Кондуктометр

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 270677 (21) 2501014/18-25 с присоединением заявки ЙР (23) Приоритет

Опубликовано ЗОЛ 080. Бюллетень М 40

Дата опубликования описания ЗОЛ080

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и откр ыти и (72) Автор изобретения

Э.А.Мельников

Воронежский политехнический институт (71) Заявитель (54) КОНДУКТОМЕТР

Изобретение относится к области физико-химических исследований.

Кондуктометр предназначен для измерения электропроводности растворов в широком диапазоне значений электропроводности и может быть использован в приборах и системах контроля состава смесей, растворов, суспенэий. 10

Известен трансформаторный кондуктометр, состоящий иэ двух трансформаторов, жидкостного витка связи,. генератора, измерительного прибора t1) .

Недостатком известного кондукто- 15 метра является невысокая точность измерения.

Наиболее близким техническим решением является кондуктометр, содержащий два магнитопровода с обмотками, одна из которых соединена с генератором переменного тока, другая приемная — соединена с измерительным прибором (2) .

Недостатком прототипа являются низкая чувствительность измерений, обуслоВленная наличием паразитных наводок входного напряжения на .выходные цепи как в результате прямой электростатической связи между обмотками, так н между проводами в кабеле, низкая разрешающая способность при контроле концентрированных, безводных или слабопроводящих жидкостей, так как в этом случае магнитный поток сигнала в приемной обмотке очень мал и наводимая им

ЭДС оказывается ниже уровня помех и шумов, Цель изобретения — повы ение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в кондуктометр введен генератор возбуждения, имеющий два выхода, один из которых связан с обмоткой возбуждения, контрольный генератор с двумя выходами, соединенный с дополнительной обмоткой, два синхронных детектора, два смесителя, корректирующий измерительный прибор, причем на магнитопроводе с приемной обмоткой расположены возбуждающая и дополнительные обмотки, второй выход генератора возбуждения соединен с первым входом основного смесителя, другой вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход соединен со входом основного детекгора, другой вход которого соединен

775680 с приемной обмоткой, а выход с индикаторным устройством, второй выход контрольного генератора связан со входом вспомогательного смесителя„ второй выход которого связан со входом основного смесителя, второй вход основного смесителя связан со вторым выходом генератора возбуждения, а выход основного смесителя — со входоМ вспомогательного детектора, второй вход которого связан с приемной обмоткой, а выход — c корректирующим индикаторным устройством..

На чертеже изображен предложенный кондуктометр.

Он состоит из первого замкнутого магнитопровода 1, на котором намотана $ передающая обмотка 2, связанная с выходом генератора переменного тока 3 и второго замкнутОго приемного магнитопровода 4. В теле приемного магнитопровода имеются сквозные отверстия 5. 2О с обмотками возбуждения 6, намотанными на участках магнитопровода между внешней поверхностью и поверхностью отверстия. Обмотки возбуждения 6 соединены с выходом генератора возбуждения 7.

На приемном магнитопроводе намотаны контрольная обмотка 8, связанная с выходом контрольного генератора 9, и приемная обмотка 10, связанная со входом усилителей — синхронных детекторов - основного 11 и вспомогательного 12.

Второй выход генератора возбуждения 7 связан со входом основного 13 и вспомогательного 14 смесителей.

Второй выход генератора тока 3 соединен со вторым входом основного смесителя 13, а второй выход контрольного генератора 9 связан со вторым входом вспомогательного смесителя 14. Выход основного смесителя 13 связан со 40 вторым входом основного синхронного детектора 11, а выход вспомогательного смесителя 14 связан со вторым входом вспомогательного синхронного детектора 12, K выходу основного син" хронного детектора 11 подключено индикаторное устройства 15, а к выходу вспомогательного синхронного детектора 12 подключено корректирующее индикаторное устройство 16.

5О

В центральных отверстиях магнитопроводов 2 и 4 находится жидкость

17, электропроводность которой подлежит измерению, образующая виток связи.

Устройство работает следующим 55 образом.

В обмотке 2.кольцевого магнитопровода протекает переменный электрический ток, источником которого является генератор переменного тока 3. Пере-@ менный магнитный поток в кольце 1, обусловленный протеканием по обмотке 2 переменного тока, возбуждает в жидкости по закону электромагнитной индукции переменный ток, величина которого определяется электропроводностью жидкости.

Поскольку жидкость содержится в центральном отверстии приемного магнитопровода 4,то наведенный в жидкости переменный ток возбуждает замкнутый переменный магнитный поток в магнитопроводе 4, который пропорционален величине электрического тока в жидкости. Этот переменный магнитный поток наводит в приемной обмотке

10 ЭДС, величина которой определяется геометрией системы и электропроводностью жидкости.

Таким образом в .выходном сигнале содержится ЭДС, определяемая электропроводностью жидкости и являющаяся полезным сигналом ЭДС, определяемая величиной паразитной наводки и являющаяся сигналом помехи. Поскольку эти

ЭДС одной и той же частоты, то для входных устройств они практически не различимы. Чем больше отношение ЭДС помехи к ЭДС полезного сигнала, тем меньше чувствительность и точность кондуктометра.

ЭДС, определяемая электропроводностью жидкости, имеет частоту, сильно отличающуюся от частоты тока, протекающего через обмотку 2, а следовательно, и от частоты ЭДС помехи, которая совпадает по частоте с током, протекающим в обмотке 2. Входное измерительное устройство настроено на частоту ЭДС, определяемой электропроводностью жидкости. В этом случае

ЭДС помехи, имеющая другую частоту, просто отсекается по частоте и на выходное измерительное устройство не воздействует, вне зависимости.от своей величины.

Такое положение позволяет измерять только чистый сигнал, определяемый электропроводностью жидкости, что значительно повышает чувствительность и точность кондуктометра.

Для преобразования частоты полезного сигнала в кондуктометре используется магнитомодуляционный принцип.

Кольцо 4 имеет два отверстия 5.

Количество сквозных отверстий в кольце 4 принципиальным не является, а определяет .;,лишь суммарный магнито. одуляционный эффект. Вокруг отверстия 5 намотана обмотка возбуждения 6.

При протекании тока через обмотку

6 вокруг отверстия 5 возбуждается замкнутый магнитный поток — поток возбуждения.

Известно, что магнитные материалы являются нелинейными, относительно воздействия на них сильных магнитных полей. Чем больше магнитное поле, воздействующее на материал, тем ниже его магнитная проницаемость.

Таким образом, если величина тока, протекающего через обмотку 6, будет изменяться, то будет изменяться и величина магнитной проницаемости ма775680 териала ферромагнитного кольца 4 в области расположения сквозных отверстий 5. При протекании через обмотки 6 переменного тока возбуждения от генератора возбуждения 7 периодически будет изменяться магнитная проницаемость материала в области отверстий 5. Из-за четности (симметрии кривой зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля возбуждения частота изменения магнитной проницаемости материала в два раза выше частоты тока возбуждения.

При сравнительно небольших токах возбуждения,порядка сотни миллиампер, магнитная проницаемость высокопрони- 15 цаемых марганец-цинковых ферритов изменяется в сотни раэ.

Известно, что магнитное сопротивление участка магнитопровода обратно пропорционально его поперечному се- 20 чению и магнитной проницаемости и пропорционально его длине.

Т.е.

Ф-—

К.

1. (9) Первый член этого выражения магнитный поток, изменяющийся с частотой тока. Это точно такой же поток, который имеет место в обычном трансформаторном кондуктометре. Второй член является членом, имеющим суммарную комбинационную частоту тока в жидкости и удвоенной частоты возбуждения. Третий член является членом комбинационной разностной частоты и т д

Пусть измерительная система настроена на суммарную комбинационную частоту. ЭДС на выходе приемной обмотки 10 будет состоять иа суммы, =- - (1)

SP 25

Общее магнитное сопротивление кольца 4 является суммой магнитных сопротивлений участков с постоянной магнитной проницаемостью и участков с переменной магнитной проницаемостью,3Q расположенных в области отверстий 5.

Магнитное сопротивление магнитопровода 4 " общем виде, на основании (1) может быть записано так:

Ф» 35 н 4 "= " ("Р где Д вЂ” суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода 4, у которых проницаемость остается постоянной; Ю суммарное магнитное сопротивление участков магнитопровода 4, расположенных в области отверстий 5, при токе в обмотке возбуждения, равном нулю, 45 у - проницаемость материала в обtt2 ласти отверстий 5 при токе возбуждения, равном нулю; р()- проницаемость материала в области отверстий 5 как функ- 50 ция тока возбуждения з .

При протекании электрического тока в жидкости 17 через центральное отверстие магнитопровода 4 в нем генерируется замкнутый магнитный поток, 55 напряженность которого по закону полНОГО тОКа, нс2

2. где Н вЂ” напряженность возбуждаемого поля;

Н=К вЂ” 2 (3) з . 40

11 где Ь вЂ” длина средней линии магнитопровода;

К вЂ” коэфФициент пропорциональносTH °

MarHHTHblA поток в магннтопроводе как известно, равен напряженности магнитного поля, деленной на магнитное сопротивление, т.е.

Н

Ф=— (2)

Я

Мь

Представив сопротивление (2) состоящим из двух компонент

Р = Р+%; (5) найдем поток с учетом выражений (3) и (4) — (e)

К1 3

Р +14

Пусть переменный ток в жидкости синусоидален с частотой „, т.е.

3=3 Яп2Ч. t.. (7) Кроме .этого, будем также считать, что

R — есть синусоидальная функция, т.е.

Ь|н2 Е. 2т Ф., (6) где Д вЂ” частота тока возбуждения, тогда (6) может быть преобразовано так

Учитывая очевидное соотношение

Ою

Я и sin47 f -t 0 и= н 8 (: 10) где 6 и А>- постоянные величины; о

М вЂ” постоянный фазовый сдвиг и и -й гармоники.

Перепишем (9) с учетом (10) К1

C2S2

Ф= —:) ЯН2.%$ + I A + A Ун(ъ4 1 С f <+ „)) (1 1) l с

Раскрывая это выражение, получим

Ь= — 2 tA Slt22 L f ° S Sih(2fl(2$ ° f )t °

° is„1+22, «(Z2 (f - )+ % 1 "): (2И

77 . 680 определяемой законам электромагнитной индукции ° =- Р =-275f Ф/ 3 C0S 2Я f .Е—

1 l„ tn 1 (И

-2Z(2g + )А % .) Coo(>K(af +g„) C.% ) - 5

Поскольку было принято, что измерительная система настроена на суммарную частоту 2f +f, то в даль6 11 нейшем будем рассматривать только второй член выражения (13), который и является полезным сигналом. Амплитудное значение полезного сигнала равно

E = 2ЛГ(2.$ f ) А„1Д „" J, (4.)

Как следует из выражения (14), ве-. личина полезного сигнала прямо пропорциональна измеряемому току д„„, который является однозначной функ- 20 цией электропроводности жидкости °

Здесь следует отметить следующее.

Если измерительная система узкаполасна и настроена на частоту 2. в+ f то она не будет реагировать ни на д сигналы с частотой „, ни на сигналы с частотой f 2.f 31 и т.д.

Таким образом, такая система полностью нечувствительна к наводкам как основного измерительного напряжения с частотой f„, так и напряжения возбуждения с частотой $ и его гармоник.

Как известно, наиболее узкополосным устройством является синхронный детектор, который и используется в предложенном устройстве. Однако синхронный детектор может работать только с сигналом, когерентным и равным по частоте опорному напряжению синхронного детектора. 40

Поэтому если детектор должен работать на частоте Хf +fл, то и его опорное напряжение должно иметь эту же частоту. Это достигается следующим образом. Напряжение со второго выхода генератора переменного тока

3 с частотой f поступает на один из входов смесителя 13. Со второго вы.хода генератора возбуждения 7 напряжение удвоенной частоты Х в поступает на второй вход смесителя 13. За счет нелинейного преобразования смесителя в нем образуются гармоники с комбинационными частотами 1f +f„

1 -г и т.п. Выходной фильтр смесиВ 1 теля настроен на частоту%f if„è пропускает на выход напряжение только этой частоты. Это напряжение и является опорным для синхронного детектора 11, Проницаемость магнитбпровода у и зависимость проницаемос- g) ти от тока возбуждения P(4 ) являются также функцией температурй. При изменении температуры магнитопровадов изменяется и выходной сигнал при неизменном токе в электроправодящей жидкости. Кроме того, как и во всяКоМ электронном устройстве, в измерительной схеме могут быть свои нестабильности, повышающие погрешность измерения. Поэтому для выборки этой погрешности введена цепь калибРовки. Ток контрольного генератора

9, протекая через контрольную обмотку 8, создает в магнитопроводе 4 точно известное магнитное поле, напряженность которого точно известна. Это поле также измеряется магнитомодуляционным методом с помощью синхронного детектора 12, смесителя 14 и индикатора 1б. Таким .образом, обмотка

8 служит для калибровки магнитомодуляционного измерительного тракта.

Данный кондуктометр позволяет проводить измерения с более высокой чувствительностью и в более широком диапазоне значений злектрапроводностей.

Формула изобретения

Кондуктометр, содержащий два магнитопровода с обмотками — передающей, связанной с генератором переменного тока, и приемной, связанной с измерительным прибором, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, в него введен генератор возбуждения, имеющий два выхода, один из которых соединен с обмоткой возбуждения, контрольный генератор, имеющий два выхода, один из которых соединен с дополнительной обмоткой,два синхронных детектора — основной и Вспомогательный, два смесителя — основной и вспомогательный, корректирующий измерительный прибор, причем на магнитопроводе с приемной обмоткой расположены возбуждающая и дополнительные обмотки, второй выход генератора возбуждения соединен с первым входом основного смесителя, другой вход

Которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход соединен со входом основного детектора, другой вход которого соединен с приемной обмоткой, а выход с индикаторным устройством, второй выход контрольного генератора связан со входом вспомогательного смесителя, второй вход которого связан с входом основного смесителя, второй вход основного смесителя связан со вторым выходом генератора возбуждения, а выход основного смесителя — со входом вспомогательного детектора, второй вход которого связан с приемной обмоткой, а выход — с корректирующим индикаторным устройством.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лопатин Б.A. Кондуктометрия, Новосибирск, 1964, с. 220.

2. Авторское свидетельство СССР

9 490001, кл. С 01 и 27/02, 1974.

775680

Составитель М. Кривенко техред у.Маточка Корректор Н. Григорук

Редактор Н. Коляда

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

Заказ 7736/60 Тирам 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и.открытий

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