Кондуктометр Советский патент 1984 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к физикохим1- ческому анализу и может быть ис пользовано для точных измерений эле тропроводности морской воды- в натурных условиях с nofioi bK приборов зондирующего типа. Известен ьюндуктометр, предназна ченный для измерений электропроводности морской воды в лабораторных условиях. Ячейка кондуктометра содер ыит стеклянную или кварцевую трубку заполненную пробой воды, и закрепле ные в ней на внутренней поверхности Бдоль оси на фиксированных расстояниях четыре кольцевых электрода, крайние из которых являются токовыми, а средние потенцигхльными. Потенциальные электроды имеют несколько больший диаметр и располагаются в углубленных канавках треугольного профиля сечения, что снижает гради- ент напряжения вблизи их контактной поверхности и тем значительно увеличивает устойчивость ячейки k загрязнениям и допуски на геометрические размеры электродов. С помощью герметизированных выводов через боковую поверхность трубки электроды подключаются к электронной схеме управления. Токовые электроды подключаются к источнику Питания переменного тока, а потенцис1льные - к измерителю напряжения с очень высоки входньом сопротивлением. Электронная схема автоматически регулирует ток через ячейку таким образом, чтобы разность, потенциалов между потенциальными электродами оставалась постоянной и равнялась заданной величине независимо от изменчивости элек тропроводности. Благодаря схеме регулирования компенсируется нестабиль ность переходного сопротивления токовых электродов, а аналогичная нестабильность в потенциальных электро дах исключается применением высокоом ной измерительной цепи, в которой последовательно включенное сопротивление электродов составляет пренебре жимо малую часть t Недостатком данного кондуктометра ограничивающим область его применения,является невозможность использования его при полном погружении в во ду, т. е„ в натурных условиях,Причина ограниченного применения заключается в том,что при полном погружении ячей ки в воду образуется второй путь для замыкания тока между токовыми электродами снаружи трубки,причем соотно шения токов,протекающих внутри и сна ружи, было бы недостаточно стабильным так как зависело бы от вариации пере ходного сопротивления токовых электродов, и , следовательно, результаты измерений не обладали бы достаточ1«эй точностью, . Наиболее близким техническим ре1:1ением к изобретению является кондуктометр, который содержит зонд с крышкой, на крышке зонда размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, электроды соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения Г21 . Недостаткаг и известного кондуктометра являются нестабильность геометрической постоянной под действием загрязняющих факторов внешней среддл и вследствие этого недостаточно высокая точность измерений электропроводности. В данной конструкции погрешность от загрязнений и связанных с ними изменений переходного сопротивления всех четырех электродов компенсируется электронной схемой только в.том случае, если загрязняющий слой имеет равномерное распределение. В этом случае геометрическая постоянная не изменяется, так как остаются неизмененными эффективные площади .электродов и положение их геометрических центров. При неравномерном .распределении загряз нений, что имеет место на практике, эффективная площадь электродов и положение центров участков, оставшихся чистыми, смещается, что вызывает существенную погрешность измерения. Величина погрешности зависит от изменения потенциала электродов, которое в свою очередь определяется произ.ведением величины смещения эффективного геометрического центра электрода на градиент напряжения в прилегающем слое жидкости. Таким образом, погрешность от загрязнения тем больше, чем больше градиент напряжения на границе потенциальных электродов и чем больше поперечные размеры электродов по отношению к расстоянию между их центрами. Цель изобретения - повышение точности измерений электропровдности морской воды за счет уменьшения погрешностей, связанных с загрязняющими факторами внешней среды. Поставленная цель достигается тем, что в кондуктометр, содержащий погружной зонд с крышкой, на которой размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийся с двумя радиальныг1и отверстиями в стенке корпу са, в канале размещена кварцевая тру ка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разде лительный конденсатор с первым входом операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соедит нен с источником опорного напряжения а выход операционного усилителя соединен с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансформатора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой - с первой клем мой резистора, а другая клеммарезис тора заземлена. Повышение точности измерений достигается за счет следующих факторов существенно ослабляющих влияние загрязнения электродов. Во-первых, благодаря выполнению корпуса осевым каналом геометрическая постоянная ячейки перестает зависеть от площади токового электрода а определяется сечением и длиной кварцевой трубки, ограничивающей измеряемый объем воды. Это объясняется тем,что-сопротивление измеряемой части водяного столба на участке от потенциального электрода вдоль канала и до крышки зонда почти не зависит от размеров и формы токового электрода, (с точностью около 0,01%), поскольку его переходное сопротивление компенсируется электронной схемой управления, а конфигурация линий тока,формирующих проводящий канал, определяется не формой и размерами электрода, а стенка ми канала. Поэтому загрязнения токо вого электрода почти не влияют на погрешность измерения электропровод ности. Во-вторых, потенциальный электрод помещенный в канале напротив электрода, оказывается в зоне очень малого градиента напряжения в воде. Малая величина градиента объясняется тем, что в зтой точке линии тока разветвляются на два противоположных направления, а следовательно, и градиент напряжения изменяет знак на противоположный, проходя через нулевое значение. По этой причине возмож ные смещения центра потенциального электрода под действием загрязнений или технологических причин не вызывают ощутимого изменения его потенциала относительно точки зазелшения а следовательно, не снижают точности измерений. Тот факт, что в данной схеме измеряется не разность потенциалов между двумя точками в воде, а потенциал в одной точке относительно заземленной поверхности крышки зонда, значения не имеет, так как у поверхности крышки скачок потенциала отсутствует. В-третьих, загрязнения второго токового электрода, в качестве которого используется проводящая поверхность крышки зонда, также не влияют на результат измерения, поскольку его площадь относительно велика (в тысячу раз больше площади первого электрода), переходное сопротивление ничтожно мало и его вариациями под действием загрязнений можно пренебречь. По этой же причине у поверхности заземленной крышки отсутствует скачок потенциала. Именно это обстоятельство позволяет отказаться от использования второго потенциального электрода и производить измерение напряжения на единственном потенциальном электроде относительно крышки,зонда. В-четвертых, выходной сигнал ячейки Измеряется вольтметром с заземленным входом, что обусловлено наличием заземленной клеммы у эталонного резистора в электронной схеме управления. По сравнению с известным устройством, где используется вольтметр с изолированным входом, это позволяет .повысить точность измерения и упростить общую cxet прибора, конце-нтрацию ячейки и электронную схему управления. По сравнению с известным кондуктометром из конструкции исключаются один потенциальный и фактически один токовый электрод и связанные с ними герметизированные токовводы внутрь зонда. В электронной схеме исключаются один операционный усилитель, эталонный резистор и разделительный конденсатор, что в конечном итоге повышает надежность работы ячейки. Взамен этого введены калибрующая кварцевая трубка и согласующий трансформатор. В конструкции ячейки сохраняется зависимость точности измерений от загрязнений стенок проводящего канала, однако допустимая толцщна слоя загрязнений во много раз больше,чем на поверхности электродов, поскольку в. этом случае работает не изолирующий эффект слоя, а лишь сокращение площади сечения канала. Вероятность заметного уменьшения просвета канала под действием загрязнений в приборах зондирующего типа весьма мала. На фиг. 1 приведена конструкция ячейки кондуктометра; на фиг. 2 электронная схема кондуктометра. Ячейка содержит цилиндрический корпус 1 из изоляционного материала

с герметизирующим кольцевым уплотнением 2, устанавливаемый на заземленной проводящей поверхности крьаики зонда 3. По оси корпуса имеется сквозной канал 4, проходящий от корпуса до двух радиальных выходов 5 у основания корпуса. Сквозной канал калиброван по размерам кварцевой трубки 6. На внутренней поверхности канала диаметргшьно противоположно установлены токовый электрод 7 и потенцисшьный электрод 8, От токового электрода 7 на крыаку зонда 3 , замыкаются двумя путяг через верхнее и нижнее отверстие канала линии тока, которые показаны на рисунке стрелками. В зоне потенциального электрода 8 линии тока разветвляются на два противоположных направления, образуя область с близким к нулю градиентом напряжения. От электродов внутрь зонда к электронной схеме управления проходят герметизированные токовводы 9 и 10.

Электронная схема состоит из операционного усилителя 11, источника 12 опорного напряжения, согласующего трансформатора 13, разделительного конденсатора 14 и эталонного резистора 15. На первый вход операционного усилителя 11 подключен потенциальный электрод 8 через разделительный конденсатор 14. Второй вход усилителя подключен к опорному источнику 12 напряжения. Выход операционного усилителя нагружен первичной обмоткой трансформатора 13, а вторичная обмотка трансформатора одним концом подключена -к токовому электроду 7, а другим - к выходной клемме резистора.15. Вторая клемиа резистора 15 подключена к шине заземления.

Кондуктометр, погрух енный в морскую воду, работает следующим образом

При включении источника 12 опорного напряжения на входе усилителя 11 появляется сигнал, который усиливается и подается на первичную обмотку трансформатора 13. На выходной (Обмотке трансформатора также появляется напряжение, которое приложено между токовым электродом 7 и крышкой зонда 3. Под действием приложенного напряжения через ячейку начинае: протекать ток, который нарастает

пор, пока на потенциальном электроде 8 не появится напряжение, компенсирующее напряжение источника питания. Под действием цепи обратной связи от потенциального электрода ыа вход опе5 рационного усилителя рост тока через ячейку прекращается и стабилизируется на таком уровне, при котором потенциал электрода 8 устанавливается почти равным напря)сзнию опорного источни0 ка 12. Различие этих напряжений тем меньше, чем больше коэффициент усиления операционного усилителя. Разделительный конденсатор 14, включенный в цепь потенциального электрода, пре5 дотвращает попадание на вход усилителя сигнала постоянного тока, образующегося за счет поляризации электрода. Ток в цепи потенциального электрода отсутствует за счет высокоомности

0 операционного усилителя, благодаря чему исключается влияние нестабильности переходного сопротивления этого электрода.

В установившемся режиме величина

5 тока в электроде 7 и последовательно включенном в цепь эталонном резисторе 15 оказывается прямо пропорпиональной электропроводности воды, (следствие закона Ома в диффернциальQ ной форме : J jji Е| . Величина тока измеряется по падению напряжения в резисторе 15 с помощью внешнего вольтметра с заземленным входом.

Согласуюкций трансформатор 13 выполняет в схеме функцию согласования относительно высокоомного выхода операционного усилителя с низкоомным сопротивлением ячейки. Кроме того, наличие этого трансформатора позволяет эталонный резистор 15 подключить

0 к корпусу и тем самым применить более простую и точную измерительную схему внешнего вольтметра с заземленным входом.

5 Использование изобретения по сравнению с известным позволит повысить качество гидрологических исследований океанов и морей, в частности,за счет уменьшения пограиностей измереQ НИН, обусловленных загрязняюпщ ш факторами внешней среды, и значительного -снижения себестоимости проидводства изделия в связи с существенным .упрощением конструкции.:

КОНДУКТОМЕТР, содержащий .погружной зонд с крышкой,на которой .размещена ячейка в виде изоляционноiro цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью пов.иения точности измерения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварце вая трубка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда, которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым входом операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соединен с источником опорного С S напряжения, а выход операционного усилителя соединен с первичной- обмотсл кой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансфорс: матора соединена с одной стороны с TOKOBicM электродом, с другой - с первой Ю1ем1.1ой резистора, другая клемма S заземлена. :л 00