Устройство для измерения электропроводности жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01R27/22 G01N27/02 

4 СО ЧЭ W (

Использование: в измерительной технике и в океанологических исследованиях, в частности для измерения электропроводности морской воды при производстве морских геоэлектроразведочных работ. Сущность изобретения: устройство содержит датчик 1, резистор 2, триггер Шмитта 3, компаратор 4. элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, фильтр 6, регистратор 7. Особенностью изобретения является выбор порога срабатывания к. выходному напряжению триггера Шмитта. исходя из диапазона изменения электропроводности жидкости. 4 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологических исследованиях, в частности для измерения электропроводности морской воды при производстве морских геоэлектроразведочных работ.

Известны устройства для измерения электропроводности жидкости на основе многообмоточного с двумя магнито- проводами индуктивного датчика. В одном устройстве устранена зависимость коэффициента преобразования индуктивного датчика от изменения магнитной проницаемости магнитного сердечника датчика. Однако сохраняется сильная зависимость от изменения параметров сигнала генератора подмагничивания. В другом устройстве уменьшено влияние сигнала задающего генератора, но существует зависимость от параметров индуктивного датчика.

Недостатком известных устройств является низкая точность измерения и сложность индуктивного датчика. Известные устройства имеют по три обмотки, а следовательно, шесть выводов и лишь частично каждое в отдельности решает задачу увеличения точности измерений.

В то же время применение устройства для измерения электропроводности жидкости в глубоководных буксируемых или автономных аппаратах для исследования электромагнитных полей в океанах ставит задачу максимального уменьшения числа изолированных выводов из прочного корпуса, так как это увеличивает надежность эксплуатации аппарата.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электропроводности жидкости, имеющее всего одну катушку датчика, которое содержит автогенератор с индуктивным датчиком, подключенным одним выводом к общей шине устройства, преобразователь сигнала автогенератора, последовательно соединенные фильтр нижних частот и регистратор, схему управления, коммутатор. Принцип работы устройства основан на поочередном измерении регистратором постоянной составляющей коллекторного тока автогенератора без компенсации потерь в резонансном контуре, вызываемых изменением электропроводности среды, и в момент компенсации, и в преобразовании их разности в выходной сигнал

Однако это устройство имеет низкую точность измерения, так как при изменении эквивалентного сопротивления контура изменяется угол отсечки коллекторного тока

транзистора, который сильно зависит от изменения параметров транзистора.

Целью изобретения является увеличение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в

устройство для измерения электропроводности, содержащее индуктивный датчик, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот (ФНЧ) и регистратор,

введены резистор, триггер Шмитта, компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем обмотка индуктивного датчика включена между выходом и входом триггера Шмитта, выход которого подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а вход через резистор к общей шине устройства и непосредственно к первому выходу компаратора, второй вход компараторагподключен к общей шине устройства, а выход - к второму входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к входу ФНЧ.

На фиг.1 приведена функциональная

схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг.З - эквивалентная схема индуктивно-резистивного звена; на фиг.4 - пример практического выполнения устройства.

Устройство для измерения электропроводности жидкости содержит индуктивный датчик 1, резистор 2, триггер 3 Шмитта, компаратор 4, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, ФНЧ 6, регистратор 7.

Обмотка индуктивного датчика t включена между выходом и входом триггер 3 Шмитта, выход которого подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, а вход через резистор 2 - к общей

шине устройства и непосредственно к-первому входу компаратора 4. Второй вход компаратора 4 подключен к общей шине устройства, а выход - к второму входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5,

выход которого подключен к входу ФНЧ 6. Выход ФНЧ 6 подключен к регистратору 7,

Устройство работает следующим образом.

Триггер Шмитта с индуктивно-рези- стивным звеном в цепи отрицательной обратной связи образует релаксационный генератор.

Рассмотрим LR-звено с индуктивностью, зашунтированной резистором R1. Сопротивление резистора R1 равно рэ п2, где РЗ сопротивление жидкостного витка, п - число витков индуктивного датчика. При подаче на вход звена перепада напряжения

амплитудой UBX зависимость выходного напряжения ивых от времени:

Uebix(t) UBX (1-m exp(-w0 m t)), (1) где w0 R/L;

1 1,21

1+R/Ri i+R/pzJ U Время нарастания выходного напряжения до уровня Ui:

11 - ln(m Uex/(UBx-Ui)). (3) m

где - постоянная времени LR-звена.

В данном случае согласно фиг,2 Un, , где Do - амплитуда выходного напряжения, a Un - напряжение срабатывания триггера Шмитта.

Отсюда находим период следования импульсов на выходе релаксационного генератора:

о -гI 1 4- I I

(4)

Й ,„(.±).

m v U0-Un Форма выходного напряжения триггера Шмитта показана на эпюре а, а выходного - на эпюре б (фиг.2). Выходное напряжение компаратора 4 изменяется согласно эпюре в, при переходе входного напряжения триггера 3 Шмитта через нуль.

Длительность задержки выходного напряжения компаратора 4 относительно фронтов выходного напряжения триггера 3 Шмитта равна

«-Ј « ю

Выходное напряжение логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ5соответствует 1 при различии и О при совпадении уровней на его входах и показано на эпюре г (фиг.2).

Скважность импульсов на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 равна

..(ЈЈЈ)

13 ,„ ,„ U + un

In (m

U0

)

Как видно, выражение (6) не зависит от изменения магнитной проницаемости сердечника (одного из наиболее сильных дестабилизирующих факторов). Для устранения влияния изменения выходного напряжения триггера Шмитта (вследствие изменений напряжения питания или параметров выходного каскада триггера) порог срабатывания Un формируется из выходного напряжения триггера (U0) с помощью рези- стивного делителя например, (4) При этом скважность равна

Ki + In m 4 K2 +ln m

„ . Uo+Un v . Uo+Un

где Ki In -f-j-ji : K2 In конUo UnUo

станты, зависящие лишь от отношения выходного напряжения к порогу срабатывания

триггера Шмитта.

Выходное напряжение ФНЧ 6 равно /q, где Ui - амплитуда выходного напряжения логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5. Полоса пропускания ФНЧ 6

выбрана достаточно низкой, чтобы в необходимой мере ослабить гармоники его выходного напряжения и пропустить на вход регистратора 7 лишь постоянную составляющую сигнала. В случае использования в

качестве логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 микросхемы КМОП-серии амплитуда выходного напряжения микросхемы с высокой точностью равна напряже- нию питания микросхемы. Применяя

высокостабильный источник питания микросхемы, получим выходной напряжение ФНЧ, зависящее лишь отскважности, а значит, зависящее лишь от сопротивления жидкостного витка.

Чувствительность датчика зависит от параметра т, который определяется по формуле (2) и показывает степень шунтирования резистора 2 сопротивлением жидкостного витка. Сопротивление жидкостного витка пересчитывается в цепь первичной обмотки датчика по известному выражению: RI рэ п2. Чем меньше п, тем меньше R1, гем сильнее степень шунтирования резистора 2 сопротивления жидкостного витка. Это следует и из формального анализа формулы (2):

У

dm Ж

2R

Рэ п

(

55

Видно, что с ростом п знаменатель растет быстрее, чем числитель и чувствительность у уменьшается.

дг Из этих же соображений для увеличения чувствительности устройства необходимо уменьшать сопротивление жидкостного витка (выбором геометрических размеров датчика) и увеличивать сопротивление резисп стора 2. Ограничением при этом выступает быстродействие триггера Шмитта. Важен также выбор отношения выходного напряжения к порогу -срабатывания триггера Шмитта.

Условие получения высокой чувствительности (в пределе равной оо) устройства определяется из выражения (6) путем приравнивания нулю знаменателя;

(7)

.„(„.

Un

(8)

Отсюда

Un

U0

(9)

Зная диапазон изменения электропроводности жидкости, из условия (9) можно выбрать отношение порога срабатывания к выходному напряжению триггера Шмитта

Устройство для измерения электропроводности жидкости может быть выполнено, например по фиг 4, где А1 - операционный усилитель К 544 УД2 и резисторы Ri, RG в цепи положительной обратной связи образуют триггер Шмитта, компаратор - микросхема А2 типа К 544 САЗ, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ -микросхема К БЫ ЛП2, резистор R4 и конденсатор С образуют фильтр нижних частот В качестве регистратора используется аналого-цифровой преобразователь или цифровой вольтметр.

Использование предлагаемого изобретения позволяет выполнять высокоточные измерения (с погрешностью не выше 0,01 %), что почти на два порядка превышает возможности известного устройства измерения электропроводности морской воды

и

+ Uo

а,

-Uo

owxv

+ Ua

+ ип

f

-Un +Un

Фиг.2

Ю

15

20

25

при производстве морских электроразведочных работ

Формула изобретения Устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее индуктивный датчик, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот и регистратор, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерения, в устройство введены триггер Шмита, резистор, компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем обмотка индуктивного датчика соединена своими выводами с выходом и входом триггера Шмитта, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а вход соединен через резистор с общей шиной устройства и соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной устройства, выход компаратора соединен с вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. выход которого соединен с входом фильтра-нижних частот, выход которого соединен с входом регистратора

t2

L

./nrVYX

Uft

to гЗ

a

К ивых

te4