Цифровой кондуктометр Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

1

Изобретение относится к технике измерений удельной (относительной) электрической проводимости жидкостей и может быть использовано для аттес тации образцовых растворов или в качестве образцового средства при поверке рабочих средств измерений.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия.

На фиг.1 представлена блок-схема кондуктометра; на фиг.2 и 3 - электрические схемы выполнения кондукто- метрического преобразователя; на - блок-схема формирователя на- пряжений; на фиг.5 - электрическая схема формирователя 25 тактовых импульсов; на фиг.6 - электрическая схема формирователя 26 импульсов обнуления интегратора; на фиг.7 - временные диаграммы вькодных напряжений узлов предлагаемого кондуктометра.

Предлагаемьш кондуктометр содержит кондуктометрический преобразователь 1. Кондуктометрический преобразователь 1 предназначен для преобразования удельной электрической про водимоСти жидкости в напряжение и состоит из питающего трансформатора 2 с обмоткой 3, ячейки 4, заполненной исследуемой жидкостью и образующей жидкостный виток связи, трансформаторного компаратора 5 токов с обмот-я кой 6 компенсации и выходной обмоткой 7, токозадающих резисторов 8 и

В кондуктометре может быть использован кондуктометрический преобразователь с двумя компенсационными обмотками, электрическая схема которого изображена на фиг.2, или дифференциальный кондуктометрический преобразователь с двумя ячейками, схема которого представлена на фиг.З. В дифференциальном кондуктометрическом преобразователе роль токозадающего резистора в цепи первого компенсационного входа выполняет второй жидкостный виток связи, образованный второй ячейкой, заполненной образцовой жидкостью.

Кондуктометр содержит также (см. фиг.1) генератор напряжений, состоя- щий из генератора синусоидального напряжения 10 и формирователя напряжений 11, управляемый ключ 12, уп равляемый делитель напряжения 13, усилитель 14, фазочувствительный нуль-орган 15, пороговый элемент 16 регистр последовательного приближе-

0

0

5

41

5

0

5

0

5

0

5

442

ния 17, преобразователь код-код 18, цифровой отсчетный блок 19, кнопку 20 (Пуск), одновибратор 21, триггер 22, счетчик импульсов 23, счетчик-делитель частоты 24, формирователи импульсов 25-27, элементы И 28, 29.

Генератор 10 предназначен для питания кондуктометрического преобразователя 1 и управляемого делителя напряжения 13 синусоидальным напряжением. Выход генератора 10 соединен с входом формирователя 11 напряжений. Последний предназначен для преобразования выходного синусоидального напряжения генератора 10 в напряжения, управляющие работой фaзoчyвcтвитeль- кого нуль-органа 15 и счетчика-делителя частоты 24. На первом выходе формирователя 11 напряжений формируется прямоугольное напряжение, синфазное с выходным напряжением генератора 10, на втором выходе - прямо- угольное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряжения генератора 10, на третьем выходе - синусоидальное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряжения генератора 10. Структурная схема формирователя 11 напряжений показана на фиг.4. Формирователь напряжений состоит из пороговых элементов 30, 3 и фазовращателя 32.

Управляемый ключ 12 предназначен для подключения выхода генератора 10 к питающим входам кондуктометрического преобразователя 1 и управляемого делителя 13 напряжения на время, необходимое для одного измерения.

Управляемый делитель 13 напряжения служит для преобразования двоичного кода, поступающего на его входы с выходов регистра 17 последовательного приближения, в пропорциональное напряжение, подаваемое на первый компенсационный вход кондуктометрического преобразователя 1.

Усилитель 14 (фиг.1) предназначен для усиления выходного напряжения кондуктометрического преобразователя 1, снимаемого с обмотки 7, до уровня, обеспечивающего правильное функционирование фазочувствительного нуль- органа 15.

Фазочувствительный нуль-орган 15 (фиг.1) предназначен для преобразования активной составляющей выходного синусоидального напряжения усили31

теля 14 в линейно изменяющееся напряжение, которое снимается с выхода его интегратора и подается на вход порогового элемента 16, и для преобразования реактивной составляющей выходного синусоидального напряжения усилителя 14 в синусоидальное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряжения генератора 10, которое снимается с выхода нуль-органа 15 и подается на второй компен- сационньй вход кондуктометрического преобразователя 1 в противофазе с квадратурной помехой.

Управляющие входы фазоч5шстви- тельного нуль-органа 15 подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя 11 напряжений, а выход интегратора фазо чувствительного нуль-органа 15 соединен с входом порогового элемента 16

. Пороговый элемент 16 служит для преобразования выходного напряжения фазочувствительного нуль-органа 15 в напряжение логического нуля или единицы, которое подается на D-вход регистра 17.

Регистр 17 последовательного приб- лижения предназначен для формирования по сигналам, поступающим на его D- и С-входы, двоичного кода, подаваемого на входы управляемого делителя 13 напряжения и преобразователя 18 код-код. Выходы регистра 17 подключены соответственно к управляющим входам управляемого делителя 13 напряжения и к входам преобразователя 18 код-код.

Преобразователь 18 код-код служит для преобразования параллельиого двоичного кода, снимаемого с выходов О...П регистра 17, в двоично-десятичный код, необходимый для управления цифровым отсчетным блоком 19.

Цифровой отсчетный блок 19 предназначен для индикации результата измерений в десятичной системе счисления.

Выходом кондуктометра является вы ход регистра 17, а последукщая обработка и регистрация результатов измерения определяется в зависимости от рещаемой задачи.

Одновибратор 21 с кнопкой 20 (Пуск) предназначен для формирования импульсов начала измерения, которые подаются на S-вход триггера 22

5

0

5

g . „

5

44.4

Триггер 22 служит для управления ключом I2 и работой счетчика 23. R- вход триггера 22 соединен с выходом формирователя 27 импульсов, выход триггера 22 соединен с управляющим входом ключа 12, а инверсньй выход триггера 22 подключен к R-входу счетчика 23 импульсов.

Формирователь 27 предназначен для формирования импульса окончания измерения. Вход формирователя 27 подключен к СС-выходу регистра 17 последовательного приближения. Счетчик импульсов 23 предназначен для формирования сигнала разрешения прохождения тактовых импульсов на С-вход ре- . гистра 17 и импульсов обнуления на четвертый управляющий вход интегратора фазочз ствительного нуль-органа 15. Сигнал формируется с задержкой относительно момента подключения питающих входов кондуктометрического преобразователя 1 и управляемого делителя 13 напряжения к выходу генератора 10 на время, большее или равное времени переходного процесса.

К первому выходу формирователя 11 напряжений подключены соединенные последовательно счетчик-делитель частоты 24, формирователи импульсов 25 и 26. Счетчик-делитель 24 частоты предназначен для деления частоты импульсов (например, в 10 раз), поступающих с первого выхода формировате- ля 11 напряжений.

Фо1 1ирователь 25 служит для формирования коротких тактовых импульсов, подаваемых на вход формирователя 26 и на первый вход элемента И 28, и может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.5.

Формирователь 26 (фиг.1) предназначен для формирования коротких импульсов обнуления интегратора фазочувствительного нуль-органа 15, формируемых по заднему фронту тактовых импульсов и подаваемых на С-вход счетчика 23 и на первый вход элемента И 29, и может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.6.

Выход формирователя 25 импульсов соединен с первым входом элемента И 28, выход которого соединен с С- входом регистра последовательного приближения 17. Выход формирователя 26 импульсов соединен с первым входом элемента И 29, второй вход которого подключен к выходу счетчика

51

23 импульсов, третий вход - к СС-вы- ходу регистра 17, а выход соединен с четвертым входом (управляюпщм входом интегратора) фазочувствительного нуль-органа 15,.

Элемент И 28 выполняет роль ключа который в зависимости от состояния выхода счетчика 23 пропускает или не пропускает тактовые импульсы, посту- пающие с выхода формирователя 25, на С-вход регистра 17.

Элемент И 29 выполняет роль ключа который в зависимости от состояния выхода счетчика 23 и состояния СС- выхода регистра 17, пропускает или не пропускает импульсы обнуления интегратора фазочувствительного нуль-органа I5, поступающие с выхода формирователя 26, на четвертый (управляю- щий вход интегратора) фазочувстви- тельного нуль-органа 15.

Предлагаемый кондуктометр работает следующим образом.

При нажатии кнопки 20 Пуск од- новибратор 21 вырабатывает импульс начала измерений, по переднему фрон - ту которого триггер 22 устанавливается в состояние 1 и замыкает ключ 12, которьй подключает питающие вхо- ды кондуктометрического преобразователя 1 и управляемого делителя 13 напряжения к выходу генератора 10. В выходной обмотке 7 кондзтетометри- ческого преобразователя 1 наводится ЭДС, пропорциональная разности маг- нитных потоков, создаваемых током, протекающим по жидкостной ячейке 4, и током, протекающим по обмотке 6, Ток жидкостной ячейки 4 пропорцио- нален удельной электрической проводимости жидкости. Ток в обмотке 6 пропорционален выходному напряжению управляемого делителя 13 напряжения, которое, в свою очередь, пропорцио- нально коду N, поступающему на входы управляемого делителя 13 напряжения с выходов регистра 17. ЭДС, наводимая в обмотке 7, усиливается усилителем 14 и подается на вход фа- зочувствительного нуль-органа 15. На первый - третий управляющие входы нуль-органа 15 с первого - третьего выходов формирователя 11 напряжений подаются соответственно прямоугольное напряжение, синфазное с выходным напряжением генератора 10, прямоугольное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряже

5 О Q д

5

446

ния генератора 10, синусоидальное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряжения генератора 10. На четвертый зшравляющий вход фазочувствительного нуль-органа 15 подаются импульсы обнуления его интегратора, выход которого является одним из выходов фазочувствительного нуль-органа 15. На другом выходе фазочувствительного нуль-органа 15 формируется синусоидальное напряжение, сдвинутое на 90 относительно выходного напряжения генератора 10, амплитуда которого пропорциональна реак- трЕвной составляющей (квадратурной помехе) выходного напряжения усилителя 14. Напряжение этого выхода фазочувствительного нуль-органа 15 подается на второй компенсационньш вход кондуктометрического преобразователя 1 в-п1зотивофазе с квадратурной помехой, подавляя последнюю и обеспечивая зависимость напряжения на первом выходе фазочувствительного нуль-органа 15 только от активной составляющей тока, протекающего по жидкостной ячейке.

Напряжение с выхода интегратора фазочувствительного нуль-органа 15 поступает на вход порогового элемента 16, который имеет положительньгй порог срабатьшания .э и находится в состоянии О, если напряжение на выходе интегратора нуль-органа 15 больше U(.p.пэ, ив состоянии 1, если напряжение на выходе интегратора

нуль-органа . 15 меньше U

ер. пэ

Выходное напряжение порогового элемента 16 .подается на D-вход регистра 17 после- дова,тельного приближения, которьй к концу цикла измерения формирует на выходах О...П параллельный двоичный код, подаваемьй на входы управляемого делителя 13 напряжения и на входы преобразователя 18 код-код.

Прямоугольное напряжение, поступающее с первого выхода формирователя- 11 напряжений на вход делителя 24 частоты (представляющего собой счет-: чик импульсов), преобразуется счетчиком-делителем 24 частоты в прямоугольное напряжение И (Фиг.7), частота которого меньше частоты выходного напряжения генератора 10 (например, в 10 раз). Выходное напряжение счетчика-делителя 24 частоты поступает на вход формирователя 25

713741

тактовых импульсов, который по переднему фронту каждого приходящего на его вход импульса формирует короткие прямоугольные импульсы И, по- даваемые на первый вход элемента И 28 и на вход формирователя 26 им- пульсов обнуления интегратора, который по заднему фронту каждого тактового импульса формирует короткие

10

прямоугольные импульсы И

2t

обнуления интегратора, поступающие на первый вход второго элемента И 29.

При переходе триггера 22 из состояния О в состояние 1, вызванном нажатием кнопки 20 Пуск, на R-входе счетчика 23 импульсов устанавливается О, что является сигналом разрешения счета импульсов, поступающих с выхода формирователя 26 на С-вхОд счетчика 23, сигнал I на выходе которого появляется с момента разрешения счета через время, большое или равное времени переходного процесса в цепи питания кондуктомет- рического преобразователя 1 и управляемого делителя 13 напряжения времени, по истечении которого с момен-. та замыкания ключа I2 на его выходе устанавливается напряжение с постоянной амплитудой (и ,) .

При появлении сигнала 1 на выходе счетчика 23 () на С-вход регистра 17 начинают поступать тактовые импульсы с выхода формирователя 25 (Hjj) через первый элемент И 28 (Hjg), а на четвертый управляющий

15

20

25

30

35

По окончании первого импульса обнуления интегратора, сформированного по заднему фронту первого тактового импульса, поступившего на С-вход регистра 17, на выходе элемента И 29 устанавливается 1, что является сигналом разрешения интегрирования для нуль-органа 15, который в течени времени между двумя следующими один за другим импульсами обнуления интег ратора формирует линейно изменяющееся напряжение И положительной или отрицательной полярности, скорость изменения которого зависит от напряжения на его входе, подключенном к выходу усилителя 14, а полярность - от фазы вькодного напряжения усилителя 14. Линейное изменение напряжения И ij на выходе интегратора нуль- органа 15 происходит до напряжения насыщения ±11,,, после достижения которого выходное напряжение нуль- органа 15 остается постоянным и равным + 0 , ИЛИ ПрНХОДа ИМПУЛЬ

са обнуления интегратора.

Второй тактовый импульс И jg, поступивший на С-вход регистра 17, завход фазочз ствительного нуль-органа писывает О в (п-1)-й разряд, под

0

5

0

5

0

5

44.8

1, которьш сохраняется до тех пор, пока во все разряды регистра не будет записана информация. Установление единицы на СС-выходе регистра 17 (Hj.(.) является сигналом разрешения прохождения импульсов (И) с выхода формирователя 26 через второй элемент И-29 на четвертый управляющий вход нуль-органа 15.

По окончании первого импульса обнуления интегратора, сформированного по заднему фронту первого тактового импульса, поступившего на С-вход регистра 17, на выходе элемента И 29 устанавливается 1, что является сигналом разрешения интегрирования для нуль-органа 15, который в течение времени между двумя следующими один за другим импульсами обнуления интегратора формирует линейно изменяющееся напряжение И положительной или отрицательной полярности, скорость изменения которого зависит от напряжения на его входе, подключенном к выходу усилителя 14, а полярность - от фазы вькодного напряжения усилителя 14. Линейное изменение напряжения И ij на выходе интегратора нуль- органа 15 происходит до напряжения насыщения ±11,,, после достижения которого выходное напряжение нуль- органа 15 остается постоянным и равным + 0 , ИЛИ ПрНХОДа ИМПУЛЬса обнуления интегратора.

Второй тактовый импульс И jg, поступивший на С-вход регистра 17, за

Изобретение может быть использовано для аттестации абразивных растворов и позволяет повысить точность и быстродействие измерений.Кондуктометр содержит кондуктометричес- кий преобразователь 1, генератор напряжений, включающий генератор .10 синусоидального напряжения и формирователи 11 напряжений. Кроме того. кондуктометр состоит из управляемого делителя 13 напряжения преобразователя 18 код-код и цифрового отсчет- ного блока 19. Фазочувствительный нуль-орган 15 предназначен для преобразования активной составляющей выходного синусоидального напряжения усилителя 14 в линейно изменяющееся напряжение. Пороговый элемент I6 преобразует выходное напряжение фазо- чувствительного нуль-органа 15 в напряжение 1.-Преобразователь 18 код-код служит для преобразования параллельного двоичного кода,, снимаемого с выходов О...п регистра 17, в двоично-десятичный код. Одно- вибратор 21 с кнопкой 20 Пуск предназначен для формирования импульсов начала измерения. Кроме того, в кондуктометр введены управляемый ключ 12, триггер 22, счетчик 23 импульсов, счетчик-делитель 24 частоты, формирователи 25,26,27-И элементы И 28 и 29. 7 ил. с (Л оо - NU 4 4 (puei

15 - импульсы И,9 выхода формирователя 26 через второй элемент И 29.

Первый тактовый импульс, поступивший на. С-вход регистра 17, записывает О в старшем разряде п регистра 17, подготавливая этот разряд к записи в него нуля или единицы с приходом следующего тактового импульса с учетом состояния его D-входа. При этом во всех остальных разрядах регистра 17 записываются единицы, т.е. записывается код 011 ... 11. Этот код поступает на входы управляемого делителя 13 напряжения, который формирует на своем выходе соответствующее этому коду напряжение, поступающее на первый компенсационный вход кон- дуктометрического преобразователя 1. С приходом первого тактового импульса на С-вход регистра 17 на СС-выходе последнего устанавливается сигнал

0

5

0

5

готавливая этот разряд к записи в него информации (нуля или единицы)- с состояния D-входа регистра 17, и производит запись единицы в п-й разряд, если напряжение И ,j на выходе интегратора нуль-органа 15 меньше Цср.пэ (что соответствует сигналу 1 на выходе порогового элемента 16), или оставляет нуль в п-м разряде, если напряжение выходе интегратора нуль-органа 15 больше Ucp пэ (что соответствует сигналу О на выходе порогового элемента 16). По окончании второго тактового импульса на четвертый управляющий вход нуль-органа 15 поступает второй импульс обнуления интегратора, после окончания которого на выходе интегратора нуль органа формируется напря жение с учетом нового состояния выходов регистра 17, например, 001..11.

Третий тактовый импульс записьшает О в (п-2)-й разряд и О или 1 в (п-1)-и разряд с учетом состояния D-входа регистра 17 и т.д. С прихо- дом последнего тактового импульса в младший разряд регистра записьшается 1 или оставляется О (в зависимости от состояния порогового элемента 16), а СС-выход регистра 17 устанав- ливается в О. Переход СС-вькода регистра 17 из состояния 1 в состояние О () является сигналом об окончании цикла измерения, который запрещает прохождение импульсов с выхода формирователя 26 на четвертый управляпощий вход нуль-органа 15 и по которому формирователь 27 формирует короткий импульс установки триггера 22 в состояние О. При этом ключ 12 размыкается, отключая выход генератора 10 от питающих входов кондук- тометрического преобразователя, и управляемого делителя 13 напряжения, а счетчик 23 устанавливается в исход иое нулевое состояние с блокировкой счета. С этого момента двоичный код на О...П выходах регистра 17, пропорциональный удельной электрической проводимости жидкости, которой за- полнена ячейка 4, преобразуется с помощью преобразователя 18 в двоично-десятичный код, а затем - -в индицируемый десятичный код с помощью цифрового отсчетнаго блока 19.

Формула изобретения

Цифровой кондуктометр, содержащий генератор напряжений и погружаемый трансформаторный кондуктометрический преобразователь с калибруемой ячейкой, питающий вход которого соединен с питающим входом управляемого делителя напряжения, выход которого подключен к первому компенсационному. входу кондуктометрического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, о тличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений и быстродействия путем сокращения времени нагрева исследуемой жидкости протекающим током, дополнительно введены управляе

5 0 5 0

5

0

5

0

44Ю

мый ключ между выходом синусоидального напряжения генератора напряжений и питающим входом кондуктометрического преобразователя, фазочувст- вительный нуль-орган, вход которого . соединен с выходом усилителя, управляющие входы подключены к соответствующим выходам генератора напряжений, а выход соединен с вторым компенсационным входом кондуктометрического преобразователя, пороговый элемент, подключенный входом к вькоду интегратора фазочувствительного нуль-органа, регистр последовательного приближения, D-вход которого соединен с выходом noiiorOBoro элемента, а выходы подключены к соответствующим управляющим входам управляемого делителя напряжения и входам преобразователя код - код, соединенные последовательно счетчик-делитель частоты, первый и второй формирователи импульсов, причем вход счетчика-делителя частоты подключен к выходу 1шпульсн6го напряжения генератора напряжений, первый элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя импульсов, а выход подключен к С-входу регистра последовательного приближения, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя импуль- сов, второй вход - с вторым входом первого элемента И, третий вход второго элемента И подключен к СС-выхо- ду регистра последовательного.приближения, выход второго элемента И соединен с управляющим входом интегратора фазочзгвствительного нуль-органа, одновибратор с механическим запуском, триггер, S-вход которого соединен с . выходом одновибратора, а выход - с управляющим входом ключа, счетчик импульсов, R-вход которого подключен к инверсному выходу триггера, С-вход - к выходу второго формирователя им- i пульсов, выход - к второму входу элемента И, и третий формирователь импульсов, вход которого соединен с СС-выходом регистра последователь- . ного приблютения, а выход подключен к R-входУ триггера, выходы преобразователя код - код соединены с входами цифрового отсчетного блока.

I

Фиг.З

3

II.

Фиг. г

gD

±,I

П.

п

5Т

Ar

вход

Г26 I

I JL

I

1

п

JL

I

I

ф1/г.З

-1

d

выход

Фиг.с