Устройство для измерения электроповодности жидкости Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

1

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано для измерения электропроводности морской воды в гидрофизических исследованиях.

Известно устройство для измерения проводимости, содержащее набор двухэлектродных ячеек 1.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, вследствие погрешностей привязки измерений к пространственным координатам и изменения профиля электропроводности во времени. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие и не позволяет получить данные об измерении профиля электропроводности во времени.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения электропроводности, содержащее чувствительный элемент в виде двухэлектродных ячеек и измерительного блока 2.

Недостатком устройства является невысокая точность и чувствительность измерений.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия процесса измерения электропроводности и расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации поля электропроводности непосредственно датчиком.

Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент устройства выполнен в виде маски из нескольких двухэлектродных ячеек, распределенных и геометрически промодулированных вдоль измеряемого профиля, причем выходы ячеек поданы раздельно на входы измерительно-вычислительного блока.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 - исполнение форм двухэлектродных ячеек по функциям тригонометрического ряда Фурье; на фиг. 3 - то же, по функциям Уолша3Адамара; на фиг. 4 - то же, по функциям Уолша; на фиг. 5 - то же, по функциям Хаара; на фиг. 6 - то же, по функциям Лежандра 1 рода; на фиг. 7 - то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот; на фиг. 8 - то же по импульсным весовым функциям полосовых фильтров пространственных частот; на фиг. 9 - то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве. Устройство содержит (п + 1) парал лельно распределенных в пространстве вдоль траектории измеряемого профиля попарно и симметрично промодулирован ных по константе К (по площади или по расстоянию L между электродами) двухэлектродных ячеек 1в-1,,1| - 1,. ..,1-l . При этом все электроды по даны раздельно на входы измерительно в 1числительного. блока 1. Двухэлектродные ячейки изготовлены так, что константы ячеек промодулиррваны по длине X и изменяются по закону .К, (X) Кгт,%-(Х) i 0,0 (1) где К - максимальная константа двух электродной ячейки,: Pj - i-ая функция, вид которой зависит от целей из мерения. Константа К (Х) двухэлектродной электролитической ячейки определяетс из выражения qi(x). Х| (X) f Kf(x)Xf{x) К)(Х) |.(х)(3 где q-, (X) - погонная проводимость в точке X; Xj - удельная электропроводность в точке X; К-, (Х) - расстоя ние между электродами в точке X; hi(Х) - высота электрода в точке X, при фиксированной ширине (вдоль оси X). . Модуляция величины Kj (X) может осуществляться изменением (X)h|{X) или обоих этих величин одновременно. Для ячеек 1,-1,. ,,,,, Ы ин тегральная проводимость определяется следующим выражением: Gi (X)«Pi(X)d; i O7n (4) Устройство может использоваться для измерения профиля электропроводности вдоль траектории расположе ия чувствительного элемента в среде, а 9 также для измерения пространственно отфильтрованных значений электропроводности в одной или нескольких точках среды. Рассмотрим варианты реализации устройства и его работу при выполнении измерений с этими целями . Если целью измерения является получение профиля электропроводности вдоль неподвижного чувствительного элемента, в качестве р. (Х)| используется система ортонормированных на отрезке СО,Х функций, образующих базис обобщенного ряда Фурье 5-9. В этом случае G(X) Z а, if,(X), (5) где коэффициенты, разложения и определяются из выражений , ±f X 0 Я-, ()f(X)dK f , I; - w -. где G,; - интервальная измеренная проводимость i-ой ячейки. При измерении профиля электропроводности устройство работает следующим образом. Под воздействием электропроводности среды ячейки 1о -Ifiti принимают электропроводность GIX в соответствии с зависимостями (k). Измерительно-вычислительными блоками 1 производится измерение электропроводности Gjx i 0, вычисление коэффициентов а-, по формуле (6). Далее блоком 3 вычисляется профиль электропроводности G(X) на отрезке 0,Х по выражению (5) При использовании устройства для измерения профилей электропроводности с борта научно-исследовательских судов и буйковых станций, положительный эффект, кроме повышения точности, состоит такжег в отсутствии необходимости сканирования среды и применении дистанционной апаратуры для телеметрии и в высоком быстродействии, ограниченном только инерционностью ячеек. Рассмотрим примеры использования различных систем функций при измерении профиля. Если известно, что функция G(X) является периодической и кусочнонепрерывной на бтрезке 0,х, то эффективное среднеквадратическое приближение может быть получено при использовании системы тригонометрических функций ряда Фурье. В этом случае используется (2+1) ячеек константы К{(X) и, соответственно, q,(X промодулированных по функциям профиля электропроводности по форму G(X) ., a, cosf sinl X j i;8) где коэффициенты Q,, b. определяютс no формулам

Наиболее просто реализуются распределенные ячейки с модуляцией погонной проводимости по системам функции Уолша.

В этом случае модуляция проводимое-,, ФУНКЦИИ Уолша-Пэли по выражению ти может осуществляться простым повторением идентичных ячеек. При этом каждая пара электродов изготавливается в соответствии одной из функций Уолша. Положительному значению функции (+t) соответствует наличие электродов, отрицательному (-1) -отсутствие (или наоборот). Поскольку для получения коэффициентов разложения а,- в ряд Уолша необходима модуляция положительными и отрицательными сойтавляющими функции Уолша, то значения коэффициентов qj определяют из выражения 2Gf - G. . где G - интегральная проводимость 0-ой ячейки. Из различных систем функции Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохраняются неизменными при произвольном увеличении порядка. К ним относятся функции Уолша-Адамара (had (h,X)} и собственно Уолша (waW ),

qo(X) waf(0,X) q

(13) qvy(X) (w,X)

М

где waf(w,X) paf (w,., Wt) :W. - двоичные разряды номера w функции собственно Уолша; (р,К) - (10) При использовании функций УолшаАдамара had(h,X)} погонная проводимость датчиков выражается зависимостямиhad(0,X)q qn,had(h,X) гдеп П CcosliXil hi -,(12) t - номер функции Уолша-АдамаXj «0,1 - i-ый разряд двоичного представления точки X на интерг вале О.Х. На фиг. 3 показаны графики модулирующих функций Уолша-Адамара для восьми ячеек. Блок 1 произ.водит измерение элект ропроводности ячеек, и вычисление профиля электропроводности G(X) по формуле (5) при подстановке «f; (X)had(i ,Х) и кoэффиjjlиeнтoв aj по формулам (10) при (,n). При использовании функций собственно Уолша (w,X) погонная электропроводность ячеек выражается зависимостями (фиг. t) .P.П ( раПр.Х) Р - номер функции Уолша-Пэли. На фиг. показаны графики модулирующих функций собственно Уолша для восьми ячеек.. Блок 1 производит измерение электропроводности датчиков G, G;, G и вычисление профиля электропроводности по формуле (5) при .подставке f; (X) waf(i,X) и коэффи14иентов а-, по фо()мулам (10) при 1 0,п Для любых непрерывных профилей G(X) сходящееся разложение может быть получено при использовании функций Хаара fxj, (X) В этом случае погонная электропроводность выражается зависимостями (фиг. 5) qo(X) Х;(Х) q, , q:(X) q,«Xo(X) + qmA, . q.((X) (X)qmJ, где X коэффициент пропорциональности. (0) t/2, X () - VT при ХЕГ.,2Мх L - Х (X) ,остальных точках п 0,1,2 К 1,2...2 На фиг. 5 показаны графики модулирующих функцией Хаари для восьми ячеек. Устройство содержит 2 ,2+ 1 ячеек, одна из которых, 0-ая, не модулирова на. Блок 3 производит измерение электропроводности и вычисление профиля электропроводности С; по формулам (5) при подстановке Р; (Х) и. коэффициентов а, по формулам 2G,- - GP а, -- при i и подстановке G кч При измерении некоторых профилей электропроводности в верхнем слое океана, типичная форма которых хорошо аппроксимируется малым числом членов некоторых полиномов, например полиномов Лежендра 1-г.о рода (рр(Х), целесообразно выполнить модуляцию яч ек по этим полиномам. 8 этом случае погонная электропро водноств ячеек выражается зависимостямиq, (X) Ро(Х) q ,оч q (X) ) q где р,(Х) ,--5Т (х-1) 0;(19 устройство содержит (п+1) ячеек. На фиг. 6 показаны графики модулирующих функций Лежендра 1 рода для восьми ячеек. Блок 3 производит изме Iрение электропроводности и вычисление профиля электропроводно.сти G(X) по формуле (5) при подстановке ЯР; р.,(Х) и коэффициентов а по формуламG,- Са 2 ..2 2 .,2 ,.-) f - целью измерения является получение значения электропроводности в некоторой точке поля Х, причем эт значение должно содержать только отфильтрованные заданным пространствен ным фильтром р; (V) составляющие исходного ПОЛЯ электропроводности среды, то для I-и ячейки в качестве функции hi,(X-X) принимают нормированную импульсную, весовую функцию hi(X-Xo) заданного фильтра, причем h,.(x) -9iM , . Him где q;- (X) - импульсная весовая функция; (q ;) -модуль максимального значения. Для проводимости ячеек в этом случае можем записать „ h,(X-Xo)q,(X)dX (22) h; (X-Xo)dX Поскольку член не.зависит -от измеряемой электропроводности, а определяется только весовой . функцией hj(X) заданного фильтра, т.е. конструктивными параметрами, то /(X-Xo)dX Gn, const. (23) Отфильтрованное значение электропроводности очевидно будет G,j (Х). hj(X-XjQ(X)dX.(2i) о Следовательно, из результатов измерения электропроводностей электропроG;., (X) определится по форводностьмуле G,; (X) G; - Р Таким образом, при измерении электропроводности предложенным устройством возможно осуществлять произвольную фильтрацию пространственных частот ячейкой электропроводности, если проводимость ячейки промодулировать в пространстве по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра. Рассмотрим примеры, иллюстрирующие измерение электропроводности с одновременной фильтрацией в ячейке. При реализации прямоугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированная весовая функция фильтра равна U v V 5Гп2УГ, (Х-Хо) Ь(Х-Хв) 29Fi (Х-Х,) При реализации полосового пространственного фильтра нормированная весовая функция фильтра равна sin2j|F (Х-Х) h,(X-X,) 25tF6(X-X.) Если требуется измерить пространственно отфильтрованные значения электропроводности в точке Xoiii (Х,0 (получить спектр), используется (п+1 распределенных ячеек, погонная проводимость которых промодулирована по функциям q, (X) (X-Xo) Яг(Х) q,7, + qjb.(X-X,) 28 qn(X) ,(X-Xo) где hf(X) - нормированная весовая функция фильтра. На фиг. 7 показаны графики модули рующих проводимостей ячеек по выражению (26) для фильтра низких пространственных частот. Вычитая попарн сигналы с выходов таких ячеек можно получить широкий набор сигналов, отфильтрованных в определенных полосах На фиг. 8 показаны графики модули рующих функций по выражению (27) для полосовых фильтров пространственных частот. В этом случае устройство является анализатором амплитудного про странственного спектра электропроводности. Во всех случаях вычисление отфиль рованных значений электропроводности G;(Xo) производится по формуле (25). Для получения профиля отфильтрованных значений электропроводности Q, (X) ,X вдоль линии X, чувствительный элемент перемещают вдольлинии X. Если требуется одновременно измерить пространственные отфильтрованные значения электропроводности GIJV (Хо) в m точках вдоль линии X, то в многоканальном устройстве используются т групп по п ячеек с моду лированными проводимостями по функциям (фиг. 9 для ФНПЧ). :q,,(X) qn,qn,h, (X - ДХ) Яд (X) qn,(X - ДХ) Я,-п(Х) qmtqmhn:.(X - ДХ). Ча, (X) (X - 2ДХ) q;J(X) q, (X - JAX), где i i,n; j i,m Дх расстояние между точками определения электропроводности по оси. Блоком 1 производится измерение электропроводности G,,ji и вычисление электропроводности по формуле Gyi Gj - Goi - G Для получения непрерывных профилей отфильтрованной электропроводности GK (Х) чувствительный элемент йеобходимо сканировать вдоль оси X в пределах АХ. Измерительно-вычислительный блок 1 производит измерение интегральных про.водимостей GJ ячеек, вычисление коэффициентов разложения и восстановление профиля удельной электропроводности или отфильтрованных значений ее по приведенным выражениям. Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность и быстродействие измерения профиля электропроводности жидкости. Формула изобретения Устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее набор двухэлектродных ячеек, соединенных с измерительным устройством, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия процесса измерения, двухэлект(эодные ячейки геометрически промодулированы по площади электродов и расстоянию между ними по одной из систем обобщенных полиномов Фурье или по весовой функции заданного фильтра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Вершинский А.В., Соловьев А.В. Зонд для исследования поверхностного слоя океана, Океанология, т. XVII вып. 2, 1977. : 2.Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океана, Л. , Гидромет-еоиздат, 197, с. 99-110.

ы IT

Фиг.1

1п

1/«

jj

3-

jj

-1 J

;ь

J

-f

w с

Фне.3

.,

J -J

1);

ij.

L

it

-:

Ь

/,

Фиг.8

J

Фиг.З

J

In

. 1 I Ч.