 26; например, при переключении предела измерения разност ногр значения УЭП. К выходу синхронного детектора 27 подключен двуполярный регистратор 29, обеспечивакнций . возможность отсчета по величине и знаку разности УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. При нулевом показании регистратора 29 величины УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5 равны. По Сравнению с известным предлагаемое устройство обеспечивает прохождение в измерительном тракте устройства сигнала, несущего информацию только о разности УЭП жидкости, независимо от абсолютного значения УЭП жидкостей в ячейках, сужение динамического диапазона усилителей переменного тока и понижение уровня их шумов, обеспечение усиления измеряемого сигнала по напряжению на пассивном дифференциальном трансформаторе, стабилизацию фазовых соотношений сигналов источника переменного напряжения и измерительных трансформаторов, что, в конечном итоге, приводит к повышению точности и чувствительности измерений.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащее две кондуктометрйческие ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения, подк/1юченный к обмотке трансформатора напряжения, дифференциальный усилитель. вз4оды которого подключены к выход;Ной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединенный с petHCTpaTopoM/ отличающ е е. с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, оно снабжено дополнительным трансформатором Тока, а обмотки измеритель ных трансформаторов тока обеих ячеек включены встречно-параллельно и подключены к входной обмотке дополнительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого выполнена в виде параллельного резонансного контура и соединена с входами дифференциального усилителя, выход коg (Л TotJoro подключен к компенсационной ,обмотке дополнительного трансформаjTopa тока и к синхронному детектору, Iуправляющий вход которого подключен С к источнику переменного напряжения.