Кондуктометр Советский патент 1980 года по МПК G01N27/02 

1

Изобретение относится к области физико-химических исследований.

Кондуктометр предназначен для измерения электропроводности раство- j ров в широком диапазоне значений электропроводности и может быть использован в приборах и системах контроля состава смесей, растворов, суспензий.to

Известен трансформаторный кондуктометр, состоящий из двух трансформаторов, жидкостного витка связи,, генератора, измерительного прибора ij .

Недостатком известного кондуктометра является невысокая точность измерения.

Наиболее близким техническим решением является кондуктометр , содержащий два магнитопровода с обмот- 20 ками, одна из которых соединена с генератором переменного тока, другая приемная - соединена с измерительным прибором 2 ,

Недостатком прототипа являпотся 25 низкая чувствительность измерений обуслойленная наличием паразитных наводок входного напряжения на выходные цепи как в результате прямой электростатической связи между

(54) КОНДУ.КТОМЕТР

обмотками, так И между проводами в кабеле, разрешающая способность при контроле концентрированных, безводных или слабопроводящих жидкостей, так как в этом случае магнитный поток сигнала в приемной обмотке очень мал и наводимая им ЭДС оказывается ниже уровня помех и шумов,

Цель изобретения - повьЕ.ение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в кондуктометр введен генератор возбуждения, имеющий два выхода,один из которых связан с обмоткой возбуждения, контрольный генератор с двумя выходами, со единенный с дополнительной обмоткой, два синхронных детектора, два смесителл, корректирующий измерительный прибор, причем на магнитопроводе с приемной обмоткой расположены возбуждающая и дополнительные обмотки, второй выход генератора возбуждения соединен с первым входом основного смесителя, другой вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход соединен со входом основного детектора, другой вход которого соединен С приемной обмоткой, а выход с индикаторным устройством, второй выходд контрольного генератора связан со входом вспомогательного смесителя,, второй выход которого связан со входом основного смесителя, второй вход основного смесителя связан со вторым вы ходом генератора возбуждения, а выход основного смесителя - со входог вспо могательного детектора, второй вход которого связан с приемной обмоткой, а выход - с корректируклцим индикатор ным устройством.. На чертеже изображен предложенный кондуктометр. Он состоит из первого Зё1мкнутого магнитопровода 1, на котором намотана обмотка 2, связанная с выходрм генератора переменного тока 3 и второго Зс1мкнут0го приемного магнитопровода 4. В теле приемного магнитопровода имеются сквозные отверстия 5 с обмотками возбуждения б, намотанным на участках магнитопровода между внеш ней поверхностью и поверхностью отвер стия. Обмотки возбуждения 6 соединены с выходом генерато а возбуждения 7. На приемном магнитопроводе намотаны контрольная обмотка 8, связанная с выходом контрольного генератора 9 и приемная обмотка 10, связанная со входом усилителей - синхронных детек торов - основного 11 и вспомогательного 12. Второй выход генератора возбуждения 7 связан со входом основного 13 и вспомогательного 14 смесителей, Второй выход генератора тока 3 соеди нен со вторьм входом основного смеси теля 13, а второй выход контрольного генератора 9 связан со вторым входом вспомогательного смесителя 14. Вьюсод основного смесителя 13 связан со вторым входом основного синхронного детектора 11, а выход вспомогательного смесителя 14 связан со вторы л входом вспомогательного синхронного детектора 12. К выходу основного син хронного детектора 11 подключено индикаторное устройство 15, а к выходу вспомогательного синхронного детекто ра 12 подключено корректирующее индикаторное устройство 16. В центральных отверстиях магнитопроводов 2 и 4 находится жидкость 17, электропроводность которой подлежит измерению, образугацая виток связи, Устройство работает следукяцим образом, В обмотке 2 кольцевого магнитопро вода протекает переменный электричес кий ток, источником которого является генератор переменного тока 3. Пер менный магнитный поток в. кольце 1, обусловленный протеканием по обмотке 2 переменного тОка, возбуждает в жидкости по закону электромагнитной индукции переменньлй ток, величина которого определяется электропроводностью жидкости. Поскольку жидкость содержится в центральном отверстии приемного магнитопровода 4,то наведенный в жидкости переменный ток возбуждает замкнутый переменный магнитный поток в магнитопроводе 4, который пропорциоНсшен величине электрического тока в жидкости. Этот переменный магнитный поток наводит в приемной обмотке 10 ЭДС, величина которой определяется геометрией системы и электропроводностью жидкости. Таким образом в .выходном сигнале содержится ЭДС, определяемая электропроводностью жидкости и являющаяся полезным сигналом ЭДС, определяемая величиной паразитной наводки и являющаяся сигналом помехи. Поскольку эти ЭДС одной и той же частоты, то для входных устройств они практически не различимы. Чем больше отношение ЭДС помехи к ЭДС полезного сигнала, тем меньше чувствительность и точность кондуктометра, ЭДС, определяемая электропроводностью жидкости, имеет частоту, сильно отличающуюся от частоты тока, протекающего через обмотку 2, а следовательно, и от частоты ЭДС помехи, которая совпадает по частоте с током, протекакхдим в обмотке 2, Входное измерительное устройство настроено на частоту ЭДС, определяемой электропроводностью жидкости, В этом случае ЭДС помехи, имеЕачая другую частоту, просто отсекается по частоте и на выходное измерительное устройство не воздействует, вне зависимости от своей величины. Такое положение позволяет измерять только чистый сигнал, определяемый электропроводностью жидкости, что значительно повышает чувствительность и точность кондуктометра. Для преобразования частоты полезного сигнала в кондуктометре используется магнитомодуляционный принцип. Кольцо 4 имеет два отверстия 5, Количество сквозных отверстий в кольце 4 принципиальным не является, а определяет .:. лишь суммарный магнитомод ляционный эффект, Вокруг отверстия 5 намотана обмотка возбуждения 6, При протекании тока через обмотку 6 вокруг отверстия 5 возбуждается замкнутый магнитный поток - поток возбуждения, Известно, что магнитные материалы являются нелинейными, относительно воздействия на них сильных магнитных полей. Чем больше магнитное поле, воздействующее на материал, тем ниже его магнитная проницаемость, Таким образом, если величина тока, протекгиосдего через обмотку 6; будет изменяться, то будет изменяться и величина магнитной проницаемости материала ферромагнитного кольца 4 в области расположения сквозных отверстий 5. При протекании через обмотки 6 переменного тока возбуждения от генератора возбуждения 7 периодически будет изменяться кагнитная проницаемость материала в области отверстий 5. Из-за четности Гсимметрии кривой зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля возбуждения частота изменения магнитной проницаемости материала в два раза ВЕЛие частоты тока возбуждения.

ПРИ сравнительно небольших токах возбуждения,порядка сотни миллиампер магнитная проницаемость высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов изменяется в сотни раз.

Известно, что магнитное сопротивление участка магнитопровода обратно пропорционально его поперечному сечению и магнитной проницаемости и пропорционально его длине.

Т.е. , -. (О

R.

т

Общее магнитное сопротивление кольца 4 является суммой магнитных сопротивлений участков с постоянной магнитной проницаемостью и участков с переменной магнитной проницаемость расположенных в области отверстий 5. Магнитное сопротивление магнитопровода 4 li общем виде, на основании (1) может быть записано так;

Л ги (2) где R - суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода 4 , у которых проницаемост остается постоянной; R - суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода 4 , расположенных в области отверстий 5, при токе в обмотке возбуждения, равном нулю;

JW - проницаемость материала в области отверстий 5 при токе возбуждения,равном нулю; JW{iJ)- проницаемость материала в

области отверстий 5 как функ ция тока возбуждения ig . При протекании электрического ток в жидкости 17 через центральное отверстие магнитопровода 4 в нем генерруется замкнутый магнитный поток, напряженность которого по закону полного тока фнс1Е 3, где Н - напряженность возбуждаемого поля;

3 ,1х

(3)

-Sгде Ь - длина средней линии магнитопровода; .

К - коэффициент пропорциональности..

Магнитный поток в магнитопроводе, как известно, равен напряженности магнитного поля, деленной на магнитное сопротивление, т.е.

f

(А)

Представив сопротивление (2) состоящим из двух компонент

«.«. 5)

-«14

найдем поток с учетом выражений (3) и (4)

.

(6)

L

Пусть переменный ток в жидкости синусоидален с частотой -f , т.е.

3 Э Sin 211 f Ъ . (7)

Кроме.этого, будем также считать, чт R-ecTb синусоидальная функция, т.е.

ft R sitim-2fgt, С8)

где f - частота тока возбуждения, тогда (6) может быть преобразовано так;

, J SiHiTLf -fc

L R +Rj SirtAn:fgt

Учитывая очевидное соотношение,

T:: R;; iTiif %

(Ш) где А и Af, постоянные величины,

fj - постоянный Фазовый сдвиг

П-и гармоники. Перепишем (9) с учетом (10)

Ф- - 3 Slti2Tr (411

V . (ii)

)

Раскрывая это выра кение, получим :cb - 3 AQSin2lTf ft 5 n iriUfg iOt

,(iVf,K-V,...; (il

Первый член этого выражения магнитный поток, изменяющийся с частотой тока. Это точно такой же поток, который имеет место в обычном трансформаторном кондуктометре. Второй член является членом, имеющим суммарную комбинационную частоту тока в жидкости и удвоенной частоты возбуждения. Третий член является членом комбинационной разностной частоты и т.д.

Пусть измерительная система настроена на суммарную комбинационную частоту. ЭДС на выходе приемной обмотки 10 будет состоять иа суммы. определяемой законом электромагнитной индукции. E-NV- -2lIf D COSlTtf i: -2ir(2f.f)A,W- a COs liraVf)t. Поскольку Ьыло принято, что измерительная система настроена на суммарную частоту zfg+, то в дальнейшем будем рассматривать только второй член выражения (13), который и является полезным сигналом. Ампли тудное значение полезного сигнала равно ( 3 К&к следует из выражения (14), ве-. личина полезного сигнала прямо пропЬрциона; Ьна измеряемому току 3 , который является однозначной функцией электропроводности жидкости. Здесь следует отметить следунмцее Если измерительная система узкополосна и настроена на частоту f то она не будет реагировать ни на сигналы с частотой f, ни на сигнал с частотой jpg / if в / Sf 6 т.д. Такимобразом, такая система полностью нечувствительна к наводкам как основного измерительного напряжения с частотой f , так и напряже ния возбуждения с частотой f и его гармоник. Как известно, наиболее узкополос ным устройством является синхронный детектор, который и используется в предложенном устройстве. Однако синхронный детектор может работать только с сигналом, когерентным и равным по частоте опорному напряжению синхронного детектора. Поэтому если детектор должен работать на частоте , то и его опорное напряжение должно иметь эту же частоту. Это достигается следу:ощим образом. Напряжение со второго аыхода генератора переменного тока 3 с частотой f поступает на один и входов смесителя 13. Со второго выхода генератора возбуждения 7 напря жение удвоенной частоты if поступае на второй вход смесителя 13. За счет нелинейного преобразования сме сителя в нем образуются гармоники с комбинационными частотами , If - и т.п. Выходной фильтр смеси теля настроен на частоту и про пускает на выход напряжение только этой частоты. Это напряжение и явля ется опорным для синхронного детектора 11. Проницаемость магнитопровода JU и зависимость проницаемос ти от тока возбуждения J«H)являтотся также функциеП температуры. При изменении температуры магнитопроводов изменяется и выходной сигнал при не изменном токе в электропроводящей жидкости. Кроме того, как и зо всяком электронном устройстве, в измерительной схеме могут быть свои нестабильности, повышающие погрешность измерения. Поэтому для выборки этой погрешности введена цепь калибровки. Ток контрольного генератора 9, протекая через контрольную обмотку 8, создает в магнитопроводе 4 точно известное магнитное поле, напряженность которого точно известна. Это поле также измеряется магнитомодуляционным методом с помощью синхронного детектора 12, смесителя 14 и индикатора 16. Таким .образом, обмотка 8 служит для калибровки магнитомодулядионного измерительного тракта. Данный кондуктометр позволяет проводить измерения с более высокой чувствительностью и в более широком диапазоне значений электропроводностей. Формула изобретения Кондуктометр, содержащий два магнитопровода с обмотками - передающей связанной с генератором переменного тока, и приемной, связанной с измерительным прибором, отличаю щи йс я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, в него введен генератор возбуждения, имеющий два выхода, один из которьпс соединен с обмоткой возбуждения, контрольный генератор, имею11Ий два выхода, один из которых соединен с дополнительной обмоткой,два синхронных детектора - основной и вспомогательный, два смесителя - основной и вспомогательный, корректирующий измерительный прибор, причем на магнитопроводе с приемной обмоткой расположены возбуждающая и дополнительные обмотки, второй выход генератора воз(Суждения соединен с первым входом основного смесителя, другой вход kOTOporo соединен с выходом генератора переменного тока, а выход соединен со входом основного детектора, другой вход которого соединен с приемной обмоткой, а выход с индикаторным устройством, второй выход контрольного генератора связан со входом вспомогательного смесителя, второй вход которого связан с входом основного смесителя, второй вход основного смесителя связан со вторым выходом генератора возбуждения, а выход основного смесителя - со входом вспомогательного детектора, второй вход которого связан с приемной обмоткой, а выход - с корректируюгаим индикаторным устройством. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Лопатин Б.А. Кондуктометрия, Новосибирск, 1964, с. 220. 2.Авторское свидетельство СССР 1 490001,,КЛ. G 01 N 27/02, 1974.