Измеритель сопротивления кондуктометрического датчика Советский патент 1982 года по МПК G01R27/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быт использовано в кондуктометрии при по строении измерителей удельной электрической проводимости растворов, ра ботающих с бесконтактными емкостными кондуктометрическими датчиками. Известен преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников , содержащий источник питания, трансформатор тока с первичной и вторичной обмотками, усилитель, сумматор, управляемый делитель напря жения, фоточувствительный индикатор и измеритель отношения напряжения 1 Недостатком данного преобразователя является то, что значение емкос ти предполагается известным,- таким образом не предусмотрена возможность изменения этого параметра во времени. Наиболее близким техническим решением к изобретению-является преобразователь параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников в напряжения, содержащий формирователь опорного напряжения, задатчик интервала времени, опорный резистор на входе усилителя постоянного тока, в цепь отрицательной обратной связи которого включен исследуемый двухполюсник, представляющий собой последовательное соединение конденсатора и параллельной цепи, состоящей из конденсатора и резистора, два дифференциатора, ограничитель напряжения, два интегратора, ключ, инвертирующий масштабный преобразователь, вычитатель напряжений и сумматор напряжений 2 . Недостатком этого преобразователя является относительно низкая точность преобразования, поскольку преобразование активного сопротивления двухполюсника в напряжение осуществляется в результате последовательного выполнения над выходным сигналом усилителя постоянного тока операций дифференцирования, интегрирования/ вычитания, масштабирования и суммирования; погрешности, обусловленные неидеальностью характеристик и нестабильностью параметров функциональных звеньев, выполняющих указанные операции, накапливаются. .Результирующая погрешность преобразования активного сопротивления двухполюсника в напряжение получается весьма значительной, причем наибольшую погреш-. ность преобразования вносит дифференциатор вследствие ограниченной точности выполнения операции дифференцирования. Кроме того,преобразователь характеризуется сравнительно динамическим диапазоном измерения активного сопротивления двухполюсной цепи, что обусловлено необходимостью априорной установки в задатчике интервала времени Tj,7/6RC(j, требуемого для окончания переходного процесса в измерительной цепи.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель сопротивления кондуктометрического датчика, содержащий усилитель постоянного тока с опорным резистором на входе и емкостным кондуктометрическим датчиком в цепи отрицательной обратной связи, два дифференциатора, два интегратора, вычитатель напряжений, первый ключ, а выход усилителя постоянного тока соединен с последовательно включенными . первым и вторым дифференциаторами,а также с одним из входов вычитателя напряжений дополнительно введены третий дифференциатор, второй вычитатель напряжений, нуль-орган, управляемый делитель напряжения, фильтр нижних частот, второй ключ, дифференциальный усилитель-ограничитель, измеритель временных интервалов, причем выход первого дифференциатора дополнительно соединен с одним из входов второго вычитателя напряжений, выход последнего через последовательно соединенные второй ключ и фильтр нижних частот подключен к управляющему входу управляемого делителя напряжения,вход которого соединен с выходом первого интегратора,выход управляемого делителя напряжения соединен с вторым входом первого вычитателя напряжений и через третий дифференциатор с вторым входом второго вычитателя, выход второго дифференциатора подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей и запускающим входом измерителя временных интервалов, другой вывод опорного резистора, вход первого интегратора, вход измерителя временных интервалов и через второй ключ вход второго интегратора соединены с выходом дифференциального усилителя-ограничителя, один вход которого соединен с выходом первого вычитателя напряжений, а другой вход с выходом второго интегратора.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая, схема измерителя; на фиг, 2 - эквивалентная электрическая схема бесконтактного емкостного датчика, где конденсатор С1 характеризует диэлектрические свойства изоляции электродов, С2 - емкость, обусловленная прлярными свойствами раствора, R - электрическое сопротивление раствора, зависящее от его концентрации.

Измеритель сопротивления кондуктометрического датчика содержит усилитель 1 постоянного тока, опорный резистор 2 сопротивлением R,, емкостно кондуктометрический датчик 3, первый вычислитель 4 напряжений, дифференциатор 5, второй дифференциатор б, второй вычитатель 7 напряжений, першый ключ 8, фильтр 9 нижних частот, управляемый делитель 10 напряжения, первый интегратор 11, третий дифференциатор 12, нуль-орган 13, второй .ключ 14, измеритель 15 временных интервалов, второй интегратор 16, дифференциальный усилитель-ограничитель 17.

На входе усилителя 1 постоянного Тока включен опорный резистор 2, а в цепи отрицательный обратной связи - емкостной кондуктометрический датчик 3. Выход усилителя 1 постоянного тока соединен с одним из входов первого вычитателя 4 напряжений и с входом первого дифференциатора 5, гыход которого соединен с одним из входов второго вычитателя 7 напряжений. Выход последнего через первый ключ 8 и фильтр 9 нижних частот подключен к управляющему входу управляемого Делителя 10 напряжения,включенного на выходе первого интегратора 11. Выход управляемого делителя 10 напряжения соединен с вторым входом первого вычитателя 4 напряжений и через третий дифференциатор 12 с вторым входом второго вычитателя 7 напряжений. Выход второго дифференциатора 6 подключен к. входу нульоргана 13, выход которого соединен с управляющими входами первого .и второго ключей 8 и 14 и запускающим входом измерителя временных интервалов 15, останавливающий вход последнего, опорный резистор 2, вход первого интегратора 11 и через второй ключ 14 второго интегратора 16 соединены с выходом дифференциального усилителя-ограничителя 17, один вход которого соединен с выходом первого вычитателя 4 напряжений, а другой вход с выходом второго интегратора 16 .

Измеритель сопротивления кондуктометрического датчика работает следующим образом.

В установившемся режиме работы дифференциальный усилитель-ограничитель 17 вследствие большого значения его коэффициента-усиления всегда находится в одном из состояний насыщения, причем в моменты смены знака разности напряжений на его входах полярность выходного напряжения EJ скачкообразно изменяется.Предположим, что с выхода дифференциального усилителя-ограничителя 17 снимается напряжение EQ.Это напряжение чер опорный резистор 2 (сопротивление R поступает на вход .усилителя 1 посто янного тока, в цепи отрицательной обратной связи которого включен емкостной кондуктометрический датчик 3, эквивалентная схема которого пре ставляет собой последовательное сое динение конденсатора С1 и параллель ной цепи. Выходное напряжение усилителя 1 постоянного тока поступ ет на один из входов первого вычитателя 4 напряжений. Напряжение Eg с выхода дифференциального усилителя-ограничителя 17 поступает также на вход первого интегратора 11, выходное напряжение которого Е. 1 подается через управляемый делитель 10 напряжения с коэффициентом передачи К на второй вход первого вычитателя 4 напряжений, выходное напря жение которого имеет вид k . . ,. , Л XjjC Ког,. При соответствующем выборе коэффициента передачи К управля емого делителя 10 напряжения напряжение и 5) можно привести к виду V -vi-« При ЪЧбН Со, т.е. практически после окончания переходного процесса в измерительной цепи, напряжение N -- однозначно определяется измеряемым параметром Н. Установку необходимого значения коэффициента передачи К управляемого делителя 10 напряжения осуществл ет замкнутая система автоматического регулирования, включающая в себя первый и третий дифференциаторы 5 и 12, второй вычитатель 7 напряжени первый ключ 8, фильтр 9 нижних частот и управляемый делитель 10 напря жений. Регулировка коэффициента передачи К управляемого делителя 10 напряжения осуществляется по критерию равенства значений крутизны линейно изменяющейся составляющей напряжения на выходе усилителя 1 постоянного тока и линейно изменяющегося напряжения на выходе управляемого делителя 10 напряжения. Значе.ния-крутизны этих напряжений опреде ляются первым и третьим дифференциа орами 5 и 12, выходные напряжения оторых имеют вид Е.С S: ЛГ V (,, о--р.,. , (А-е Ч) RnCf ч ЕО-С ,с,1 при t7, 6R,C KE П.«. Выходные напряжения первого и третьего дифференциаторов 5 и 12 подаются на второй вычислитель7 напряжений. Выходное напряжение последнего при t, 6Н,С, 0. через первый ключ 8 подается на фильтр 9 нижних частот, выходное напряжение которого изменяет коэффициент передачи К управляемого делителя 10 напряжения до тех пор, пока линейно изменяющаяся составляющая напряжения на выходе усилителя 1 постоянного тока не будет полностью скомпенсирована выходным напряжением управляемого делителя 10 напряжения. Это происходит при К этом выходное- напряжение второго вычитателя 7 напряжений V Ш- -V fto. Выходное напряжение фильтра нижнйх частот 9 также равно нулю, и управляемый делитель 10 напряжения сохраняет свой коэффициент передачи К постоянным до тех пор, пока по каким-либо , причинам не изменится значение параметра С1. Момент практического окончания переходного процесса в измерительной цепи (Тд-jGR Cfj) с достаточной точностью фиксируется с помощью дифференциатора б и нуль-органа 13. При этом регулировкой порога срабатывания нуль-органа можно выбирать степень точности определения момента практического окончания переходного процесса. По сигналу нуль-органа 13 открываются первый и второй ключи 8 и 14, а также запускается измери-тель временных интс-рвалов 15. При этом выходное напряжение второго вычитателя 7 напряжений через первый ключ 8 поступает на фильтр 9 нижних частот, и происходит подстройка коэффициента передачи К управляемого делителя 10 напряжения с целью компенсации линейно изменяющейся составляющей выходного напряжения усилителя 1 постоянного тока.Через второй ключ 14 напряжение EQ с выхода дифференциаль ного усилителя-ограничителя 17 посту пает на вход второго интегратору 16. Тем самым формируется развертывающее линейно изменяющееся напряжение -t)- - I 1-У - п а -иа где t, - время интегрирования, отсчитываемое от момента срабатывания нул органа 13. Это развертывающее напряжение поступает на один из входов дифференциального усилителя-ограничителя 17, на другой вход которого подаетс.я напряжение с выхода первого вычитателя 7 Напряжений EoR. В,R- При незначительном превышении раз вертывающим напряжением U Q напряжения Uj,,, т.е. присмене знака разнос ти входных сигналов, выходное напряжение Е g дифференциального усилителя ограничителя 17 скачком изменяет зна на противоположный. Этим сигналом ос танавливается измеритель 15 временных интервалов. Процесс измерения начинается сначала при напряжении другого знака. В дальнейшем все периодически повторяется. Момент изменения знака выходного напряжения диф ференциального усилителя-ограничителя 17 можно определить из равенстваоткуда Измеритель временных интервалов 15 измеряет этот интервал времени, пропорциональный сопротивлению R, т.е. сопротивлению кондуктометрического датчика. Формула изобретения Измеритель сопротивления кондуктометрического датчика, содержащий усилитель постоянного тока с опорным резистором на входе и емкостным кондуктометрическим датчиком в цепи отрицательной обратной связи, два дифференциатора, два интегратора, вычитатель напряжений, первый ключ, а выход усилителя постоянного тока соединен с последовательно включенными первым и вторым дифференциаторами, а также с одним из входов вычитателя напряжений, отличающийс я тем, что, с целью повыпения точности и расширения диапазона измереНий, в него дополнительно введены третий дифференциатор, второй вычитатель напряжений, нуль-орган, управляемый делитель напряжения, фильтр нижних частот, второй ключ, дифференциальный усилитель-ограничитель, измеритель временных интервалов, причем выход первого дифференциатора дополнительно соединен с одним из входов второго вьзчитателя напряжений, выход последнего через последовательно соединенные второй ключ и фильтр нижних частот подключен к управляющему входу управляемого делителя напряжения, вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход управляемого делителя напряжения соединен с вторым входом первого вычитателя напряжений и через третий дифференциатор с вторым входом второго вычитателя напряжений, выход второго дифференциатора подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей и запускающим входом измерителя, временных интервалов, другой вывод опорного резистора, вход первого интегратора, вход измерителя временных- интервалов и через второй ключ вход второго интегратора соединены с выходом дифференциального усилителяограничителя, один вход которого соединен с выходом первого вычитателя напряжений, а другой вход с выходом второго интегратора. Источники информации, принятые во внимание при Экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 519646, кл. G 01 R 27/00,03.01.74. 2.Авторское свидетельство СССР № 493021, кл. Н 03 К 13/20,15.02.73 (прототип).

fPUf. 1

0-0

R1

(риг. 2