Портативный лабораторный кондуктометр для измерения удельной электропроводности жидкостей
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения удельной электропроводности жидкостей с использованием контактных двухэлектродных кондуктометрических ячеек в лабораториях физико-химического анализа. Кондуктометр для измерения удельной электропроводности жидкостей, содержит генератор напряжения треугольной формы, который подключен к нормально разомкнутому контакту переключающего реле, нормально замкнутый и переключающий контакты которого соединены с контактами кондуктометрической ячейки. Вход преобразователя ток-напряжение соединен с нормально замкнутым контактом переключающего реле. Выход преобразователя ток-напряжение соединен с первым устройством выборки-хранения. Выход генератора треугольного напряжения соединен с входом второго устройства выборки-хранения. Выходы первого и второго устройств выборки хранения соединены с входами аналогово-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с микроконтроллером, который подключен к управляющему входу переключающего реле, цепям сброса устройств выборки-хранения и индикаторному устройству. Технический результат: измерение удельной электропроводности малопроводящих жидкостей без предварительной калибровки кондуктометрической ячейки по стандартным растворам. 3 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения удельной электропроводности жидкостей с использованием контактных двухэлектродных кондуктометрических ячеек в лабораториях физико-химического анализа.
Известно устройство для измерения электропроводимости [RU 2024885 C1, МПК5 G01R 27/22, G01R 27/02, опубл. 15.12.1994], содержащее генератор синусоидального напряжения, две клеммы для подключения измерительной ячейки, конденсатор, резистор, фильтр нижних частот, к выходу которого подключен регистратор, усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор с синхронным фильтром и формирователь двух прямоугольных противофазных импульсов напряжения с синусоидального. Выход стабилизированного генератора синусоидального напряжения соединен с входом формирователя двух прямоугольных противофазных импульсов напряжения с синусоидального непосредственно и через конденсатор с первой клеммой для подключения измерительной ячейки. Вторая клемма для подключения измерительной ячейки соединена с входом усилителя напряжения переменного тока непосредственно и через резистор с общей шиной. Выход усилителя напряжения переменного тока соединен с входом фильтра нижних частот через синхронный детектор с синхронным фильтром. Входы управления синхронного детектора соединены с выходами формирователя импульсов.
Недостатком устройства является большая погрешность измерения при удельной электропроводности растворов менее 1×10 -3 См/м, поскольку в этом случае суммарный ток, вызванный паразитной емкостью проводов и геометрической емкостью кондуктометрической ячейки, имеет величину, соизмеримую с током, проходящим через раствор электролита.
Известен кондуктометр для определения удельной электропроводности водных растворов [RU 12253 U1, МПК6 G01N 27/00, опубл. 16.12.1999], выбранный в качестве прототипа, содержащий последовательно соединенные генератор синусоидального напряжения, усилитель, кондуктометрическую ячейку, двухполупериодный выпрямитель, подключенный к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования. К генератору синусоидального напряжения через двухполупериодный выпрямитель подключено образцовое сопротивление, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования.
Это устройство не может быть использовано для измерения малой удельной электропроводности растворов, ввиду большой погрешности, а для ее снижения требуется предварительная калибровка кондуктометрической ячейки по стандартным растворам.
Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств аналогичного назначения.
Предложенный кондуктометр для измерения удельной электропроводности жидкостей, так же, как в прототипе, содержит генератор напряжения, кондуктометрическую ячейку, преобразователь ток-напряжение и аналогово-цифровой преобразователь.
Согласно полезной модели в качестве генератора напряжения выбран генератор напряжения треугольной формы, который подключен к нормально разомкнутому контакту переключающего реле, нормально замкнутый и переключающий контакты которого соединены с контактами кондуктометрической ячейки. Вход преобразователя ток-напряжение соединен с нормально замкнутым контактом переключающего реле. Выход преобразователя ток-напряжение соединен с первым устройством выборки-хранения. Выход генератора треугольного напряжения соединен с входом второго устройства выборки-хранения. Выходы первого и второго устройств выборки хранения соединены с входами аналогово-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с микроконтроллером, который подключен к управляющему входу переключающего реле, цепям сброса устройств выборки-хранения и индикаторному устройству.
Такой кондуктометр позволяет проводить измерения удельной электропроводности малопроводящих жидкостей, так как непосредственно в процессе измерения учитывается суммарный ток, вызванный геометрической емкостью кондуктометрической ячейки и паразитной емкостью соединительных проводов.
Использование предложенного кондуктометра для измерения удельной электропроводности жидкостей не требует проведения трудоемкой и длительной процедуры предварительной калибровки кондуктометрической ячейки по стандартным растворам.
На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема кондуктометра для измерения удельной электропроводности жидкостей.
На фиг.2 показана осциллограмма напряжения на кондуктометрической ячейке при работе кондуктометра для измерения удельной электропроводности жидкостей.
На фиг.3 показана осциллограмма тока, протекающего через кондуктометрическую ячейку, при работе кондуктометра для измерения удельной электропроводности жидкостей.
Кондуктометр для измерения удельной электропроводности жидкостей (фиг.1) содержит генератор треугольного напряжения 1 (Г), выход которого соединен с нормально разомкнутым контактом переключающего реле 2 (Р). Нормально замкнутый и переключающий контакты переключающего реле 2 (Р) соединены с первым и вторым контактом кондуктометрической ячейки 3 (КЯ). Вход преобразователя ток-напряжение 4 (ПТН) соединен с нормально замкнутым контактом переключающего реле 2 (Р). Выход преобразователя ток-напряжение 4 (ПТН) соединен с первым устройством выборки-хранения 5 (УВХ1). Выход генератора треугольного напряжения 1 (Г) соединен с входом второго устройства выборки-хранения 6 (УВХ2). Выходы устройств выборки хранения 5 (УВХ1) и 6 (УВХ2) соединены с входами аналогово-цифрового преобразователя 7 (АЦП), цифровые выходы которого соединены с микроконтроллером 8 (МК), который подключен к управляющему входу переключающего реле 2 (Р) и цепям сброса устройств выборки-хранения 5 (УВХ1) и 6 (УВХ2). Индикаторное устройство 9 (И) подключено к микроконтроллеру 8 (МК).
Генератор напряжения треугольной формы 1 (Г) представляет собой интегратор прямоугольного напряжения на базе операционного усилителя AD8065. В качестве переключающего реле 2 (Р) использовано герконовое переключающее реле типа РЭС 5 5А. Использована двухэлектродная кондуктометрическая ячейка 3 (КЯ) с плоскопараллельными дисковыми электродами из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Преобразователь ток-напряжение 4 (ПТН) выполнен на операционном усилителе с токовой обратной связью AD8014 с резистором в цепи обратной связи и заземленным неинвертирующим входом. Устройства выборки-хранения 5 (УВХ1) и 6 (УВХ2) построены на базе высокоскоростных ключей ADG431, время переключения которых менее 200 не, и двух операционных усилителях AD8066, ток смещения которых не превышает 10 пА. Аналогово-цифровой преобразователь 7 (АЦП) выполнен на микросхеме ADS1115. В качестве микроконтроллера 8 (МК) использован микроконтроллер AtMega32. В качестве индикаторного устройства 9 (И) использован знакосинтезирующий жидкокристаллический индикатор WH1602A.
При включении кондуктометра сигнал напряжения треугольной формы (фиг.2) с выхода генератора 1 (Г) подается на нормально разомкнутый контакт переключающего реле 2 (Р). Микроконтроллер 8 (МК) подает сигнал на управляющий вход переключающего реле 2 (Р), и происходит размыкание нормально замкнутых контактов переключающего реле 2 (
), подключенных к кондуктометрической ячейке 3 (КЯ). В результате переключения реле 2 (Р), кондуктометрическая ячейка 3 (КЯ) подключается к выходу генератора треугольного напряжения 1 (Г) и к входу преобразователя ток-напряжение 4 (ПТН).
Поскольку схема замещения двухэлектродной кондуктометрической ячейки 3 (КЯ) при измерении растворов с малой проводимостью представляет собой параллельное соединение активного сопротивления раствора и геометрической емкости, то выходной сигнал тока имеет вид, изображенный на фиг.3, причем в момент времени /д ток кондуктометрической ячейки 3 (КЯ) имеет скачок, обусловленный током заряда емкости С, который равен
IC=IA-I B=Cu1-Cu2,
где u 1 - скорость нарастания напряжения на нарастающем фронте импульса (до точки излома напряжения tA), В/с;
иг - скорость нарастания напряжения на ниспадающем фронте импульса (после точки излома напряжения tA), В/с;
С - геометрическая емкость кондуктометрической ячейки, Ф.
Выходной ток кондуктометрической ячейки 3 (КЯ) складывается из двух составляющих: тока заряда геометрической емкости ячейки и тока, протекающего через исследуемый раствор. Первое устройство выборки хранения 5 (УВХ1) фиксирует амплитудное значение тока IA, протекающего через кондуктометрическую ячейку 3 (КЯ) и ток в двух любых точках на ниспадающей ветви тока, например, ID и IE. Аналогово-цифровой преобразователь 7 (АЦП) измеряет величину указанных токов I A, ID и IE, и передает сигнал в цифровом коде на микроконтроллер 8 (М), в котором производится вычисление уточненной амплитуды тока I0 по формуле:
где tA - время, соответствующее измерению тока IA, с;
tD - время, соответствующее измерению тока ID, с;
tE - время, соответствующее измерению тока IE, с;
Суть математических вычислений, производимых микроконтроллером 8 (М), состоит в нахождении длины отрезка АВ, которая соответствует разнице токов IА и IB, и дальнейшем вычитании из амплитуды тока I A половины длинны этого отрезка (IA-IB ), которая соответствует току заряда емкости С.Удельная электропроводность вычисляется микроконтроллером по формуле 8 (М):
где UG - амплитуда напряжения на генераторе 1 (Г), измеренная с помощью первого устройства выборки-хранения 6 (УВХ1), В;
К - постоянная кондуктометрической ячейки 3 (КЯ), м-1;
I0 - уточненная амплитуда тока, протекающего через кондуктометрическую ячейку 3 (КЯ), А.
Рассчитанная микроконтроллером удельная электропроводность выводится на индикаторное устройство 9 (И).
Кондуктометр для измерения удельной электропроводности жидкостей, содержащий генератор напряжения, кондуктометрическую ячейку, преобразователь ток-напряжение и аналогово-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в качестве генератора напряжения выбран генератор напряжения треугольной формы, который подключен к нормально разомкнутому контакту переключающего реле, нормально замкнутый и переключающий контакты которого соединены с контактами кондуктометрической ячейки, при этом вход преобразователя ток-напряжение соединен с нормально замкнутым контактом переключающего реле, выход преобразователя ток-напряжение соединен с первым устройством выборки-хранения, выход генератора треугольного напряжения соединен с входом второго устройства выборки-хранения, выходы первого и второго устройств выборки хранения соединены с входами аналогово-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с микроконтроллером, который подключен к управляющему входу переключающего реле, цепям сброса устройств выборки-хранения и индикаторному устройству.
