Кондуктометр Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к измерени электрофизических параметров жидкост путем измерения средних и пульсациои ных значений удельной электрической проводимости УЭП и может быть использовано при океанологических исследованиях, в экспериментальной гидродинамике, а также в метрологии в качестве образцового средства для градуировки и поверки рабочих средст измерения. Известно устройство для измерения УЭП, использующее бесконтактный метод измерения, которое содержит погружаемые в исследуемую жидкость два,трансформатора, подключенные соответственно к источнику переменного напряжения и измерительной цепи t I 3 Известное устройство (позволяет измерять с высокой точностью средние значения УЭП и инфранизкочастотные пульсации измеряемого параметра, одиако практически непригодно для измерения мелкомасштабных пульсаций из-за большого масштаба пространственного осреднения (порядка 1030 см). Наиболее близким к предлагаемому является устройство, которое содержит питакнций и измерительный трансформаторы с обмотками,подключенными соответственно к источнику переменного напряжения частотой 10-150 кГц и детектору, выходной сигнал которого пропорционален УЭП исследуемой жидкости. В процессе измерения связь между трансформаторами осуществляется через объемный жидкостный виток 2 J. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения в динамическом режиме (режим измерения пульсаций УЭП в потоке жидкости) . Цель изобретения - повышение точности измерения в динамическом режиме.

38

Ук,ччанная цел1 достиг;иггся тем, что yctpcjiiCTBO, содержащее питающий и измерительный .трансформаторы,связанные между собой жидкостным витком, источ1шк переменного напряжения, подключенный к входной обмотке питаюг щего трансформатора, и детектор,подключённый к выходной обмотке измерительного трансформатора,. дополнительно снабжено последовательно соединенными двухэлектродной измерительной ячейкой, вторым детектором, регулируемым усилителем, фильтром верхних частот, а также двумя полосовыми фильтрами, схемой сравнения, интегратором, фильтром НИЖ1ШХ частот и Суммирующим усилителем, причем упомянутая измерительная ячейка подключена к источнику переменного напряжения, входы первого и второго полосовых фильтров подклю чены соответственно к выходам первого детектора и регулируемого усилителя, а выходы полосовых фильтров соединены со входами схемы сравнения, выход которой через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого усилителя, йход фильтра НИЖЮ1Х частот подключен к выходу первого детектора, а выход соединен со входом суммирующего уси лителя, второй вход которого соедине с выходом фильтра верхних .частот.

В результате сравнения сигналов на выходах полосовых фильтров и

управления коэффициентом усиления регулируемого усилителя автоматически поддерживается равенство коэффициентов преобразования на входах фильтров нижних и верхних частот, что обеспечивает после суммирования сигналов измерение электрической проводимости с малыми погрешностями в динамическом режиме измерения.

Дпя уменьшения погрещностёй из.мерения, связанных с искажением струтуры исследуемого потока жидкости, питающий и измерительный трансформаторы размещены в диэлектрическом корпусе, вьтолненном в виде тора с каплевидным сечением, при этом корпу снабжен коническим выступом, ось котрого параллельна оси тора, а в вершине размещен один из электродов измерительной ячейки. Двухэлектродна измерительная ячейка для упрощения конструкции и схемы устройства подключена к источнику иероменно1о напряжения с помощью дополнительной обмотки, размещенной на сердечнике питакнцего трансформатора.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого кондуктометра; на фиг.2 конструкция части устройства, расположенной непосредственно в исследуемом потоке.

Устройство содержит источник I переменного напряжения, подключений к первичной обмотке 2, расположенной на ферромагнитном тороидальном серденике 3 питающего трансформатора 4. Выходная обмотка 5, расположенная на другом ферромагнитном тороидальном сердечнике 6 измерительного трансформатора 7, подключена к последовательно соединенным детектору 8 и фильтру 9 нидних частот. Трансформатры 4 и 7 связаны между собой жидкостным витком 10, охватывающим тороидалны.е сердечники 3 и 6. Микроэлектрод 1 измерительной ячейки 12 соединен с одним из выводов обмотки 13, расположенной на сердечнике 3. Электрод J4 ячейки 12 и другой вывод обмотки подключены к последовательно соединенным детектору 15, регулируемому усилителю 16 и фильтру 17 верхних частот. Входы двух идентичных полосовых фильтров 18 и 19 подключены соответственно к выходам детектора 8 и усилителя 16. Выходы фильтров 18 и I9 соединены со входами схемы 20 сравнения, выход которой через интегратор 21 подключен к управляющему входу ре гулир уемо го у силителя. Выходы фильтров 9 и 17 соединены со входами суммирующего усилителя 2, выход которого является выходом устройства. Трансформаторы 4 и 7 размещены в корпусе 23, изготовленном путем заливки эпоксидного компаунда в закрытую форму.

Корпус 23 имеет хорощо обтекаемую форму в виде тора с каплевидным сечением. В вершине конического выступа 24, ось которого параллельна оси тора, расположен микрозлектрод 11, а на образующей - электрод I4. Электрод 11 для уменьшения погрешностей из-за поляризационных явлений выполнен из платиновой проволоки. Соотношение площадей электродов 14 и II преимущественно более 100 с целью практически полного устранения поляризации большего ьч-кгрода lA, ч 14) 110.«нолмет исиольз nai ь н качестве магеригша -электрода 14менее дорогой металл, например титан, и сосредоточить объем измере ния в малой области около электрода 11. Обмотка 13 образована проводш1 ком, соединенным с микроэлектродом 11, и имеет, в частности, один вито Устройство работает следукицим образом. Корпус 23 помещается в поток жид кости, электрическую проводимость к торой необходимо измерять (направлен потока показано стрелками). Под дей ствием синусоидального напряжения, вырабатываемого источником I, в обмотке 5 измерительного трансформатора 7 возникает переменный ток, амппитуда которого прямо пропорциональна осредненному значению УЭП в объеме измерения. Сигнал измерительного трансформатора 7, модулированный по амппитуде, измеряемой проводимостью, поступает на детекто 8, выходное напряжение которого так прямо пропорционально мгновенному значеиию УЭП с учетом эффекта пространствениого осреднения. Аналогич ным образом под. действием напряжения, подводимого с помощью обмотки 13 к ячейке 12 на выходе детектора 15появляется--акплйтудно-модулирова ный сигнал, пропорциональный мгновениому зиачению УЭП в районе микро электрода 1 1. Благодаря высокому пр странствеиному разрешению сигнал на выходе детектора 15 и усилителя 16воспроизводит более высокочастот ные пульсации УЭП с минимальными искажениями составляющих в спектре измеряемой величины. Коэффициент пр образования УЭП в напряжение на выходе усилителя 16 при выбранных пар метрах остальных элементов зависит от состояния поверхности электрода 11 и коэффициента усиления усилителя 16, зависящего, в свою очередь, от напряжения на его управляющем входе. Выходные сигналы детектора 8 и усилителя 16 поступают на входы полосовых фильтров 18 и 19, которые выделяют диапазон частот, являющийся общим для сигналов, поступающих на фильтры 9 и 17. Верхняя гра шчная частота этого диапазона определяется, в основном, конструкцией и геометрическими размерами корпуса 23, а также скоростью набегающего потока: с увеличением скорости потока и уменьшением масштаба пространственного осреднения верхняя граничная частота увеличивается. Дпя того, 41обы полосовые фильтры мОжко было использовать во всем да пазоне возможных скоростей потока, их верхняя граничная частота выбирается из условия . Vmin б где F -верхняя граничная частоте, Гц; минимальная скорость набегакнцего потока, м/с; масштаб пространственного осреднения, м. Например, при .минимальной скорости набегающего потока 5 м/с и масштабе пространственного осреднения 0,25 м верхняя граничная частота должна быть не более 20 Гц. Из этого же условия выбирается граничная частота фильтра 9 нижних частот и равная ей граничная частота фильтра 17 верхних частот,Выбор нижней граничной полосы фильтров 18 и 19 менее критичен. Однако с ее уменьшением увеличиваются габариты фильтров, работающих на инфранизких частотах, уменьшается быстродействие схемы регулирования и увеличиваются шумы, обусловленные процессами, происходящими на границе электрод-жидкость. Поэтому нижняя частота выбирается, преимущественно, в пределах 1-10 Гц. В схеме 20 происходит сравнение сигналов, поступающих с выходов поласовых фильтров 18 и 19, например, по среднеквадратическому значению. Если коэффициенты преобразования пульсаций УЭП на выходе детектора 8 и усилителя 16 равны,сигнал на выходе схемы 20 не появляется, а. выходное напряжение интегратора 21 и коэффициент усиления регулируемого усилителя 16 остаютсй неизменными. В случае изменения чувствительности к пульсациям измеряемой величины сигнал на выходе схемы 20, зависящий от соотношения сигналов на ее входах, вызывает изменение напряжения на выходе интегратора 21, которое в свою очередь, зменяет коэффициент усиления регуируемого усилителя 16. Изменение того коэффициента происходит до тех 78 пор, пока сигнал на выходе схемы 20 НС станет равным нулю, при этом коэффициент преобразования пульсаций навходе фильтра 17 верхних частот равен коэффициенту преобразования на входе фильтра 9 нижних частот, который благодаря бесконтактному методу измерения известен с высокой точностью. После суммирования выходных сигналов фильтров 9 и I7 на выходе усилителя 22 появляется напряжение, мгновенное значение которо го с высокой точностью является прямо пропорциональной функцией от измеряемой УЭП. Таким образом, применение предлагаемого устройства обеспечивает повы шение точности измерения в динамическом режиме. Формула изобретения Кондуктометр, содержащий питающий и измерительный трансформаторы, раз мещенные в диэлектрическом корпусе, жидкостной виток связи,источник пере менного напряжения, подключенный к обмотке питающего трансформатора, и детектор, подключенный к обмотке измерительного трансформатора, о т ли. чающийся тем,что с целью повышения точности измерения,устройство снабжено двухэлектродной измери тельной ячейкой,дополнительньгм детек тором, регулируемым усилителем, фильтрами верхних и нижних частот, 8 а также двумя полосовыми фильтрами, схемой сравнения, интегратором, суммирующим усилителем, причем один электрод измерительной ячейки соединен с одним из выводов источника переменного напряжения, другой вывод источника и второй электрод включены на вход дополнительного детектора, выход которого включен на вход регулируемого усилителя, входы первого и второго полосовых фильтров подключены соответственно к выходам дeтekтopa и регулируемого усилителя, а выходы полосовых 4№льтро8 соединены со -входами схемы сравнения, выход которой через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого усилителя, вход фильтра нижних частот подключен к выходу детектора, а выход соединен со входом суммирующего усшштедя, второй вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот. 2. Кондуктометр по п.1, о т л ичающийся тем, что измерительная ячейка подключена к источнику переменного напряжения с .помощью дополнительной обмотки, размещенной на сердечнике пнтакяцего трансформатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе К. Патен США № 3603873, кл. 324-30, опублик. 1971. 2. Патент США № 3806798, кл. 324-30, опублик, 1974.

//

15

17

19

21

1

/

16

иг. 1