Устройство для измерения удельной электрической проводимости Советский патент 1991 года по МПК G01R27/22 

Изобретение касается измерений удельной электрической проводимости и ее градиентов и предназначено для

применения в экспериментальной гидродинамике для определения параметров турбулентности, в океанологии для

исследования тонкой струьтуры вод океана, а также в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей,

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения удельной электрической проводимости.

Устройство содержит генератор 1 переменного напряжения синусоидальной формы, блоки 2 и 3 умножения, преобразователи 4 и 5 напряжение - ток, первичный измерительный преобразователь 6 с потенциальным электродом 7, токовыми электродами 8, 9, потенциальным электродом 10, токовыми электродами 11, 12, потенциальным электро- дом 13, дифференциальные усилители 14 15, 16 и 17, компаратор 18, синхронные детекторы 19 и 20, интеграторы 21 и 22, дифференциальный усилитель 23 и усилитель 24,

Выход генератора 1 переменного напряжения соединен с первыми входами блоков 2 и 3 умножения, входом компаратора 18 и неинвертирующим входом дифференциального усилителя 16. Выход блока 2 умножения соединен со входом преобразователя 4 напряжение - ток, первый и второй выходы которого соединены соответственно с токовыми электродами 8 и 9 первичного измерительног преобразователя 6, токовые электроды 11 и 12 которого соединены соответственно с вторым и первым выходами преобразователя 5 напряжение - ток, вход которого соединен с выходом блока 3 умножения. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 14 соединен с потенциальным электродом 7 первичного измерительного преобразователя 6, потенциальный электрод 10 которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 14 и с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 15, инвертирующий вход кото

рого соединен с потенциальным элект

родом 13 первичного измерительного преобразователя 6.

Выход дифференциального усилителя 14 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 16 и с инвертирующим входом дифференциального усилитепя 17, неинвертирующий вход которого соединен г выходом диф ференциального усилителя 15.

Q

Q 5

Q . .

5

0

Выход дифференциального усилителя 16 соединен с первым входом синхронного детектора 19, второй (синхронизирующий) вход которого соединен с выходом компаратора 18 и со вторым (синхронизирующим) входом синхронного детектора 20, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 1. Выход синхронного детектора 19 через интегратор 21 соединен со вторым входом блока 2 умножения и неинвертирующим входом дифференциального усилителя 23, выход которого соединен со вторым входом блока 3 умножения. Выход синхронного детектора 20 через интегратор 22 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 23 и со входом усилителя 24.

Устройство для измерения удельной электрической проводимости работает следующим образом.

На первые входы блоков 2 и 3 умножения с выхода генератора 1 переменного напряжения синусоидальной формы подается переменное напряжение U,. На вторые входы блоков 2 и 3 умножения соответственно с выходов дифференциального усилителя 23 и интегратора 21 подаются напряжения иг, и Uz , которые прямо пропорциональны значениям удельных электрических проводи- мостей 9С и X, соответственно второй и первой чувствительных зон преобра- пТэвателя 6.

Первая чувствительная зона преобразователя располагается между токовыми электродами 8 и 9 преобразователя. Кондуктивная постоянная А первой чувствительной зоны преобразователя определяется взаимным расположением токовых электродов 8 и 9 и расположением относительно них потен- диальных электродов 7 и 10.

Вторая чувствительная зона преобразователя расположена между токовыми электродами 11 и 12. Кондуктивная постоянная А второй чувствительной зоны преобразователя определяется взаимным расположением токовых электродов 11 и 12 и расположением относительно них потенциальных электродов 10 и 13.

Вторые выходы преобразователей напряжение - ток 4 и 5 находятся под одинаковым потенциалом, поэтому под одинаковым потенциалом находятся токовые электроды 9 и 11. Поэтому потенциальный электрод 10 находится в эквипотенциальной области электролита,

что снижает до минимума его поляризационные импедансы. Потенциальные электроды 7 и 13 расположены в областях с минимальной плотностью тока, так как основная часть тока между токовыми электродами протекает именно между соответствующими токовыми электродами. Поэтому потенциальные электроды 7 и 13 расположены вне максимальной плотности тока. Это сводит до минимума поляризационные импедансы и этих потенциальных электродов. Снижение поляризационных импедансов потенциальных электродов повышает их долговременную стабильность,а следовательно, повышает и точность измерений.

Выходные напряжения U и U3 блоков 2 и 3 умножения определяются следующими соотношениями

иг« .

; и

3

и,- игз

где п и п„ - коэффициенты преобразования соответственно блоков 2 и 3 умножения. Преобразователь напряжение - ток 4 преобразует входное напряжение в ток 1, который поступает на токовые электроды 8 и 9 преобразователя 6 и определяется соотношением

(2)

т Hi UA R2 nz R2

где R- - сопротивление токового резистора, преобразователя напряжение - ток„

Дифференциальный усилитель 14 осуществляет измерение разности напряжений потенциальных электродов 7 и 10 преобразователя 6, Выходное напряжение .дифференциального усилителя 14 определяется следующим соотношением

ui М 1/(jO)C))K() (3)

где R - измеряемое сопротивление

жидкости первой чувствительной зоны преобразователя;

С - суммарная, емкость двойного электрического слоя токовых электродов 8 и 9; 0)- круговая частота выходного

сигнала генератора 1 переменного напряжения;

К . - коэффициент усиления дифференциального усилителя 14.

В дисЬс ренциапьнрм усилителе 16 происходит сравнение выходных напряжений генератора 1 переменного напряжения и дифференциального усилителя 14, Выходное напряжение 11 дифференциального усилителя 16 определяется следующим соотношением:

U

(U, - и,4 ) К9;

(4)

где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя 16.

В синхронном детекторе 19 происхо15 дит., детектирование выходного сигнала дифференциального усилителя 16, причем его синхронизацию осуществляет компаратор 18, который вырабатывает сигнал в фазе с выходным сигналом ге20 нератора 1 переменного напряжения. Поэтому сигнал на выходе синхронного детектора 19 прямо пропорционален только сопротивлению R,. ,

Интегратор 21 с постоянной времени

25 Т2 осуществляет интегрирование выходного сигнала синхронного детектора 19. Выходное напряжение U2 интегратора 21 определяется следующим соотношением:

30

и/.

J2

(U( - икЖз

TZ/P

ULKA, Л. Т2 Р

(5)

эс После подстановки соотношения (2) в соотношение (5) и использования равенства А R 9е,получаем, что

0

2

n2R2# „TinzR 9Ci

К, А,

А, К, К

т,Э€« Р + 1

Р + 1) (6)

где А . - кондуктивная постоянная первой чувствительной зоны преобразователя 6; Т гп1Rz

m

1 U, А, К, К5 Р - символ дифференцирования. При обеспечении единичного коэф- фициента усиления дифференциального усилителя 23 К g- 1 и равенства следующих выражений:

п 2 Rz А

Пд А

RJ 2К2

К,

выходное напряжение U22 на выходе интегратора 22 определяется следующим

соотношением:

K(i - #2)

zz

т„

(m, X, P + 1)( P + O Т 1 n 4 R (,-.

2 U, A2 Kt K4

К- и KX коэффициенты усиления соответственно дифференциального усилителя 15 и 17;10

А. - кондуктивная постоянная второй чувствительной

зоны преобразователя;

Т - постоянная времени интегратора 22;

R. - сопротивление токового

резистора преобразовать ля 5 напряжение - ток. Усилитель 24 обеспечивает усиление разностного сигнала в Kg раз. Поэтому выходное напряжение „. на выходе усилителя 24 определяется следующим соотношением:

U,

К ( -9Cg)

(8)

J24 (т,эё, F-n)(m29e2P+ D

Как видно из соотношений (6) и (8) выходные сигналы предлагаемого устройства не зависят от нестабильности амплитуды генератора переменного на- пряжения Из этих же соотношений видно, что изменение X, , i и и„ влияет на частотные характеристики устройства. Однако параметры устройства можно выбрать так, что заведомо при всех возможных изменениях yt и 96-яи колебаниях U можно обеспечить необходимые частотные характеристики предлагаемого устройства.

Устранение влияния нестабильности амплитуды генератора 1 переменного напряжения на величину выходного напряжения, пропорционального удельной электрической проводимости, повышает точность измерений удельной электри- ческой проводимости

Обеспечение возможности измерения /дельной электрической проводимости в двух чувствительных зонах преобразователя позволяет одним преобразователем измерять не только мгновенные значения удельной электрической проводимости в одной чувствительной зоне преобразователя, но и микромасштабные градиенты удельной электрической проводимости между двумя чувствительными зонами преобразователя на базах единицы миллиметров - единицы санти0

5

Q

5

0 5

о 5

0

5

метров, что расширяет функциональные возможностио

Формула изобретения

Устройство для измерения удельной электрической проводимости, содержащее генератор переменного напряжения, первичный измерительный преобразователь с тремя потенциальными и четырьмя токовыми электродами, первый дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым потенциальным электродом преобразователя, а неинвертирующий вход - со ыорым потенциальным электродом пре- ofлаяователя, второй дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с третьим потенциальным электродом преобразователя, третий дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с выходом генератора переменного напряжения, а инвертирующий вход - с выходом пер-f вого дифференциального усилителя, четвертый и пятый дифференциальные усилители, первый синхронный детектор, первый вход которого соединен с выходом четвертого дифференциального усилителя, отличающее ся тем, чтэ, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены первый и второй блоки умножения, первый и второй преобразователи напряжение - ток, второй синхронный детектор, первый и второй интеграторы, усилитель и компаратор, выход третьего дифференциального усилителя соединен с первым входом второго синхронного детектора, выход компаратора соединен со вторыми входами первого и второго синхронных детекторов, а вход- с выходом генератора переменного напряжения, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго преобразователей напряжение - ток, первый и второй выходы второго преобразователя напряжение - ток соединены соответственно с первым и вторым токовыми электродами преобразователя, первый и второй выходы первого преобразователя напряжение - ток соединены, соответственно с четвертым и третьим токовыми электродами преобразователя, второй потенциальный

электрод которого соединен с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим вхоцом чет- вертого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, выход первого синхронного детектора черет первый интегратор соединен со входом усилителя и с инвертирующим входом пятого дифференциального усигштеля, выход которого соединен со вторым входом первого бпокл умножения, выход второго синхронного детектора через второй интегратор соединен с неинвертирующим входом пятого дифференциального усилителя и со вторым входом второго блока умножения, при этом вторые выходы первого и второго преобрачователей напряжение - ток находятся под одинаковым потенциалом.

Изобретение касается измерений удельной электрической проводимости и может быть использовано дня определения параметров турбулентности в экспериментальной гидродинамике, для измерения удельной электрической проводимости и ее градиентов при исследовании тонкой структуры вод океана, для автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей - достигается путем устранения влияния нестабильности амплитуды генератора переменного напряжения и возможности измерений между двумя чувствительными зонами преобразователя микромасштабных градиентов. Для этого на первые входы блоков 2 и 3 умножения с выхода генератора 1 переменного напряжения синусоидальной формы подается переменное напряжение и. На вторые входы блоков 2 и 3 умножения соответственно с выходов дифференциального усилителя 23 и интегратора 21 подаются напряжения U23 и U2, прямо пропорциональные значениям удельных электрических проводи- мопей Х и X соответственно второй и первой чувствительных зон первичного измерительного преобразователя 6, располагающихся между токовыми электродами 8, 9 и 11, 12 преобразователя 6, кондуктивные постоянные которых определяются также и взаимным расположением потенциальных электро- 7, 10 и 10, 13 преобразователя 6„ Сигналы с блоков 2 и 3 умножения поступают на соответственно преобразователи 4 и 5 напряжение - ток, своими выходами соединенные с токовыми электродами 8, 9 и 11, 12 преобразователя 6. Потенциальные электроды 7, 10, 13 преобразователя 6 соединены с дифференциальными усилителями 14 и 15, выходные сигналы которых через дифференциальные усилители 16 и 17 и синхронные детекторы 19 и 20 поступают на интеграторы 21 и 22 соответственно. Выходной сигнал интегратора 22 поступает на вход усилителя 2 и выходной сигнал компаратора 18 поступает на вторые входы синхронных детекторов 19 и 20. 1 ил. с S (Л О5 оо 4 J Ю СО