Самоуравновешивающийся кондуктометрический трансформаторный мост Советский патент 1984 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к измерениям электрофизических парамотров жидкостей и может быть использовано в морской кондуктометрии для исследования мелкомасштабной структуры вод океана, в метрологии в качестве образцового средства для градуировки и поверки рабочих средств измерения средних значений удельной злектрической проводимости.

Известны кондуктометрические концентратомеры, построенные по схеме сг1моуравновешиваю1дегося трансформаторного моста с жидкостным витком связи и каналом сравнения. В известных устройствах применяются цепи следя- 15 щих обратных связей со сложными кинематическими звеньями, управляющие потенциометрами или магнитньв 4и сердечниками 1 и 2 .

Электромеханические звенья обла- 20 дают низким быстродействием, имеют как мертвый ход в кинематике, так и электрический порог срабатывания. Для отработки исполнительного механизма принципиально необходимо на- 25 лич.ие сигнала разбаланса между исследуемой проводимостью и проводимостью канала сравнения. Несмотря на введение сложных схем термокомпенсации, результирующая погрешность зо измерений известных устройств не ниже 0,2--0,5%. .

Недостатками известных устройств являются низкие точность и быстродействие.25

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является кондуктомер, представляющий собой самоуравновешиванмцийся трансформаторный кондуктсмлетрический мост с . жидкостным витком связи,содержащий двухтрансформаторный датчик с жидкостным витком связи, канал сравнения, коммутатор, подключенный к выходу задающего генератора, фильтр сигмала рассогласования, выпрямитель и 5 интегратор, соединенные последовательно и подключенные к затвору полевого транзистора, переход стокисток которого вкл19иен в канал сравнения, а также соединенные последо- 50 вательно с полевым транзистором блок токового выхода и регистратор з .

Недостаткаи1И известного самоуравовешивающегося кондуктометрического трансформаторного моста являются 55 низкие точность и быстродействие.

Цель изобретения - повышение точости и быстродействия.

Поставленная цель -достигается 60 ёМ, что сгилоуравновешивающийся койдуктометричес1 ий-. трансформатор- : мост, содержаний трансформатор апряжения, один вывод первичной бмотки которого соединён с общей 5

шиной, и трансформатор тока, соединенные между собой жидкостным витком связи, генератор переменного напряжения, разделительный конденсатор, источник опорного напряжения, резистор, подключенный к стоку полевого транзистора, к затвору которого подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных обмотки трансформато а тока, начало которой соединено с общей шиной, усилителя рассогласования, выпрямителя и интегратора, обмотку сравнения, конец которой соединен с общей шиной, регистратор, снабжен цепью обратной связи, состоящей из масштабного резистора и компенсационной обмотки-, причем компенсационная обмотка разметена на магнитопроводе трансформатора тока, включена встречно его обмотке и начало ее через масштабный резистор соединено с выходом усилителя рассогласования, а конец ее соединен с общей шиной, первый выход генератора переменного напряжения соединен с вторым выводом первичной обмотки Трансформатора напряжения, второй выход генератора переменного напряжения через конденсатор соединен с источником опорного напря-жения и вторым выводом резистора , к первому выводу которого подсоединен регистратор, соединенный также с общей шиной, сток полевого транзистора соединен с начгшом обмотки сравнения, а отношение величины сопротивления масштабного резистора к числу витков компенсационной обмотки определяется по- формуле

RW -EsulL

V«K Щш

где R - величина сопротивления

масштабного резистора. Ом WK -число витков ког пенсационной обмотки;

Rg - величина входного сопротивления усилителя рассогласр вания, Ом;

k - коэффициент усиления усилителя рассогласования; Ъы число витков выходной обмотки трансформатора тока I . .

Это позволяет осуществить одновременное взаш-юдействие четырех, попарно равных, магнитных потоков в магнитопроводе трансформатора тока и исключить влияние сигнала рассогласования Hci точность измерений, достичь жесткой пропорциональности между током жидкостного витка и током полевого транзистора и обеспечить обработку цепей двух обратных связей на несущей частоте источника переменного напряжения.

На чертеже представлена структур- ная схема устройства.

В самоуравновешивающемся кондуктометрическим трансформаторном мосту трансформатор 1 напряжения и трансформатор 2 тока связаны между собой жидкостным витком 3 связи, образуемым исследуемой жидкостью. Обмотка 4 трансформатора 1 напряжения подключена к генератору 5 переменного напряжения. Обмотка 6 сравнения трансформатора 2 через переход сток-исток полевого транзистора 7, резистор 8 и разделительный конденсатор 9 подключена к генератору 5. Обмотка 10 трансформатора 2 подключ на к входу усилителя 11 рассогласования с низким входным сопротивлением. Выход усилителя 11 через вьтрямитель 12 и интегратор 13 подключен к затвору полевого транзистора 7 Цепь 14 обратной связи состоит из масштабного резистора 15 и компенсационной обмотки 16, расположенной на трансформаторе 2 тока и включенной встречно обмотке 10. Цепь 14 обратной связи подключена к выходу Усилителя 11. Источник 17 опорного напряжения подключен к конденсатору 9 и резистору 8, а регистратор 18 подключен к стоку полевого транзистора 7.

Самоуравновешивающийся кондуктометрический трансформаторный мост работает следующим образом.

Генератор 5 переменного напряжения,, подключенный к обмотке 4 трансформатора 1, индуцирует в жикдостном витке 3 связи ЭДС,постоянную по амплитуде, и меняющуюся счастотой генератора 5. Ток в жидкостном витке 3 связи пропорционален величине удельной проводимости исследуемой жидкости, заполняющей этот ви,ток, и создает в магнитопроводе трансформйтрра 2 тока магнитный поток, определяемый величиной этого тока. В обмотке 10 трансформатора 2, нагруженной на нийкое входное сопротивление усилителя 11, индуцируется ток, ампер-витки которого (по закону Ленца) будут; направлены встречно ампервиткам, созданным: током жидкостного витка 3 связи, т.е. будут стремиться их скомпенсировать. Однако сигнал, усиленный усилителем 11, выпрямляется, сглаживается и управляет проводимостью полевого транзистора 7 таюш образом, чтобы изменить величину тока в обмотке 6 сравнения трансформатора 2. Ток в обмотке 6 создается генератором 5 и стремиться скомпенсирЬвать ампер-витки жидкостного витка 3 в трансформаторе 2 тока. Эта компенсация происходит неполностью, так как для наличия тока в обмотке 6 принципиально необходимо управляющее напряжение на

затворе полевого транзистора 7, а следовательно, необходимо и наличие ,тока в обмотке 10. Поэтому ампервитки выходной обмотки 10 никогда не равны нулю. С выхода ycилитeля 11

5 через масштабный резистор 15 подается ток в обмотку 16, которая включена встречно обмотке 10. Таким образом, ампер-витки обмотки 16 складываются в магнитопроводе трансформато0 ра 2 тока с ампер-витками, созданными током жидкостного в«тка. Происходит как бы увеличение ток& жидкостного витка, изменяющего ток в обмот ке 10 так,чтобы изменить ток в обмот5 ке 6 сравнения строго на ве.личину недокомпенсации, которая требовалась для создания управляющего напряжения на затворе полевого транзистора 7.Взаимодействие обеих цепей об0 ратной связи приводит к жесткому равенству (или пропорциональности) проводимостей полевого транзистора 7 и жидкости в витке 3 связи. Проводимость полевого транзистора 7 определяется

5 при помощи регистратора 18, реагирующего на постоянный ток источника 17. Конденсатор 9 служит для гальванической развязки цепей постоянного и переменного тока, а резистор 8 выбирается в зависимости от динамичес0 кого диапазона изменения проводимости полевого транзистора 7.

В магнитойроводе трансформатора 2 тока одновременно взаимодействуют четыре магнитных потока,изменяющихся с часто5 той генератора 5 и создаваемых соответственно токами жидкостного витка 3 связи и обмотками 6,10 -и 16. В режиме трансформации тока, что достигается малым сопротивлением усйлите0 ля 11 со стороны обмотки 10, суммарный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора 2 должен быть равен нулю, т.е. выполняется равенство

о,(1).

+А

А-киАк вы сравн

комп

5 где А

- ампер-витки, создаваеСрОВЧмые током генератора, протекающим через прово димость полевого транзистора

йА1с - ампер-витки в магнитопроводе трансформатора тока, создаваемые током жидкостного витка - ампер-витки, создаваемые током выходной обмотки 10; комп - ампер-витки, создаваемые током в обмотке 16. В самоуравнрвешивающемся кондуктометрическом трансформаторном мосту 0 выполняется следующее равенство

(2)

А

6ЫX

коми

т.е ампер-витки, создаваемые током компенсационной обмотки 16, должны быть равны и встречно направлены ампер-виткам,создаваемым-в магнитопроводе трандформатора 2 тока током выходной обмотки 10. Тогда это приведет к выполнению условия

Сз)

-А

ера ян /

что следует из подстановки С2) в (1), т.е. всегда будут равны ампервитки жидкостного витка 3 и обмотки 6 сравнения независимо от величины ампер-витков обмотки 10, Это позволяет даже при небольшой глубине обратной связи, охватывающей мост через полевой транзистор 7, достичь скодь угодно высокой точности уравновешивания Принципиальное наличие сигнала рассогяасов йия (ток в обмотке 10) не 8лия ния на точность измерений, и независимо от абсолютного значений удельной электрической проводимости жидкости в витке 3 связи и нелинейности управления транзисторам 7 в устройстве всегда сj ecTBiyet равенство (или жесткая пропорциональность) между проводимостью пояёвогв транзлстора 7 и проводимостью ксспеяу лоЛ жидкости в витке 3 связи. Проводимость полевого транэистора 7, определя€ 1ая при равновесии моста, характеризует удельйуй электрйческл проводимость. исследуемой зкидкости

Ток обмотки 10 создает на вхойном тзопротивлении усилителя 11 йадение Напряжения ,

W

Ue.-Ite-fii

.IBKMP в - входное напряжение усилителя 11, В,3

- величина Тока в обмотке 10,

А, -. . , .

напряжение 1гсиливается усили1лп

(3)

.K.U

и

6X1

ВЫХ

где и аи.. выходное напряяюниё усилиDDiA ,. ,|

теля 11.

При помощи масштабного резистора 15 это напряжение в цепи 14 обратио связи преобразуется в ток к «пенсационной обмотки 16

: I ,1W;,Сб)

.

где 3,6 - величина тока в обмотке

16, А.

Учитывая, что .ампер-витки определяются как произведение тока в обмотке на число ее витков, и что по абсолютной величине с учетом соотношения (2) гдапер-витки компенсационной обмотки должны быть равны ампер-виткам выходной обмотки 10, имеем выражение, определяющей параметр цепи 14 обратной связи, т.е. отношение величины сопротивления масштабного резистора к числу витков компенсационной обмотки

(7.1

т.е. необходимыми и достаточными условиями для полного исключения влияния сигнала рассоглас.ования на точность уравновешивания являются,вопервых, встречное включение обмоток 10 и 16 соотношение (2),. а во-вторых, отношение величины сопротивлени масштабйогб резистора 15 к числу витков обмотки 16должно быть равно отношению произведения входного сстротйвления усилителя 11 на его коэффициент усиления к числу витков обмотки 10 трансформатора 2. .

Самоу раановешивакяцийся кондуктоматрическйй трансфо1Ж1аторный мост охвачен дау зависимыми цепями об-. ратных связей, поэтому его относительная погрешность В отличие от известных устройств определяется как

S-8,-&

tS)

7

относительная погрешность измерения известного технического решения} относительная погрешность невыполнения соотношения (7),

Применение изобретения позволяет повысить точность измерения на 11,5 порядка по сравнению с известными решениями, а использование отработки всех цепей обратных связей непосредственно на частоте эадаювдегсу генератора 5 без дополнительных коммутаций и модуляции позволяет повысить- быстродействие примерно на порядок.

СаМОУРАВНОВШЯИВАЮЩИЙСЯ КОНДУКТОМЕТРИЧЕШСЙЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ tKXiT, содержедий трансформатор напряжения, один вывод первичной об- мотки ко-горого соеданен с шиной, и трансформатор тока, соединенные между собой жидкостным вит-, ком связи, генератор переменного напряжения, разделительный конденсатор, источник опорного напряжения, резистор, подключенный к стоку поле|ВОго транзистора, к затвору которого подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных обмотки т$ анс рматора тока, начало которой соединено с общей шиной, усилителя рассогласования, выпрямителя и интегратора, -обмотку сравнения, конец которой соединен с общей шиной, регистратор, отличающийся тем, что, с целью повшаения точности и быстродействия измерения, он снабжен цепью обратной связи, состоящей из масштабного резистора и компенсационной обмотки, причем компенсационная .обмотка размещена на магнитрпроводе трансфбрматора тока, вкл1бч€на .Встречно его. обмотке и начало ее через масштабный резистор соединено с выходом усилителя рассогласовавия, а конец ее соединен с общей шийой, первый ваход генератора переменного напряжения соединен с вторым первичной трансформат€4 а напряжения, второй вьзход генератора переменного напряжения соедааден с источ;нйком опсфноро напрйжения и вторйи ,10 -Е1ези- j стора, к первому выводу (счз S подсоединен регистратор, рс ё ишвн(Л ный Также с шиной, а;xitcsK - а6лввого тран зистора соедий и яом-обмйткИ; сравнений:;, njiriraeM отношение велйчййы сстротивления ма:сшт аб- ного резйстс а к числу витков компен-к сационной определяется по формуле „ «м эо vtffc йвых Ui - величина сиэпротивления Рде масштабного резистора. Ом; WK - 1ИСЛО витков компенсёодионэо ной обмотки «ВХ величина входного сопротивления усилителя рассогласо вания. Ом; , k коэффициент усиления усилителя, рассогяасовгшия; W число витков выходной обВых мотки трансформатора тока