Устройство для измерения электропроводности жидкости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащее две кондуктометрйческие ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения, подк/1юченный к обмотке трансформатора напряжения , дифференциальный усилитель. вз4оды которого подключены к выход;Ной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединенный с petHCTpaTopoM/ отличающ е е. с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, оно снабжено дополнительным трансформатором Тока, а обмотки измеритель ных трансформаторов тока обеих ячеек включены встречно-параллельно и подключены к входной обмотке дополнительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого выполнена в виде параллельного резонансного контура и соединена с входами дифференциального усилителя, выход коg (Л TotJoro подключен к компенсационной ,обмотке дополнительного трансформаjTopa тока и к синхронному детектору, Iуправляющий вход которого подключен С к источнику переменного напряжения.

„„SU„„1056022 A

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Ц5В G 01 N 27/02

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3237089/18-25 (22 ) 21. 01. 81 (46) 23. 11. 83. Бюл. 9 43 (72 ) A. В. Плошинский, В. Н. Хажуев, В.Б. Балон, В.В. Туренко и A.B.Ãóñåâ (53) 537.311(088.8)

;(56) 1. Лопатин Б.A. Кондуктометрия.

Новосибирск, COAHCCCP 1964, с. 214.

2. Авторское свидетельство СССР .

В 873095, кл. G 01 N 27/02р 1980 (прототип) ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащее две кондуктометрйческие ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения,. подключенный к обмотке трансформатора напряжения, дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выход,:ной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединенный с регистратором, о т л и ч а ющ е е,с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, оно снабжено дополнительным трансформатором тока, а обмотки измеритель ных трансформаторов тока обеих ячеек включены встречно-параллельно и подключены к входной обмотке дополнительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого выполнена в виде параллельного резонансного контура и соединена с входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к компенсационной I обмотке дополнительного трансформа,тора тока и к синхронному детектору, управляющий вход которого подключен к источнику переменного напряжения.

1056022

Изобретение относится к гидрофиэическим измерениям параметров жидкос ти и может быть использовано для исследования тонкой стратификации вод океана, в метрологии в качестве образ-! цового средства для градуировки и по- 5 верки рабочих средств измерения средних значений удельной электрической проводимости (УЭП 1 а также для воспроизведения стандартных растворов методом непосредственного компарирования электропроводности.

Известно устройство для измерения электропроводности жидкости, ос- . нованное на дифференциальном способе с применением двухконтактных измерительных ячеек..Устройство содержит две двухэлектродные измерительные ячейки равных геометрических размеров 1 )

Недостатками устройства являются низкие точность и чувствительность, 20 вызванные .нестабильностью поверхност-. ных контактных явлений на электродах.

Наиболее блиэким по технической .сущности к предлагаемому является1 устройство для измерения электро- 25 проводности жидкости, содержащее две кондуктометрические ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения., подключенный к обмотке транс— форматора напряжения, дифференциальный усилитель, входы которого подклю" чены к выходной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединен-, ный с регистратором (2). фазовые искажения в иэмеригельных трансформаторах, вызванные частич-, ным дифференцированием сигнала, не позволяют в известном устройстве 40 осуществить управление синхронным детектором от источника переменного напряжения. Обеспечение идентичности сдвига фазы в известном устройстве требует развязки выходных цепей из- 45 мерительных трансформаторов ячеек и включения двух идентичных усилителей переменного тока в каждый из каналов. Поэтому каждый из усилителей переменного тока должен иметь динамический диапазон обеспечиваюУ щий прохождение сигнала, соответствующего абсолютной величине среднего значения УЭП жидкостей. Усилители переменного тока, подключенные к измерительным трансформаторам ячеек, имеют большой динамичесКий диапазон, следовательно отношение сигнал/шум определяется не величиной измерения УЭП, а абсолютной величиной сигнала. Поэтому на дифференциальный 60 усилитель приходит сигнал с Коэффициентом шума, соответствующим прохождению через усилители сигнала с боль шим синфаэным уровнем. Чувствитель- ность известного устройства ограни- у чена высоким уровнем шумов усилителей переменного тока с большим динамическим диапазоном, обусловленным прохождением большого синфазного сигнала, и не может быть более

0,03 См/м в диапазоне величин УЭП

3-.10 См/м. Точность устройства ограничена большим динамическим диапазоном сигналов суммы и разности, . которые должны без искажения подаваться на управляющий и сигнальйый входы синхронного детектора. Таким образом, недостатками известного устройства являются ограниченные точность и чувствительность измерений.

Цель изобретения — повышение точности и чувствительности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее две кондуктометрические ячейки с трансформаторами напряжения и измерительными трансформаторами тока, связанными между собой жидкостными витками связи, источник переменного напряжения, подключенный к обмотке трансформатора напряжения, дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходной цепи трансформаторов тока, и синхронный детектор, соединенный с регистратором, дополнительно введен трансформатор, -тока, а обмотки измерительных транс форматоров тока обеих ячеек включены встречно-параллельно и подключены к входной обмотке дополнительного трансформатора тока, вторичная обмотка которого выполнена в виде параллельного резонансного контура и соединена с входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к компенсационной обмотке дополнительного трансформатора, тока. и к синхронному. детектору, управляющий вход которого подключен к источнику переменного напряжения.

При этом обеспечивается прохождение в измерительном тракте устрой ства сигнала, несущего информацию только о разности УЭП жидкости, независимо от абсолютного значения

УЭП жидкости в ячейках, грузить динамический -диапазон усилителей переменного тока и понизить уровень из шумов, обеспечить уси .енйе измвряе !

Moro сигнала по напряжению на пассивном дифференциальном трансформаторе, застабилизировать фазовые соотношения сигналов источника переменного тока напряжения и измерительных трансформаторов и подать на управляющий вход синхронного детектора выходной сигнал источника переменного напряжения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения электропроводности жидкости ° на фиг. 2 — эквивалентная схема соединения измеритель-. ных трансформаторов с входом усили<

1056022 теля (встречно-параллельное включение обмоток трансформаторов ), на фиг. 3 — то же, отдельное подключение каждой обмотки трансформатора к

1 входу усилителя, Устройство содержит источник.1 переменного напряжения, трансформатор 2 напряжения, обмотка 3 которого подключена к источнику 1, две кондуктометрические ячейки 4 и 5 с измерительными трансформаторами б 3Q и 7. Трансформаторы 6 и 7 тока связаны с трансформатором 2 напряжения жидкостными витками 8 и 9. Обмотки 10 и 11 измерительных трансформаторов 6 и 7 соединены параллельно, Компенсационная .обмотка 12 трансформатора 7 через импеданс 13 подключена к задающему источйику 1. Импеданс 13 состоит из конденсатора 14 переменной емкости и переменного высокоомного резистора 15. Дифференциальный трансформатор 16 выполнен на тороидальном магнитопроводе

17. Выходная обмотка 18 трансформатора 16 подключена параллельно обмоткам 10 и 11 трансформаторов 6 и 7.

Вторичная обмотка 19 трансформатора

16 выполнена в виде параллельного резонансного контура 20, совместно с конденсатором 21 и резистором

22, и подключена к входу усилите- 3О ля 23 переменного тока. Выход усилителя 23 через резистор 24 подключен к компенсационной обмотке 25 трансформатора 16 и непосредственно к входу усилителя 26 переменного тока, З5 выход которого соединен с сиг нальным входом синхронного детектора 27, а через масштабный резистор 28 — с обмоткой 12 трансформатора 7 ° Управляющий вход синхронного детектора 27 подключен к задающему источнику 1, а выход — к регистратору 29.

Устройство для измерения электропроводности жидкости работает следующим образом. 45

Ячейки 4 и 5 заливаются жидкостями, например, ячейка 4 — образцовой жидкостью, а ячейка 5 — измеряемой. Генератор 1 переменного напряжения, подключенный к обмотке 3 5О трансформатора 2 напряжения, индуцирует в жидкостных витках 8.и 9 кондуктометрических ячеек 4 и 5 равные по величине ЭДС. Токи в жидкостных витках 8 и 9 пропорциональны величинам УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. Эти токи трансформируются в измерительных трансформаторах . б и 7 в токи обмоток 10 и 11. Обмотки 10 и 11 включены параллельно, поэтому через входную обмотку 18 . ® дифференциального трансформатора

16 протекает ок разности обмоток

10 и 11, т.е. ток, несущий информацию о разности УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. Этот тьк создает на 65 эквивалентном входном сопротивлении трансформатора 16 падение напряжения, которое усиливается трансформатором 16 и с обмотки 19 поступает на вход усилителя 23. С выхода усилителя 23 сигнал поступает на дальнейшее усилие, а также в цепь отрицательной обратной связи трансформатора 16. С выхода усилителя 26 сигнал несущий информацию о разности УЭП жидкостей в ячейках, поступает на сигнальный вход синхронного детектора 27, подключенного к двуполярному регистратору 29, по показаниям которого определяется знак и величина разности УЭП жидкостей. Например, ячейка 4 с жидкостным витком

8 заполнена образцовой жидкостью, а в ячейке 5 требуется воспроизвести этот раствор. По показанию регистратора 29 определяется величина абсолютной ошибки УЭП в приготовленном растворе относительно образцового, и по знаку этой разности принимаются соответствующие решения об изменении концентрации раствора в ячейке 5. Измерения проводятся до тех пор, пока в резуль-тате добавок реактива или разбавле-ния (в зависимости от знака разности ) в ячейке 5 воспроизводится раствор с таким же значением УЭП, как и в ячейке 4. При этом регистратор

29 покажет нулевой отсчет, а стабильность нулевого отсчета не зависит от температуры при применении дифференциального способа измерения.

Кондуктометрические ячейки 4 и 5 с жидкостными витками 8 и 9 выполнены .идентичными (или, например, с возможностью регулировки кондуктометрической постоянной одной из ячеек ) и возбуждаются одним и тем . же трансформатором 2 напряжения.

Поэтому при равных значениях УЭП жид» .костей в ячейках 4 и 5 будут рав(ны и токи в витках 8 и 9 связи,,следовательно не .будет происходить ответвление тока в обмотку 18 трансI форматора 16, т.е. весь ток обмот.— ки 10 трансформатора б будет протекать через обмотку 11 трансформатора 7, так как эти токи будут равны.

Конструктивно ячейки 4 и 5 могут быть изготовлены из материала с высокой теплонроводностью для улучшения теплообмена между жидкостями в витках 8 и 9.

Для обеспечения синфазности напряжения задающего генератора 1 и токов в обмотках 10 и 11 изМерительных трансформаторов б и 7 последние вводятся.в режим глубокого короткого замыкания. При этом параллельное соединение обмоток 10 и 11, при встречном включении, обеспечивает протекание через обе обмотки общей

1056022 си н фаз ной составляющей ток а. Ди фференциальная составляющая тока ответвляется во входную обмотку 18 трансформатора 16 и развивает на входном сопротивлении дифференциального трансформатора 16 синфазное раэ- 5 ностное напряжение, так как все три, обмотки 10, 11 и 18 включены параллельно. Например, при веЛичинах УЭП в ячейках 4 и 5 соответственно 5 См/м и 5,1 См/м синфазная составляющая то- 0 ка трансформаторов б и 7, обусловленная сигналом, соответствующим УЭП

5 См/м будет протекать через обе обмотки 10 и 11 а дифференциальная составляющая, соответствулцая значению

УЭП 0,1 См/м, ответвится во,, вход-! ную обмотку 18 трансформатора 16 иэ обмотки измерительного трансформатора той ячейки, в которой находится жидкоств с большей проводимостью, т.е. 5,1 См/м. Таким образом, в изме-20 рительный тракт, состоящий из диффе- . ренциального трансформатора 16, усилителя 23 и усилителя 26, поступает сигнал, несущий информацию только о величине разности УЭП жидкостей, в 25 ячейках 4 и 5. Поэтому динамический диапазон усилителей 23 и 26 достаточно обеспечить таким, чтобы прохо-. дил сигнал только в пределах измерения разностного (а не абсолютного значения УЭП, .например, в диапазо-. не 0-0,1 См/м, а не в диапазоне.

0-,5,1 См/м, как в известном устройстве. Это значительно уменьшает пРимеРно на два порядка) динамичес- 35 кий диапазон усилителей 23 и 26 и исключает воэможность появления фа- зовых искажений в измерительном тракте, улучшая точность устройст-! ва, Встречно-параллельное включение 40 обмоток 10 и 11 трансформаторов

6 и 7 (фиг. 2) в отличие от отдельного йодключения каждой иэ обмоток к входу усилителя (фиг. 3) как например, в известном устройстве, 45 позволяет получить значительный выигрыш в величине входного напряжения усилителя 23 при тех же и даже лучших условиях согласования.

В самом деле, дпя обеспечения режима короткого замыкания, вторичной обмотки измерительного трансформатора требуется, чтобы, входное сопротивление усилителя (например, трансформируемое через обмотку 18 трансформатора 16 ) было значительно меньше эквивалентного сопротивления обмотки. Критерием согласования является отношение напряжения на входе усилителя к величине тока обмотки трансформатора, с учетом геоме- 60 трических размеров в индуктивности обмотки, влияющее на погрешность трансформации тока. Так. как измерительные трансформаторы 6 и 7 одинаковы в известном устройстве и в у предлагаемом, та при той же величине УЭП жидкостей критерием согласования является величина входного сопротивления усилителя (так как то ки обмоток 10 и 11 в обоих случаях будут теми же), В случае раздельного подключения обмоток. 10 и 11 трансформаторов .б и 7 к входам усилич.елей (фиг. 3) входное напряжение создается током, несущим информацию об абсолютном значении УЭП, например, 5,1 См/м, т.е. током обмотки

10 или 11. В случае же встречнопараллельного включения обмоток

10 и 11 то же значение напряжения вызывается значительно меньшим током, например, соответствующим значению УЭП 0,1 См/м, что позволяет во столько же раз увеличить входное сопротивление усилителя без нарушения условия согласования. При этом во столько же Раэ возрастает полезное входное напряжением т.е. напряжение, несущее информацию о разности УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5. На фиг. 2 обозначены: 3 и Э вЂ” соот о ветственно токи обмоток 10»и 11 трансл форматоров 6 и 7, Рд б — сопротивление, вносимое со стороны измерительного тракта в обмотку 18 трансформатора,16. На фиг,. 3 обозначены: .7„р- ток обмоТки 10 трансформатора

6, Р— входное сопротивление усилителя в случае раздельного подключения измерительных, трансформаторов б и 7 к входам усилителей. Исходя из одинаковых условий согласования, т.е. погрешности трансформации тока, можно представить

10 экв t0 11

Таким образом, без нарушения ме, трологических характеристик в уст ройстве возможно значительное увеличение входного. сопротивления измерительного тракта, а следовательно, и напряжения сигнала, соответствующего информации о, раэностном значении УЭП. Дифференциальный трансформатор тока находится в. режиме ко-: роткого замыкания за счет заведения в компенсационную обмотку 25 через резистор 24 с выхода усилителя 23 сигнала, уравновешивающего ампер-. витки первичной обмотки 18. Разност ные ампер-витки магнитопровода 17,: определяемые глубиной отридатедь.;

,ной обратной. связи трансформатора

16, трансформируются в обмотку 19, создавая на эквивалентном сопротивлении параллельного резонансного контура 20 входное напряжение„ усилителя 23. При этом сопротивление прецизионного резистора 22 значительно меньшЕ собственного сопротивления резонансного контура 20, с целью стабилизации добротнос1056022 ти контура. Поэтому эквивалентное сопротивление контура 20 равно сопротивлению резистора,22 и опреде-, ляется в соответствий с вносимым сопротивлением обмотки 18 (по условию согласованияу коэффициентом трансформации трансформатора 16,и глубиной его .отрицательнОй обратной связи

10 где h — коэффициент трансформации трансформатора 16, A — глубина отрицательной обратной связи трансформатора 16, 5

Входное напряжение усилителя 23 определится как

При этом мйожителв и/A соответствует коэффициенту усиления по напря" жению трансформатора 16 тока, т.е. во сколько раз напряжение на-обмотке 19 выше напряжения на обмотке 18.

Например; при глубине отрицатель» ной обратной связи трансформатора

16 A=2, коэффициенте трансформации п =20 дифференциальный трансформа-.

-тор 16 тока обеспечивает дополнитель- 30 ное усиление сигнала цо напряжению с в 10 раз без нарушения условия согласования измерительных трансформато- . ров 6 и 7. Суммарное увеличение входного напряжения усилителя 23 35 переменного тока в предлагаемом устройстве по сравнению с известным возможно на 2,5 порядка. Это обеспечивает увеличение соотношения сигнал/шум на входе усилителя 23 и увеличивает чувствительность устройства примерно на два порядка. Импеданс

13, состоящий из переменного конденоатора 14.и переменного резистора

15, осуществляет компесацию началь- ° ного уровня наводок, вызванных емкостными и гальваническими утечками ив цепей источника 1 в цепи измерительных трансформаторов 6 и 7. Масштабный резистор 28 включен между выходом усилителя 26 и компенсационной обмоткой 12 трансформатора 7 и служит для нормирования выходного напря" жения усилителя 26, например, при переключении предела измерения раэност ного значения УЭП. К выходу синхронного детектора 27. подключен двуполярный регистратор 29, обеспечивающий, возможность отсчета по величине и знаку разности УЭП жидкостей в ячейках

4 и 5. При нулевом показании регистратора 29 величины УЭП жидкостей в ячейках 4 и 5 равны.

По Сравнению с известным предлагаемое устройство обеспечивает прохождение в измерительном тракте устройства сигнала, несущего информацию только о разности,УЭП жидкости, независимо от абсолютного значения УЭП жидкостей в ячейках, сужение динамического диапазона усилителей переменного тока и понижение уровня их шумов, обеспечение усиления измеряемого сигнала по напряжению на пассивном дифферен.циальном трансформаторе, стабилизацию фазовых соотношений сигналов источника переменного напряжения и измерительных трансформаторов, что, s конечном итоге, приводит к повышению точности и чувствитель,ности измерений.

1056022 экю

Составитель В. Гусева

Редактор Н. Лазаренко Техред iK.КастелВич Корректор Л.Ильин

Заказ 9290/34 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4