Цифровой измерительный преобразователь электрической проводимости жидкости Советский патент 1989 года по МПК G01R27/22 G01N27/02 

(21) (22)

)

1

it2603l6/2i -21 10.06.87

23.12.89. Бюл. К i(7

(71)Специальное конструкторско-тех- нологическое бюро Морского гидрофизического института АН УССР

(72)А.В.Матвеев, kJ. В. Немировский и Ю.И.Шаповалов

(53) 621.317..257 (088.8) (5б) Braun N.L. Aprecision STD micro- profiler In.Proceedings, IEEE conference OCEAIJS /4, Nova Scotia, b.a., s. 1, vol. 2, p. 270-278.

(5ч) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРА- ЗОБАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ));ИДКОСТИ

(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической проводимости морской воды в океанографических средствах измерения, а также в средствах измерения электрической проводимости жидкостей.Целью изобретения является повышение надежности и упрощение преобразователя .Цифровой

КодН

..

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической проводимости морской воды в океанографических средствах измерения, а также в средствах измерения электрической проводимости жидкостей. Целью изобретения является повышение надежности и упрощение преобразователя. Цифровой измерительный преобразователь электрической проводимости жидкости содержит первичный преобразователь 1, токовые электроды 2 и 3, потенциальные электроды 4 и 5, первый трансформатор 6 с обмотками 7 и 8, общую шину 9, усилитель 10, второй трансформатор 11 с обмотками 12 и 13, третий трансформатор 14 с обмотками 15 и 16, цифроаналоговый преобразователь 17, генератор 18 опорных напряжений, нуль-орган 19, логический блок 20 управления и опорный резистор 21. По сравнению с известным предлагаемом преобразователе исключен преобразователь ток-напряжение содержащий усилитель и два трансформатора. Это позволило упростить предлагаемый преобразователь и повысить надежность его в работе. 3 ил.

сл

ф1/г.1

3153102

измерительный преобразователь электрической проводимости жидкости содержит 1ервимный преобразователь 1 , токовые -электроды 2 и 3, потенциальные электроды и 5, первый трансформатор 6 с обмотками 7 и 8, общую лину 9 усилитель 10, второй трансформатор 11 с обмотками 12 и 13, третий транс- ф орматор И с оймотками 15 и 16, циф- ю роаналоговый преобр 1зон тель 17, геИзобретение относится к зм ритель- ной технике и может быть использовано для измерения электрической про зодимос ти морской воды а океанографических средствах измерения, а такн(е п сред- ствах измерения электп;:ческой проводимости жидкостей.

Цель изобретения - повышение надежности и упрощение преобразователя

На фиг.1 представлена структурмап схема цифрового измесигелы-гаго преобразователя электрической проводимости жидкости; на фиг.2 функциональная схема нуль-орг€)на; на фиг.З - функциональная схема логического (5ло ка управления.

Цифровой измерительный преобразователь электрической проводиь ости жидкости содержит первичный преобразователь 1 контактного типа, который представляет собой четью хэлектродную ячейку, выполненную из пеового 2 и, второго 3 тактовых электродов, первого ч и второго 5 потенциальных электродов, первый тра: сфор|. атор 6, ..выполненный из первой 7 и второй 8 обмоток, общую шину 5, усип1 тель10 пе- ременного напряжения, второй трансформатор 11, выполненный из первой 12 и второй 13 обмоток, третий транс- форматор 1, выполненный из первой 15 и второй 1б обмоток, цифрозналого- вый преобразователь 17, генератор 18 опорных напряжений, нуль-орган 19,

логический блок 20 управления, опорный резистор 21.

Позиции 22-2А обозначают выходы генератора 18 опорных напряжений м одновременно входы нуль-органа 19, входы которого таюсе обозначают позиции 25-27,.а выход - позиция 28, Позиции 29 и 30 соответственно являются входом и выходом логического блока ,20. управления, а позиции 31 и 22 япнератор 18 опорных напряжений, нуль- орган 19, логический блок 20 управления и опорный резистор 21. По сравнению с известным в предлагаемом преобразователе исключен преобразователь ток -- напряжение, содержащий усилитель и два трансформатора. Это позволило упростить предлагаемый преобразователь и повысить надежность его в роботе. 3 ил.

0

5 о

ц

5

0

5

ляются другими выходами генератора 18 опорных напряжений.

Вывод первого токового электрода 2 первичного преобразователя 1 контактного типа соединен с первым выводом первой обмотки 7 первого трансформатора 6, первый и второй выводы торой обмотки 8 которого соответственно соединены г общей 1ииной 9 и выходом усилителя 10. первый и второй входы которого соединены соответственно с первым, и вторым выводами первой обмотки 12 второго трансформатора 11. Вывод первого потенциального электрода 4 первичного преобразователя 1 контакти.ого типа соединен с первым выводом (тервой обмотки 15 третьего трансформатора 1, первый и второй выводь второй обмотки 1б которого соединень с соответствующими первым и вторым аналоговыми входами цифро- анапогового преобразователя 17 и первым и BTOpi iM выходами генератора 18 опорных напряжений, третий, четвертый и пятый выходь которого соединены соответственно с первым, вторым и- третьим входами нуль-органа 19, четвертый вход и выход которого соответственно соединены с выходом и первым входом логического блока. 20 управления, второй пход которого является входом Пуск, а группа выходов соединена с группой входов цифроаналого - вого преобразователя 17 и является информационным выходом данного преобразователя . Вывод второго токового электрода 3 первичного преобразователя 1 контактного типа соединен с первым выходом цифроаналогового преобразователя 17 и : первым выводом опорного резистора 21, второй вывод которого соединен с втсрьм выводом первой обмотки 7 первого трансформатора б и вторую г бмотну 13 второго

15

трансформатора 11 - с рторым выходом цифроаналогового преобразователя 17. Вывод второго потенциального электрода 5 первичного преобразователя 1 контактного типа соединен с пятым - входом нуль-органа 19, шестой вход которого соединен с вторым выводом первой обмотки 15 третьего трансформатора I.

Первичный преобразователь 1 контактного типа служит для преобразования электрической проводимости жидкости в электрический эквивалент - напряжение.

Первый 6, второй 11 и третий трансформаторы выполнены двухобмоточ- ными на ферритовом тороидальном маг- нитопроводе М бООНМ-1 К .

Усилитель 10 предназначен для усиления сигнала рассогласования между напряжением обратной связи и напряжением на выходе цифроаналогового преобразователя 17 и может быть выполнен на операционных усилителях. Усилитель 10 имеет при разомкнутой обратной связи коэффициент усиления переменного напряжения К ус х 10,

Усилитель 10 переменного напряжения представляет собой двухкаскадный усилитель, выполненный на двух операционных усилителях по схеме инвертирующего усилителя в каждом каскаде Для снижения шумовых характеристик и лучшего согласования с первой обмоткой 12 второго трансформатора 11 в первом каскаде использована микросхема . Второй каскад реализован на микросхеме . Выбор этого типа микросхем объясняется их широкой полосой единичного усиления. Цепи обратной связи в каждом каскаде выполнены так, что по постоянному. току коэффициент усиления может иметь небольшое значение (К v,c 2-10). По переменному току коэффициент усиления на рабочей частоте имеет максимальное значение и определяется по диаграммам Воде для конкретного операционного усилителя.

. При частоте питающего напряжения 10 кГц для первого каскада К ч,с i {2-3} -103, для второго, каскада К с 2 лЮ, Следовательно, общий коэффициент усиления должен составлять (2-3) 10

Цифроаналоговый преобразователь 17 осуществляет преобразование циф7

рового кода в пропорциональное напряжение переменного тока.

Генератор 18 опорных напряжений содержит генератор Синусоидальный, выполненный по схеме моста Винна, фазовращатель, компараторы синфазный и квадратурный. Генератор l8 опорных напряжений вырабатывает синусоидальное напряжение U рабочей частоты для питания измерительной цепи, а также вспомогательные напряжения для питания фазовых детекторов и модулятора квадратуры нуль-органа 19, представляющие собой сдвинутые на 90 синусоидальное (квадратурное) напряжение и сформированные из двух синусоидальных опорные напряжения (меандры) . Синфазный и квадратурный компараторы могут быть выполнены -на микросхеме К521САЗ, а фазовращатель по схеме фазового звена.

Нуль-орган 19 содержит два трансформатора 33 и 3, усилитель 35, синфазный Зб и квадратурный 37 детекторы, два интегратора 38 и 39, выполняющие функции фильтров нижних частот, ключевой элемент tO и модулятор

квадратуры. Нуль-орган 19 предназначен для анализа сигнала разбаланса, поступающего на его вход, и выработки сигнала управления и выполнен по двухканальной схеме, в которой основной канал служит для выработки сигнала управления, сигнализирующего о знаке фазы синфазного сигнала разбаланса, а дополнительный канал (квадратурный) служит для автоматической

компенсации аналаговым сигналом квадратурной составляющей (помехи) сигнала разбаланса, поступающий на его вход.

Усилитель 35 нуль-органа 19 служит для усиления сигнала разбаланса, поступающего на его вход, до величины, необходимой для срабатывания последующих каскадов. Усилитель может .быть выполнен на операционном усилителе типа К1 ОУД8А. Синфазный 36 и квадратурный 37 детекторы представляют собой синхронный ключевые детекторы и предназначены для выделения coответствующих ортогональных сигналов, из сигнала разбаланса, поступающего на их входы. Синхронные детекторы могут быть выполнены на микросхемах типа К525ПС1.

Интеграторы 38 и 39 основного и квадратурного каналов выполнены на операционных усилителях типа К1 0УД8А.

Модулятор квадратуры предназначен для выработки сигнала компенсации квадратурной помехи и выполнен на микросхеме типа К525 ПС1.

Ключевой элемент С служит для разряда емкости интегратора основного канала с целью исключения влияния дрейфа нуля интегратора. Ключевой элемент может быть выполнен на микросхеме К590КН5.

Нуль-орган 19 работает следующим образом. Напряжение разбаланса поступает на входы 25 и 26 и через трансформатор 33 - на вход усилителя 35, выполняющего функции согласования с выходной обмоткой трансформатора 33 и усиления напряжения разбаланса до необходимой величины. После усилителя 35 напряжение поступает одновременно на входы синфазного Зб и квадратурного 37 детекторов. Напряжение разбаланса представляет собой комплексный вектор, разложение которого на активную и реактивную составляющие производится соответственно синфазным 36 и квадратурным 37 детекторами, которые представляют собой фазовые детекторы с импульсным управлением.

В качестве управляющего сигнала применяется signum - функция синфазная и квадратурная.

Выделенное детекторами 3 и 37 напряжение фильтруется интеграторами 3 и 39. Напряжение, пропорциональное активной составляющей и несущее информацию об изменяемой проводимости, фильтруется интегратором 38, на выходе которого появляется постоянное напряжение, знак которого указывает на признак больше или меньше, а амплитуда равна величине разбаланса. Например, если напряжение с интегратора 3& положительно, то это является признаком больше, т.е. необходимо увеличивать код, если напряжение отрицательно, то это является признаком меньше, т.е. необходимо уменьшить код, поступающий на цифроанало- говый преобразователь 17. Для того, чтобы осуществлять описанный анализ с каждым счетным импульсом, следует производить предварительное обнуление интегратора 38. Эту операцию выполняет аналоговый ключ К., управляе

10

15

310278

мый сигналом Уст.О, поступающим из логического блока 20 управления.

Напряжение, пропорциональное реактивной составляющей, так называемой квадратурной помехе, фильтруется интегратором 39 и используется как управляющее, подаваемое на вход модулятора 41 квадратуры. В качестве опорного на вход модулятора kl квадратуры поступает синусоидальное квадратурное напряжение. С выхода модулятора квадратуры это напряжение, промодулированное по амплитуде в соответствии с управляющим напряжением подается на входную обмотку трансформатора . Фаза квадратурного напряжения устанавливается при настройке нуль-органа такой, чтобы она была в противофазе к квадратурной помехе, содержащейся в напряжении разбаланса, поступающем на входы 25 и 2б. Тем самым обеспечивается ее подавление (компенсация), так как квадратурная помеха не несет полезной информации.

Логический блок 20 управления содержит регистр k2 последовательного приближения, генератор 3 тактовых импульсов, RS-триггер и элемент kS совпадения.

Логический блок 20 управления вырабатывает цифровой код для уравновешивания измерительной цепи с помощью цифроаналогового преобразователя 17 в соответствии с сигналом управления, поступающим из нуль-органа 19. Перед началом преобразования очередного разряда цифрового кода логический блок 20 управления формирует импульс начального обнуления интегратора 38 нуль-органа 19.

Логический блок 20 управления работает следующим образом. При поступле20

25

30

35

40

НИИ внешней команды Пуск регистр k2 последовательного приближения устанавливается в исходное состояние, а RS-триггер kk устанавливается в единичное состояние по S-входу, и на его прямом выходе появляется высокий потенциал, разрешающий прохождение тактовых импульсов с генератора 43 тактовых импульсов через элемент 5 совпадения (элемент И) на счетный (тактовый) вход регистра 2. Регистр 2 начинает со старшего разряда цикл поразрядного уравновешивания (последовательного приближения) и в зависимости от того, какое значение принимает сигнал Упр (28) , поступающий с

915

нуль-органа 19 в каждом такте, записвает в соответствующие разряды кода N значения О или 1. По окончании цикла преобразования на выходе СО регистра 2 появляется импульс, устанавливающий RS-триггер ЦЦ по R-входу в нулевое состояние, прекращая, тем самым, поступление тактовых импульсо С приходом очередной команды Пуск .цикл повторяется.

На опорном резисторе 21 формируется напряжение обратной связи, поступающее на вход усилителя 10. В качестве опорного резистора 21 можно использовать резисторы типе С5-61 или Р2-67.

Преобразователь работает следующим образом.

После погружения первичного преобразователя 1 контактного типа в исследуемую жидкость подается команда Пуск на вход блока 20 упрвления. Тактовые импульсы Т, вырабатываемые генератором З тактовых импульсов, поступают на счетный вход регистра 42 Код, формируемый на выходе регистра 2, в паралелльном виде поступает на информационные входы цифроаналогово- го преобразователя 17 в качестве управляющих сигналов. На выходе цифро- аналогового преобразователя (ЦАП) 1 формируется напряжение компенсации по принципу поразрядного уравновешивания. Напряжение компенсации U с выхода ЦАП 17, проходя по обмотке 13 трансформатора.11, вырабатывает на другой его обмотке 12 сигнал, кото- рый усиливается усилителем 10 и за- питывает трансформатор 6. При этом на его обмотке 7 формируется сигнал, обуславливающий возникновение в цепи питания первичного преобразователя 7, 2, KX, 3, 21 тока inВыражение для In имеет вид:

т и (I-)

R R + R 1 + R1 +

где R) - сопротивление столба жидкости между потенциальными электродами;

Uflfcix. с напряжение на выходе усилителя 10;

К - коэффициент передачи первого трансформатора 6;

ми

. УС

Кт, k(

/L) ,.

Kri-K.,c К„ Т R )L

7 °

R, и Р 7 сопротивления участков цепи первичного преобразователя I контактного типа между токовыми 2 и 3 и потенциальными и 5 электродами; L - индуктивность первой обмотки

7 трансформатора 6, Величина тока 1 всегда такова, что на опорном сопротивлении (Кр)

резистора 21 создается падение напряжения Uoc. близкое по,амплитуде к напряжению компенсации U, т.е. при стабильной величине опорного сопро- тивления резистра 21 любое изменение сопротивления цепи,7, 2, R, 3, 21 отработано усилителем 10 так, чтобы падение напряжения на опорном резисторе 21 всегда было как можно ближе к выходному напряжению Ь ЦАП 17 для поддержания неизменной величины тока в указанной цепи. Образованная следящая система поддерживает напряжение U(j равным напряжению и,,, которое определяет падение напряжения на потенциальных электродах 4 и 5 первичного преобразователя 1 контактного типа с точностью, определяемой коэффициентом усилителя 10, и является вы- сокостабильным источником тока.

Напряжение U вьи.усна выходе усилителя 10 определяется разностью напряжения с выхода ЦАП 17 и напряжения обратной связи вызванного прохождением тока I через опорный резистор 21.

Uebix.vc (UK Ь ос) 2) где TJ - напряжение на выходе ЦАП 17

- коэффициент усиления усили- теля 1 О ;

К, - коэффициент передачи трансформатора 11.

Напряжение U определяется коэффициентом передачи рЦАП 17 и напря- жением питания Up

UK Щ:г.(3)

У :итыБaя, что U с - )

и подставляя (4) в (1), получаем вы

ражение U(

К т г R

RO+ Подставляя (5) в (2), получаем

(5)

Кт, k(

Принимая допущенные

1

К т2 К уе

- О,

П HyriR p j; R -еых. УС-

Подставляя (7) в (1), получаем

(8)

т -

Напряжение обратной связи для осществления поразрядного уравновешивния ЦАП 17, несущее информацию об ,электропроводности снимается с потенциальных электродов и 5 первичног преобразователя 1 контактного типа. Для осуществления равновесного сос - тояния ЦАП 17 вырабатывает напряжен такой величины, чтобы на выходе источника тока, содержащего усилитель 10 и трансформатор б, формировался ток 1, обеспечивающий падение напржения 0 на потенциальных электродах 4 и 5, равное опорному напряжению йоп- Напряжение йррформируется на обмотке 15 трансформатора 14, питание которого осуществляется от генератора 18 опорных напряжений. При условии равенства напряжений U и UQ сигнал разбаланса в цепи компенсатора напряжений, состоящего из обмотки 15 трансформатора 1.4, потенциального электрода 4, R и потенциального электрода 5, стремится к нулю. Равновесие будет достигаться при выполнении двух условий

fUoc VK lux Uon

При этом коэффициент усиления ус лителя 10 и входное сопротивление нуль-органа 19 долн(ны быть близки к бесконечности.

(9)

N

Учитывая равенство (З) , где fx , где N текущее значение кода;

ДАОКС

макс максимальное значение кода, равенство (А), а также падение на пряжения и j на потенциальных электродах 4 и 5 при протекании тока 1„ через исследуемую жидкость, где

(10)

Ux

InRx,

(11)

(12)

проводимость столба жидкости,

331027

при К маем

т г

71 после

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Зависимость выходного кода от проводимости жидкости после уравновешивания имеет вид:

,, „Ro Ui n NwoiKi . no и С-,т . (13)

- Г

Таким образом, код, формируемый на выходе логического блока 20 управления, прямо пропорционален проводимое - ти жидкости.

Формирование кода осуществляется следующим образом. Входное напряжение нуль-органа 19, представляющее собой разность напряжений U и О on, усили- в.ается с помощью усилителя 10 и пог- ступает на входы синфазного 36 и . квадратурного 37 детекторов (фиг .2),с выхода которых напряжения в виде отрезков синусоид поступают соответственно на синфазный 38 и квадратурный 39 интеграторы, выполняющие роль фильтров низкой частоты, преобразуются в сигналы постоянного тока, уровень которых характеризуется величиной синфазной и квадратурной составляющих входного сигнала, а полярность характеризует их фазу по отношению к выходному сигналу U (позиции 31 и 32. генератора 18 опорных напряжений.

Таким образом, происходит анализ величины сигнала U,f по отношению к

тт

L оП

Инструментальная погрешность преобразования предлагаемого цифрового измерительного преобразователя элек.т- рической проводимости жидкости, как видно из выражений (2), (5) и (10), обусловлена -погрешностью опорного ре- зистора 21, погрешностью цифрового компенсатора напряжения, формирующе- го компенсирующий (управляющий) сигнал на выходе ЦАП 17с коэффициентом передачи р и погрешностью, связанной с конечным значением коэффициента усиления усилителя 10:

cf,

где

ичстр с

сГ,

Ком

+ d jC + с (д„ ,

(И)

относительные погрешности опорного резистора, усилителя и цифрового компенсатора соответственно.

I 3

Ьведение новых связей позволяет автоматически поддерживать на потенциальных электродах k и первичного преобразователя 1 контактного типа постоянного по уровню напряжения путем изменения тока питания первичного преобразователя 1 контактного тип через токовые электроды 2 и 3 с помощью управляемого преобразователя напряжение - ток напряжением, поступающим с цифроаналогового преобразователя цифрового компенсатора переменного напряжения. В данном устройстве первичный преобразователь электрической -проводимости включен в обратную связь цифрового компенсатора напряжения и преобразование осуще- ствляется по алгоритму:

мои величины;

напряжение на выходе цифро- аналогового преобразователя;

ток питания (запитки) первичного преобразователя электрической проводимости (ток на выходе преобразователя напряжение - ток);

b v

напряжение на потенциальных

электродах; и оп опорное напряжение.

Такое построение цифрового измерительного преобразователя электрической проводимости жидкости по сравнению с известным позволяет исключить преобразователь ток - напряжение, содержащий усилитель с большим коэффициентом усиления (к у( 1000000) и два трансформатора, что приводит к упрощению преобразователя и к повышению надежности его в работе.

формула изобретения

Цифровой измерительный преобразователь электрической проводимости жидкости, содержащий первичный преобразователь контактного типа, вывод первого токового электрода кото31027

рого соединен с первым г ыводом первой обмотки первого трансформатора, первый и второй выводы второй обмотки которого соответственно соединены с общей шиной и выходом усилителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами первой обмотки вто10 рого трансформатора, вывод первого потенциального электрода первичного преобразователя контактного типа соединен с первым выводом первой обмотки третьего трансформатора, пер-15 вый и второй выводы второй обмотки которого соединены с соответствующими первым и BTopt-iM аналоговыми входами цифроаналогового преобразователя и первым и вторым выходами генерато20 ра опорных напряжений, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами нуль-органа четвертый вход и выход которого со25 ответственно соединены с выходом и первым входом логического блока- управления, второй вход которого

является входом Пуск, а группа выходов соединена с группой входов

цифроаналогового преобразователя и является информационным вь ходом цифрового измерительного преобразователя, опрный резистор и вторая обмотка второго трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения, вывод второго токового электрода первичного преобразоват - ля контактного типа соединен с первым выходом цифроаналогового преобразователя и с первым выводом опорного резистра, второй вывод которого соединен с вторым выводом первой обмотки первого трансформатора и через вторую обмотку второго трансформатора - с вторым выходом цифроаналогового преобразователя, вывод второго потенциального электрода первичного преобразователя контактного

типа соединен с пятым входом нуль- органа, шестой вход которого соединен с вторым выводом первой обмотки третьего трансформатора.

Z5

фие. 2