Устройство для измерения удельной электрической проводимости жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к области электрофизических измерений, в частности к ус- тройствам для измерения удельной проводимости жидкости, и может быть использовано в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в том числе в электроразведке, в рыбном хозяйстве , океанографии и при проведении экологических исследований.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем исключения влияния двойного поляризационного слоя на поверхности контакта электродов с жидкостью, снижение стоимости устройства, повышение надежности работы.

На фиг.1 показан первичный преобразователь устройства; на фиг.2 - схема электронной части устройства; на фиг.З - электрическая схема первичного преобразователя.

Первичный преобразователь устройства (фиг.1) содержит полость 1 для соединения кабеля и выводов от электродов в диэлектрическом корпусе 2, измерительные электроды 3, размещены между диэлектрическими перегородками 8 в пазах 4, образованными этими перегородками, излучающие электроды 5, размещенные между стенкой корпуса датчика -2 и диэлектрической перегородкой 8, диэлектрические стержни 9, устанавливаемые в торцах канала области измерения датчика 10. Диэлектрические стержни 9 служат для выравнивания потока жидкости через

00

о

Ov

ы

О

4

00

сквозной канал 10 корпуса датчика, создающего область измерения. Килевой балластный груз 11 служит для заглубления ПП при буксировке. Диэлектрические пластины 6 используются для стабильности положения датчика при буксировке.

Электронная часть устройства (фиг.2) содержит генератор 12 напряжения, согласующий трансформатор 13, регистрирующий прибор 14, дифференциальные усилители 15, 16, 17, фазовращатель 18, двойной дифференциальный усилитель 19, образцовое сопротивление 20, синхронный детектор 21, выводы А, В излучающих электродов первичного преобразователя 22 и выводы М, N измерительных электродов, аттенюатор 23 обратной связи. Вывод генератора 12 соединен с входом двойного дифференциального, усилителя 19, выходы которого через разделительные конденсаторы соединены с первичной обмоткой согласующего трансформатора 1-3, вторичные обмотки которого соединены с излучающими электродами А и В первичного преобразователя 22 и с входами, третьего дифференциального усилителя 17, параллельно которым подключено образцовое сопротивление 20, выход третьего дифференциального усилителя 17 соединен со вторым входом синхронного детектора 21 и с входом аттенюатора обратной связи 23, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя 15, инвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя 16, а выход.- с неинвертирующим входом двойного дифференциального усилителя 19, входы второго дифференциального усилителя 16 соединены с измерительными электродами первичного преобразователя 22, выход фазовращателя 18 соединен с первым входом синхронного детектора 21, выход которого соединен с регистрирующим прибором 11.

Для пояснения работы датчика на фиг.З приведена эквивалентная электрическая схема первичного преобразователя, где обозначены: А и В - выводы излучающих электродов; М и N - выводы приемных электродов; ZnA, Zne, 2пм. ZnN -- сопротивления поляризационных двойных слоев электродов;, v

Ri Rra+Ri.R2 RrB+R2; Rra, Rre - сопротивления слоя жидкости в пазах излучающих электродов; RI, R2 - сопротивления слоя жидкости от торцов пазов излучающих электродов до торцов пазов измерительных электродов;

RrNi RFM сопротивления слоя жидкости в пазах измерительных электродов; R - сопротивление слоя жидкости между открытыми торцами измерительных электродов.

. Напряжение VMM, снимаемое с измерительных электродов М и N, подается на входной усилитель 16. Если входное сопротивление усилителя много больше RrM+RrN+RdM-RnN, то напряжение VMN будет

пропорциональное сопротивлению R, включенному между пазами измерительных электродов. В общем случае величина R зависит от конструкции ПП и от проводимости окружающей среды. Уровень же сигнала

5 Ум зависити от величины тока J возбуждающих электродов А, В. Поэтому к стабильности тока источника возбуждающих электродов предъявляются жесткие требования. На величину сопротивления R боль0 щое влияние оказывает глубина h пазов измерительных электродов. В общем случае для определения R необходимо решать соответствующую полевую задачу. Как показа- ли расчеты, при прочих постоянных

5 величинах (конструктивных размерах) проводимости среды и т.д.) величина сопротивления R может изменяться на- 12% при изменении глубины паза от до где а - ширина паза, вдоль которого изменяется

0 электрическое поле возбуждающих электродов. . .

Дальнейшее увеличение глубины паза практически не оказывает никакого влияния на изменение R. Поэтому если выбрать глу5 бину паза , то практически можно считать R const. Объяснить такие изменения R можно следующим образом. Наличие металла в проводящей среде приводит куменьше- нию эквивалентного сопротивления между

0 двумя любыми точками в пространстве. Поэтому при , когда паз заполнен приемным электродом при отсутствии двойного слоя R будет наименьшим. При наличии двойного слоя R будет наибольшим. Но так

5 как двойной слой на границе металл-жидкость является нестабильным, то нестабильным будет и значение R, а следовательно и величина напряжения VMN. Если же приемные электроды заглубить на глубину , то

0 значение сопротивления не будет зависеть от двойного поляризационного слоя приемных электродов и будет строго пропорционально удельному сопротивлению жидкости.

5 Указанные утверждения будут справедливы только при питании возбуждающих электродов источником тока. Высокую же стабильность источника тока обеспечить трудно. Более эффективными являются источники напряжения, их стабильность обеспечить легко. Устранение указанного недостатка и обеспечивает схема устройства, приведенная на фиг.2. С учетом принятых на схеме обозначений определим выходное напряжение, которому пропорциональны показания индикатора.

Ток 1о, протекающий через излучающие электроды А и В можно определить при помощи выражения.

1о

Удвх (Vr-Vi)-K0

ZAB2ZABZ

можно записать

,, . , Ki K2AR + j ДХ

Vr-lo (.-7П--+ -----(7------

(71эК-о

(6)

Из выражения (6) следует, что при

KitoKo ст1э (AR)2 +(ДХ )2 что легко .Q выполнимо, ток в цепи излучающих электродов прямопропорционален проводимости жидкости

Использование: аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: для исключения погрешности измерений из-за влияния двойного поляризационного слоя на поверхности контакта электродов с жидкостью измерительные и излучающие электроды установлены в пазах, образуемых перегородками, установленных в сквозной полости корпуса. Длина перегородок 2h по крайней мере в два раза превышает рассто - яния А между перегородками, в которых установлены измерительные электроды. Электронная часть устройства, кроме общей обратной связи, дополнительно содержит местную обратную связь, приводящую к повышению стабильности измерений. 3 ил. (Л

где Vasx - напряжение холостого хода на зажимах А и В;

Vr - выходное напряжение генератора;

ZaB2 RBHX+RO +RaBBX+ AR+j A X - Суммарное сопротивление в цепи электродов А, В при настройке в резонанс на частоте цепи первичной обмотки согласующего трансформатора;

Рвых Нвых«п2 - приведенное к вторичной обмотке выходное сопротивление двойного дифференциального усилителя;

Raasx - активная составляющая входного сопротивления ПП со стороны электродов А, В;

AR и ДХ - отклонение входного сопротивления от среднего значения при изменении 7 окружающей среды.

Кд - коэффициент усиления двойного дифференциального усилителя;

,Р - добротность контура первичной цепи СТ;

п - коэффициент трансформации СТ.

Для напряжения V1 можно записать

(VMN -Ka- KaRolohKiU - Ro)

(2)

где учтено, что напряжение ных электродов М, N можно виде .

1о

VMN

(Tb

где- 1Э - эквивалентная длина ПП.

Подставив выражение (2) в выражение (1) и решив последнее относительно Vr, получим

VHo(f + -/3KiK3Ro). (4)

При выполнении условия

/ KiK3Ro .+-ГС Ввх + Ro (5)

15

(1)

С учетом (7) для выходного напряжения на индикаторе имеем

V,

ИНД

-V лт I R 3 Кр Кд ,д,

-Vr а 1Э Ro (8)

где Кд - коэффициент передачи синхронного детектора;

Кр - коэффициент передачи регистрирующего прибора.

Таким образом, выходное напряжение рассматриваемой схемы будет прямопро- порционально удельной электропроводности жидкости, причем величина и стабильность коэффициента пропорциональности определяется параметрами на- пряжения генератора Vr, эталонного резистора R0 эквивалентной длины ПП 3 и

коэффициентами передачи узлов электронной схемы Кч.КгЖз.Кд.Кр, высокий уровень стабильности которых легко обеспечить.

Таким образом изобретение позволяет принципиально исключить погрешность измерений удельной электрической проводимости жидкости за счет влияния двойного электрического слоя излучающих и приемных электродов. Это позволяет повысить точность измерений на 10...15% и использовать при измерениях электроды из дешевого материала; а не из драгметаллов. Использование предлагаемого электронного устройства, более дешевого и более стабильного по сравнению с известными.

приводит к снижению стоимости устройства в целом.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения удельной электрической проводимости жидкости, со- держащее диэлектрический корпус с размещенными на нем двумя измерительными и двумя излучающими электродами, генератор напряжения, согласующий трансформатор, регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности измерений путем исключения влияния двойного поляризационного слоя на поверхностях контакта электродов с жидкостью, корпус снабжен сквозной полостью, расположенной симметрично относительно продольной оси, вдоль полости попарно установлены перегородки из диэлектрического материала, между каждой из пар перегородок расположены электроды, выполненные в виде стержней, причем измерительные электроды расположены по обе стороны от пары, находящейся в центре, а излучающие - между стенкой корпуса и остальными парами, на входе корпуса в полости установлены ряд стержней из диэлектрика, длина перегородок выполнена не менее расстояния между перегородками, в которых установлены измерительные электроды.

двойного дифференциального усилителя, выходы которого через разделительные конденсаторы соединены с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторичные обмотки которого соединены с излучающими электродами первичного преобразователя и с входами третьего дифференциального усилителя, параллельно которым подсоединено образцовое сопротивление, выход третьего дифференциального усилителя соединен с вторым входом синхронного детектора и с входом аттенюатора цепи обратной связи, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а выход - с неинвертирующим входом двойного дифференциального

усилителя, входы вторего дифференциального усилителя соединены с измерительными электродами первичного преобразователя , выход фазовращателя соединен с первым входом синхронного детектора, выход

5 которого соединен с регистрирующим прибором, показания которого пропорциональны удельной электрической проводимости жидкости.

°Риг,2