Дифференциальный кондуктометр (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к физикохимическому анализу и может быть использовано преимущественно в мет рологии в качестве образцового средства для градуировки и проверк , образцовых средств измерения более низких разрядов, рабочих средств и мерения, а также при воспроизведении стандартных растворов методом непосредственного компарирования. Известен кондуктометр, основанн на дифференциальном методе измерений электрической проводимости (ЭП Кондуктометр содержит генератор пе ременного напряжения две пары тра сформаторов и регистрирующий прибо В каждой паре питающий и измерител ный трансформаторы связаны между собой жидкостным витком связи. Обмотки обоих питающих трансформатор соединены параллельно между собой подключены к генератору переменног напряжения, обмотки измерительных трансформаторов соединены последовательно и нагружены на высокоомный регистрирующий прибор Г . Недостатками известного кондуктометра являются низкие чувствител ность и точность измерений. Это об ловлено неидентичностью геометрических размеров (кондуктивных пострянных) жидкостных витков связи и большими фазовьлми искажениями, воз никающими в результате дифференцирования выходных сигналов измерительных трансформаторов, нагруженных на высокое входное сопротивление регистрирующего прибора. Известентакже дифференциальный кондуктометр, в котором амплитудные характеристики выравниваются путем измерения коэффициента передачи одного из усилителей, подключенных к выходным обмоткам измерительных трансформаторов, а влияние фазовых искажений устраняется синхронным де тектированием разностного сигнала, синхронизированного суммарным сигналом обоих усилителей 2 . Однако в таком кондуктометре вве дение дополнительных усилителей выз вало появление погрешностей, обусловленных усилением синфазного сигнала, не несущего информацию об измеряемой разности ЭП и превышающе. го на один-два порядка полезный сигнал, что приводит к снижению точности измерений. Поэтому для повышения точности необходимо, чтобы разностный сигнал формировался непосредственно на выходе кондуктометрического преобразователя без предварительного усиления по каждому из каналов. На практике такому построению ко дуктометра препятствует различие в кондуктивных постоянных жидкостных витковсвязи. Например, при формировании жидкостных витков путем заливки компаунда в закрытые формы разброс кондуктивных постоянных достигает -0,5%, ограничивая при зтом уровне точность компарирования. Неидентичность кондуктивных постоянных может быть уменьшена в результате механического изменения геометрических размеров витков связи, например, путем расточки диаметров отверстий, использования диафрагмы, подкладывания шайб и т.п. Такой метод является очень трудоемким, так как подгонка осуществляется методом последовательных приближений и не всегда обеспечивает требуемую точность. Кроме этого, такой подход непреемлим в тех случаях, когда жидкостный виток должен иметь строго определенную -форму, например хорошо обтекаемую, материал витка является труднообрабатываемым (стекло) или витокнаходится в недоступном .месте (внутренняя полость) и т.д., а также в тех случаях, когда изменение кондуктивной постоянной нужно осуществлять в процессе эксплуатации.. Громоздкость известных методов выравнивания кондуктивных постоянных и. их недостаточная точность тормозят создание простых, надежных, точных и удрбньгх в эксплуатации дифференциальных кондуктометров. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является дифференциальный .кондуктометр, который содержит генератор переменного напряжения, питающий трансформатор, два измерительных трансформатора, два жидкостных витка, причем оба витка охвачены сердечником питающего трансформатора и каждый из них охвачен соответствующим сердечником измерительного трансформатора,, выходные обмотки измерительных, транс-; форматоров соединены с последовательно включен.ньмн усилителем, синхронным детектором н регистратором З . Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерения разности электрической проводимости, обусловленная ра,збросом кондуктивных постоянных; жидкостных витков связи и погрешностями дифференциального усилителя, производящего вычитание выходных сигналов кондуктометрического преобразова теля. Цель изобретения повышение точности измерения, упрощение изготовления устройства за счет снижения требований к равенству кондуктивных постоянных жидкостных витков связи и упрощение регулировки устройства в процессе изготовления и эксплудтации.

Указанная цель достигается тем, что в дифференциальный кондуктометр содержащий генератор переменного напряжения, питающий трансформатор, два измерительных трансформатора, два жидкостных витка, причем оба витка охвачены сердечником трансформатора и каждый из них охвачен соответствующим сердечником измерительного трансформатора, выходные обмотки иэмерительних-трансформаторов соединены с последовательно вклченньши .усилителем, синхронным детектором и регистратором, дополнительно .введены усилитель, трансформатор, масштабный резистор, сердечник одного из измерительных трансфоматоров снабжен дополнительной обмоткой, причем сердечник дополнительного трансформатора охватывает жидкостной виток, на котором размещен сердечник с дополнительной обмоткой, выходная обмотка дополмительного трансформатора соединена, с дополнительным усилителем, выход которого через масштабный резистор соединен с дополнительной обмоткой измерительного трансформатора, а выходные обмотки измерительных транформаторов соединены встречно-параллельно.

В дифференциальный кондуктометр дополнительно введен усилитель, трансформатор, масштабный резистрр, сердечник одного из измерительных трансформаторов, снабжен дополнительной обмоткой, причем выходная обмотка дополнительного трансформатора соединена с входом дополнительного усилителя, выход которого соединен через масштабный усилитель с дополнительной обмоткой измерительного трансформатора, обмотки измерительных трансформаторов включены встречно-параллельно и соединены с первичной обмоткой дополнительного трансформатора,.

Метрологические характеристики обоих вариантов примерно одинаковы.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы соответственно первого и второго вариантов предлагаемого устройства; на фиг. 3 - вариант подключения выхода усилителя к дополнительной обмотке измерительного трансформатора

Дифференциальный кондуктометр (фиг. 1) содержит генератор 1 синусоидального напряжения низкой частоты, трансформаторный кондуктометрический преобразователь 2, последовательно соединенные усилитель 3 переменного тока, синхронный детектор 4 и регистрирующий прибор 5, а также дополнительный усилитель б и масштабный резистор 7. Кондуктометрический преобразователь 2 состоит из питающего тороидального транс форматора 8 напряжения, двух измерительных тороидальных трансформаторов 5 и 10 и дополнительного тороидального трансформатора 11 тока. Жидкостный виток 12 охватывает сердечники трансформаторов 8 и 9, а

жидкостный виток 13 - сердечники трансформаторов 8,10 и 11.

В более общем случае для подведения напряжения к жидкостным виткгьм связи могут использоваться не один,

0 а два питающих трансформатора. Трансформаторы 8-11 снабжены соответственно входной обмоткой 14 с числом Квитков Wf , выходными обмотками 15 с числом витков Wn, 16с числом

5 витков Wl и 17 с числомвитков 4 . Кроме этого, трансформатор 10 снабжен обмоткой 18 с числом витков Wg . Обмотка 14 трансформатора 8 подключена к выходу генератора 1. ОбмотQ ки 15 и 16 соединены между собой . встречно-параллельно и подключены к входу усилителя 3-. Обмотка трансформатора 11 подключена к входу дополнительного усилителя б,выход ко- торого черезрезистор 7 соединен с обмоткой 18 трансформатора 10. Усилители 3 и б работают преимущественно в режиме источника напряжения, управляемого входным током. Такой режим обеспечивается, например, пу0 тем охвата усилителя параллельной обратной связью по напряжению.

Управляющий вход синхронногодетектора 4 соединен с генератором 1 переменного напряжения.

5 Hci фиг. 1 также обозначены:. J ж, и I - токи в жидкостных витках 12 и 13 соответственно; Ц и 12 - токи в выходных обмотках 15 и 16 соответственно; ь1 1.,-12 входной ток

0 усилителя 3; 1д - дополнительный ток в обмотке 18. .

В кондуктометре, схема которого приведена на фиг. 2, первичная обмотка 19 дополнительного трансформа-.

5 тора 11 включена последовательно с обмоткой 16 трансформатора 10.

Схема подключения резистора 7 между дополнительным усилителем б и обмоткой 18 (фиг. 1 и 2) используется в тех случаях, когда кондуктивные

постоянные жидкостных витков 12 и 13 до регулировки кондуктометра известны с высокой точностью, а фаза дополнительного тока от образца к образцу не меняется. Это может быть в

5 том случае, если при изготовлении кондуктометрического преобразователя принятий мера к тому, что одна кондуктивная постоянная была заведомо больше (меньше) другой, например, за

0 счет меньшего (большего) номинального значения диаметра жидкостного витка связи.

Более номинальным является подключение резистора 7 по схеме, при5 веденной на фиг. 3. В этом случае связь усилителя б с обмоткой 18 .ocsщecтвляeтcя с помощью трансформатора 20, первичная обмотка 21 которого соединена с выходом усилителя 6, а вторичная 22 снабжена выходом от середины и соединена с крайними выводами регулируемого резистора (потенциометра) 23, средний вы вод которого через резистор 7 соеди нен со средним выводом трансформатора 20. Дифференциальный кондуктометр ра ботает следующим образом. При изменении жидкостные витки 12 и 13 заполняют жидкостями, напри мер виток 12 - образцовой жидкостью а виток 13 - измеряемой. Генератор 1, подключенный к обмотке 14 трансформатора 8, возбуждает в жидкостных витках 12 и 13 равные по величине ЭДС. Под действием этих ЭДС в витках 12 и 13 протекают токи I ж и 1ж, пропорциональные абсолютным значениям ЭП образцовой и измеряемо жидаостей ц °VJ; fVft; (1) -Уг U2 ., (2) где U2 напряжение на выход генератора 1, В; Сц GJ- ЭП жидкостных витков 12 и 13 соответстве но. См; удельная электрическая проводимость (УЭП) жидкостей в витках 12 и 13 соответственно, См/м; Лд 6э1/2в1 Алг2з7/ э2 кондуктивные постоянные жидкостных вит ков 12 и 13 соответственно, . Токи 1ж( и 1ж.у трансформируются в измерительных трансформаторах 9 и 10 в токи 1 обмоток 15 и 16 ;Обмотки 15 И 16 включены встречнопараллельно, поэтому токи I, и 12 замыкаются преимущественно в этих обмотках, и лишь ток ul, несущий информацию о разности ЭП в жидкостных витках 12 и13, воздействует на вход усилителя 3. Этот ток преобразуется в усилителе 3 в напряжение, амплитуда которого пропорциональна амплитуде входного тока. На выходе синхронноно детектора 4 выделяется постоянное напряжение, значение которого пропорционально входному току усилителя 3, а следовательно, измеряемой разности ЭП. При этом полярность напряжения на выходе детектора 4 за.висит от фазы входного тока. Отсчет величины и знака разности УЭП в жидкостных витках 12 и 13. связи Осуществляется регистратором 5. В частности, при равенстве УЭП в жидкостных витках 12 и .13 показания регистрирующего прибора 5 близки к нулю. Рассмотрим сначала влияние разброса кондуктивных постоянных на, погрешность измерения при отсутствии введенных элементов (дополнительного трансформатора 11, дополнительного усилителя 6, резистора 7 и обмотки 18). Для этого случая величину и полярность напряжения, поступающего на вход регистратора 5, можно определить по формуле ,K,a Ki.ct,Uv-4)KiKeA(-i| --|jy .-; «Wa W A2NNi где Up - напряжение на входе регистратора 5, В; К( - коэффициент передачи усилителя 3, В/А; К. - коэффициент передачи синхронного детектора 4, EcлиW2-W9, формула (3) упрощается. /«е, зед 417 АГ) где .,Ксд -ш коэффициент 2 порциональности , , В/См. При равенстве кондуктивных постоянных, т.е. при внполн.ении условия A.,(5) сигнал на входе регистратора 5 пропорционален только разности УЭП Up I (ae, (б На практике условие (5) никогда не выполняется. В этом случае ; р-Кт; тЛ.-4г,(.)Р где -д относительная разность I кондуктивных постоянных. Из формулы (7) видно, что сигнал на входе регистратора 5 зависит не только отразности УЭП, но и от их абсолютных значений. Это приводит к появлению значительной погрешности измерения. Например, ,5% и относительной разности УЭП порядка 1% погрешность измерения разности составляет порядка 30%, что является недопустимо большой величиной при высокоточных измерениях, В предлагаемом устройстве ток в обмотке 16 измерительного трансформатора 10 зависит не только от тока 1ж2, но и от дополнительного тока 1д, протекающего в обмотке 18, амплитуду которого можно рассчит по формуле , .Mi I . А VN.R iAiW4R , - коэффициент передачи у лителя 6, В/А; R - сопротивление резистор 7, Ом. В этом случае величину напряж , поступающего на регистратор можно рассчитать по формуле Up KiKj-Jk T e,-(Ji2., . ..NN . VI . Ж-,(Щ 1Г I VM4R Если выполняется условие Р У, : выражение (9) упрощается ip (.-.) т.е. в устройстве при выполнении ловия (10) полностью устраняются грешности, обусловленные неидент ностью кондуктивных постоянных в жидкостных витках связи. На практике выполнение услови (10) осуществляется следующим об зом. В оба жидкостных витка 12 и 13 связи заливается одна и та же жидкость с УЭП, близкой к верхнему пределу измерения. Кондуктометрический преобразователь выдерживается в термостате в течение времени, необходимого для выравнивания градиентов температуры. Изменением положения движка регулируемого резистора 23 (фиг. 3) добиваются нулевых показаний регистратора 5. При необходимости точность установки нулевых показаний проверяется для промежуточных значений УЭП из диапазона измерения. Устройство по BTopoMif варианту работает аналогично. Отличие состоит в том, что дополнительный ток 1д формируется с помощью тока 12 , протекающего в выходной обмотке 16 трансформатора 10. При этом достигается тот же результат, что и при использовании кондуктометра,, схема которого приведена на фиг. 1. Таким образом, положительный эфФект от использования изобретения заключается в повышении точности измерения путем устранения погрешностей, обусловленных разбросом кондуктивных постоянных жидкостных витков связи. Кроме того, использование -изобретения позволяет упростить процесс изготовления и регулировки устройства за счет снижения на один-два порядка требований к точности изготовления жидкостных в.итков связи.

1. Дифференциальный кондуктометр, содержащий кондуктометрический преобразователь, включающий два измерительных трансформатора на выходе, каждый из которых связан жид- костным БИТКОМ с генератором переменного напряжения, а также последо вательно соединенные первый усилитель переменного тока, синхронный детектор и регистрирующий прибор, .отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в кондуктометрический преобразователь введен дополнительный трансформатор, к выходной обмотке которого подключен второй усилитель переменного тока, выход которого связан . через масштабный резистор с дополнительной обмоткой, которой снабжен один из измерительных трансформаторов, причем обмотки обоих измерительных трансформаторов включены встречно-параллельно и подключены к входу первого усилителя переменного тока, а сердечник дополнитель-: ного трансформатора охватывает тот ке жидкостный виток, что и сердент., нйк трансформатора, снабженного дополнительной обмоткой. 2,Дифференциальный, кондуктометр, содержащий кондуктометрический пре- образователь, включающий два изме- . рительных трансформатора на выходе, каждый из которых связан жидкостным витком с генератором переменного напряжения,, а также последовательно соединенные первый усилитель переменного тока, синхронный детектор и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен дополнительный трансформатор, к выходной обмотке которого подключен в.торой усилитель переменного тока, выход которого связан через масштабный резистор с дополнительной обмоткой, которой снабжен один из измерительных трансформаторов, при.чем обмотки измерительных транс;форматоров включены встречно-парал-,., дельно и подключены к входу первого усилителя переменного тока, а первичная обмотка дополнительного трансформатора включена последовательно с выходной обмоткой измериI KE, ьвяда тельного трансформатора, снабженного дополнительной обмоткой. 4 3.Кондуктометр по п. 1 или поп, 2, отличающийся тем, что выход второго усилителя со связан с дополнительной обмоткой с помощью второго дополнительного трансформатора и регулируемого резистора, причем первичная обмотка .второго дополнительного трансформатора соединена- с выходом второго усилителя переменного тока, а вторич нАя - с крайними выводами регулируемого резистора, средний вывод которого через масштабный резистор и дополнительную обмотку соединен со средним выводом вторичной обмотки второго дополнительного трансформатора.

.16

18

.З