Устройство для измерения проводимости (его варианты) Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

1

Ич1обретение относится к измерениям электрофизических параметров жидкостей и может быть использовано в экспериментальной, гидродинамике для измерений параметров турбулентности, в метрологии в качестве образцового средства для градуировки и поверки рабочих средств измерения средних и пульсационных значений удельной элект рической проводимости (УЭП) .

По основному авт.св. К 777564 известно устройство, содержащее трансформаторный первичный преобразователь с хидкостным витком связи, задающий источник переменного напряжения, измерительный усилитель, синхронный фильтр, канал измерения пульсаций и регистраторы среднего и флуктуационного значений УЭП. В устройстве имеется цепь отрицательной обратной частотно-селективной связи с узкополосным синхронным фильтром и масштабным резистором, охватывающая измерительный усилитель и первичный преобразователь, а также дополнительная цепь компенсации начального квадратурного сигнала. При этом цепь отрицательной обратной частотно-селективной связи осуществляет подавление амплитуды сигнала несущей частоты, пропорциональной величине среднего значения УЭП, на выходе первичного преобразователя происходит изменение соотношения амплитуд сигналов, соответствующих средним и флуктуационным значениям УЭП. Компенсирующая Фазосдвигающая цепочка с конденсатором переменной емкости позволяет снизить начальный уровень нулевого квадратурного сигнала на входе измерительного усилителя 1.

Однако сигнал на выходе узкополос20 ного синхронного фильтра,а, следовательно, и ток в компенсирующей обмотке преобразователя, создающий в магнитопроводе компенсирующее магнитное поле, имеет прямоугольную форму. По397 23этому для суммирования магнитного поля жидкостного витка и магнитного поля компенсации в магнитопроводе трансформатора тока требуется возбуждение преобразователя источником прямоуголь-5 ного напряжения, обеспечивающим полную суперпозицию указанных полей. Кроме того, в силу разного емкостного сопротивления конденсатора для спектра частот, компенсация нулевого квад- Ю ратурного сигнала осуществляется на средней групповой частоте спектра до отличного от нуля минимума, ограничи вающего пороговую чувствительность устройства к среднему значению УЭП. При этом измерительный усилитель дол жен иметь широкую полосу пропуска ния для прохо ; дения основных энергетических гармоник спектра несущей частоты (1-й, 3-й, 5й, 7-й), что соответственно приводит к высокому уровню шумов измерительного усилител ограничивающих точность и чувствител ность измерений по каналу измерения флуктуации УЭП. Применение источника синусоидального напряжения в известном устройстве не представляется воз можным, ввиду появления нескомпенсироаанных гармоник несущей частоты в измерительном тракте, фильтрация которых известными радиотехническими методами в измерительном усилителе н рушает, амплитудно-частотную характеристику и резко ухудшает параметры устройства 2 . Недостатками устройства являются ограниченная точность и чувствительность измерения удельной электрической проводимости. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности измерения значений удельной электрической провод и гюст и. Цель достигается тем, что устройство для измерения проводимости по авт.св. № УУУЗб снабжено многозвенным избирательным полосовым фильтром с плоской характеристикой, включенным 13 цепь отрицательной обратной связи между первичным преобразователем и синхронным фильтром, при этом источник переменного напряжения выполнен а оиде генератора напряжения синусоидальной формы. По второму варианту устройство для измерения проводимости по авт.ев f 77756 снабжено многозвенным избирательным полосовым фильтром с плоской характеристикой, включенным в |цепь отрицательной обратной связи между синхронным фильтром и масштабным резистором, при этом источник пере/генного напря ; ения выполнен в виде генератора напряжения синусоидальной йормы. Это позволяет исключить влияние гармоник несущей частоты, поступающих с синхронного фильтра в цепь частотно-селективной отрицательной обратной связи, повысить глубину обратной с,вязи и улучшить компенсацию нулевого квадратурного сигнала. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства по первому варианту; на фиг. 2 - то же, по второму варианту. Предлагаемое устройство по первому варианту (фиг. 1) содержит трансформаторный первичный измерительный преобразователь 1, аюночающий в себя трансформатор напряжения 2 с обмоткой 3 и трансформатор тока t с выходной обмот ой 5 и обмоткой компенса 1ии 6, связанные между собой жидкости ным витком связи 7; источник синусоидального напряжения 8 для питания преобразователя 1, измерительный усилитель 9 канал измерения пульсаций, состоящий из амплитудного детектора 10, усилителя низкой частоты 11 и регистратора 12, узкополосный синхронный фильтр 13, усилитель переменного тока 1А, масштабный резистор S соединенный с обмоткой компенсации 6 трансформатора тока |, регистратор среднего значения 16, конденсатор переменной емкости 17 включенный между выходом источника 8 и обмоткой компенсации 6, и многозвенный избирательный полосовой фильтр с плоской характеристикой 18, который включен между измерительным усилителем 9 и синхронным фильтром 13. Предлагаемое устройство для измерения проводимости по первому варианту работает следующим образом. Трансформатор напряжения 2, питаемый источником синусоидального напряжения 8, индуцирует ЭДС в витке свяаи 7. При погружении преобразователя 1 в исследуемую жидкость, ток в заполненном витке связи 7 будет пропорционален мгновенному значению УЭП жидкости. С обмотки 5 трансформатора тока k на вход измерительного усилителя 9 поступает сигнал, определяемый разностью ампервитков обмотки 6 и тока в жидкостном витке связи 7. При этом 59 ток D обмотке компенсации 6, создавае мый выходным напряжением усилителя переменного тока , через масштабный резистор 15, не содержит амплитудной модуляции, соответствующей пульсацион ным значениям УЭП, благодаря узкой по лосе пропускания синхронного фильтра 13 (не более 0,5-1- Гц). Такая полоса пропускания синхронного фильтра 13, являющегося апериодическим зве ном первого порядка, обеспечивает рез кую крутизну его фазовой и амплитудной характеристик по сигналу модуляции и формирует напряжение несущей частоты в виде прямоугольной формы. На магнитопровод трансформатора тока k воздействуют два сигна;,а: с одно стороны - синусоидальный ток, создаваемый в витке связи 7 источником 8, а с другой - ток компенсации в обмотке 6, имею1ций прямоугольную форму. На входе измерительного усилителя 9 появляются паразитные нескомпенсированные гармоники несущей частоты, например , , (.), имеющие соответственно уменьшающуюся амплитуду. Модуляция сигнала на выходе обмотки 5 обусловленная флуктупционными значениями УЭП жидкости, присутствует только в основной гармонике, т.е. в синусоидальном, напряжении, амплитуда которой из-за отрицательной обратной связи становится соизмерима с величинами нескомпенсированных 3-й 5-й и гармоник. Наличие в измерительном тракте многозвенного избирательного полосового фильтра с плоской характеристикой 18, синтезированного на основании полиномов Тэйлора, Баттерворта или Чебышева, обеспечивает прохождение только основной гармоники с полным боковым спектром модуляции, вызванной пульсационными значениями УЭП. Благодаря этому, полоса измерительного тракта составляет величину, равную удвоенной полосе частотного диапазона измерения пульсационных значений УЗП (например, 300-1000 Гц) что обеспечивает полное подавление нескомпенсированных гармоник даже при их значительном превышении по величине над сигналом основной частоты т.е. при большой глубине отрицательно частотно-селективной обратной связи. При этом снижаются шумы измерительного тракта, причем по закону, соответствующему сужению его полосы пропускания. Монохроматичность возбуждающего сигнала источника 8 позволяет 66 обеспечить полную компенсацию начального квадратурного уровня на выходе измерительного тракта. В предлагаемом устройстве по второму варианту {фиг. 2) в отличие от решения по первому варианту (фиг.1), многозвенный избирательный полосовой фильтр с плоской характеристикой 18 включен на выходе синхронного фильтра 13 между усилителем переменного тока 1+ и масштабным резистором 15Предлагаемое устройство для измерения проводигюсти по второму варианту работает следующим образогд,. В магнитопроводе трансформатора тока k преобразователя 1 складываотся два магнитных поля: с одной сторо ны поле, создаваемое током жидкостного витка 7, возбуждаемого синусоидальным напряжением источника 8, а с другой - компенсируюи;им током цепи обратной частотно-селективной связи. При этом ток ко(лпенсации в обмотке 6 также синусоидальный, благодаря наличию многозвенного избирательного полосового фильтра с плоской характеристикой 18,включенного между выходом синхронного фильтра 13 (нагруженного на усилитель переменного тока 14} и масштабным резистором 15. Полоса многозвенного фильтра с плоской характеристикой 18 может быть значительно сужена, по сравнению с первым вариантом, так как DO втором варианте через указанный фильтр 18 уже не требуется обеспечение прохожде|Ния сигнала с амплитудной модуляцией. Устройство по второму варианту обеспечивает возможность значительного увеличения (примерно в 10 раз ) глубины обратной частотно-селективной связи при практически полном отсутствии в магнитопроводе трансформатора тока k гармоник несущей частоты. Полоса избирательного многозвенного фильтра 18 может составить 50-200 Гц в зависимости от глубины обратной связи. Устойчивость измерительного тракта обеспечивается узкой полосой синхронного фильтра 13 (о,5-1 Гц), имеющего резкий спад фазовой характеристики по сигналу модуляции. Компенсация начального квадратурного уровня также может быть практически полной, как и в устройстве по первому варианту. Таким образом, предлагаемое техническое решение по первому варианту позволяет повысить точность и чувствительность измерения флукт: ационных значений УЭП (примерно в раз по сравнению с устройством по основному изобретению ) и его целесообразно использовать для изучения турбулентных процессов в экспериментальной гидродинамике . Техническое решение по второму варианту позволяет повысит точность и чувствительность измерения средних значений УЭП (примерно в 2 раза по сравнению с устройством по основному Изобретению и его целесообразно использовать в метрологии для построения образцовых средств измерения, В обоих вариантах решения многозвенный избирательный полосовой фильтр с плоской хара1стеристикой 18 может быть реализован, как активная система, использующая достижения современной микроэлектроники. Был изготовлен макет предлагаемого устройства для измерения проводимости по первому и второму вариантам на основе устройства по основному изобретению. В макете был применен многозвенный избирательный полосовой фильтр с плоской характеристикой, синтезированный по полиномам Баттерворта, рассчитанный на ЭВМ Наири и состоящий из трех звеньев 2-го порядка. Частота источника задающего синусоидального напряжения составляла 16 кГц, полоса пропускания фильтра - 500 Гц с неравномерностью менее 0,5. При этом в устройстве по перво му варианту чувствительность к пульсационным значениям УЭП составила (2-3) X , а погрешность изме .- 10 См/м был рения в диапазоне 10 не хуже 2-3. В макете по второму ва рианту была достигнута чувствительность к среднему значению УЭП 2 х X 10 См/м, а точность измерения в диапазоне 0,1-6 См/м была не хуже 3 8 0,3%. Первый предел измерения был выбран 0,03 См/м. Образцом наилучшей техники для решения поставленной задачи является основное изобратение, обеспечивающее чувствительность к пульсационным значениям УЭП 6 х , а погрешность измерения 5-10. При этом чувствительность к средним значениям УЭП составляет 10 См/м, а точность измерения ограничивается погрешностью 0,5. Лормула изобретения 1.Устройство для измерения проводимости по авт.св. К 77756, о т л и ч аю UI е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерений, оно снабжено многозвенным и бирательным полосовым фильтром с плоской характеристикой, включенным в цепь отрицательной обратной связи между первичным преобразователем и синхронным фильтром, при этом источник пзременного напряжения выполнен в виде генератора напряжения синусоидальной формы. 2.Устройство для измерения проводимости по авт.св. N 77756А, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерений, оно снабжено многозвенным избирательным полосовым фильтром г плоской характеристикой, включенным в цепь отрицательной обратной связи между синхронным фильтром и масштабным резистором, при этом источник переменного напряжения выполнен в виде генератора напряжения синусоид ал ьной формы. Источники информации, принятые во внимание пои экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 77756, кл. G 01 N 27/02, 1978.

Фиг,1