УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ
DEVICE FOR DETERMINATION OF ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF LIQUIDS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению электропроводности жидких сред и определению по данным электропроводности уровня их солесодержания.
Известны устройства кондуктометрического типа для определения электрической проводимости жидкостей, содержащие кондуктометрический датчик, реализованный в виде одной двухэлектродной измерительной ячейки [Авторское свидетельство СССР №855469, МПК G01N 27/02, 1981 г., авторское свидетельство СССР №1733989, МПК G01N 27/02, 1992 г., патент РФ №2027174, МПК G01N 27/02, 1995 г.].
Общим недостатком указанных устройств является ограниченный диапазон измерения электропроводности, обусловленной использованием одной кондуктометрической ячейки с заранее заданной постоянной ячейки.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения по достигаемому результату выбрано устройство для определения электрической проводимости жидкостей (Кондуктометр «АГАТ-2». Руководство по эксплуатации РЭ 4215-006-27428832-01. www.td-anion.ru/tech/AGAT-2_RE). Известное устройство содержит проточный трехэлектродный кондуктометрический датчик контактного типа, причем один из электродов датчика является центральным, а два других - крайними и образуют с центральным электродом две кондуктометрические ячейки, генератор переменного напряжения и преобразователь выходного сигнала в частоту, подсоединенные к кондуктометрический датчику, микропроцессор, связанный с генератором и преобразователем, и датчик температуры.
Постоянные кондуктометрических ячеек в известном устройстве различаются примерно в 100 раз, что позволяет расширить диапазон измерения электрической проводимости жидкостей по сравнению с устройствами аналогичного назначения, в которых используется одна кондуктометрическая ячейка.
Однако построение в известном устройстве кондуктометрического датчика на основе двух ячеек с фиксированными - хотя и существенно различными - постоянными, не решает полностью задачу создания устройства, способного измерять в широком диапазоне электрическую проводимость жидкостей и, соответственно, определять в широком диапазоне с заданной погрешностью их солесодержание.
Технический результат заявляемого изобретения - расширение диапазона измерения и повышение точности измерения электрической проводимости жидкостей и их солесодержания за счет динамической оптимизации параметров кондуктометрического датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения электрической проводимости жидкостей, содержащем кондуктометрический датчик контактного типа, средства подачи переменного напряжения на электроды датчика, микропроцессор и датчик температуры, в кондуктометрическом датчике один электрод выполнен сегментированным и состоит, по крайней мере, из трех сегментов с различной площадью, а другой электрод выполнен сплошным и является общим для всех сегментов; средства подачи переменного напряжения на электроды кондуктометрического датчика выполнены в виде функционального генератора, содержащего последовательно соединенные интегратор, триггер Шмитта и усилитель, при этом вход функционального генератора соединен с выходом первого коммутатора, а выход связан с входом микропроцессора и сигнальным входом второго коммутатора; первый сигнальный вход первого коммутатора подключен к общему электроду кондуктометрического датчика; первый управляющий выход микропроцессора соединен с входом управления усилителя, а второй и третий управляющие выходы микропроцессора подключены, соответственно, к входам управления первого и второго коммутаторов; первый, второй и третий выходы второго коммутатора подсоединены к упомянутым сегментам электрода кондуктометрического датчика, а датчик температуры включен между четвертым выходом второго коммутатора и вторым сигнальным входом первого коммутатора, при этом кондуктометрический датчик, функциональный генератор и коммутаторы образуют параметрически управляемый автогенератор.
Указанный технический результат достигается также тем, что площади сегментов электрода кондуктометрического датчика соотносятся друг к другу как 1:2:4.
Указанный технический результат достигается также тем, что электроды кондуктометрического датчика имеют цилиндрическую форму.
Указанный технический результат достигается также тем, что выход функционального генератора связан с входом микропроцессора посредством последовательно соединенных согласующего устройства и линии связи протяженностью не менее 100 м.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство снабжено образцовым сопротивлением, один вывод которого соединен с пятым выходом второго коммутатора, а другой вывод подключен ко второму сигнальному входу первого коммутатора.
Изобретение иллюстрируется чертежом. На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство для определения электрической проводимости жидкостей включает кондуктометрический датчик контактного типа, реализованный в виде одной двухэлектродной измерительной ячейки. Электроды указанной ячейки образованы сегментированным электродом 1, состоящим, по крайней мере, из трех сегментов 2, 3 и 4 с различной площадью и сплошным электродом 5, являющимся общим для всех сегментом 2, 3 и 4. Сегменты 2, 3 и 4 расположены на равном расстоянии от общего электрода 5. Количество сегментов может быть более трех.
Соотношение площадей сегментов 2, 3 и 4 может быть различным. В предпочтительном варианте изобретения площади сегментов кондуктометрического датчика соотносятся друг к другу как 1:2:4.
Общий электрод 5 и сегменты 2, 3 и 4 могут иметь, например, цилиндрическую форму. Расстояние между сегментами 2, 3 и 4 может быть различным.
Кондуктометрический датчик характеризуется параметром A, который определяется как отношение площадей электродов 1 и 5 к расстоянию между ними d. В заявляемом устройстве параметр A варьируется.
Таким образом, в заявляемом устройстве кондуктометрический датчик характеризуется не «постоянной», а динамически варьируемым параметром A.
Заявляемое устройство содержит функциональный генератор 6 (генератор сигнала специальной формы), включающий интегратор 7, вход которого является входом генератора 6, триггер Шмитта 8, соединенный своим входом с выходом интегратора 7, и усилитель с переменным коэффициентом усиления 9, сигнальный вход которого подключен к выходу триггера Шмитта 8, а выход является выходом функционального генератора 6. Интегратор 7 может быть выполнен в виде операционного усилителя с конденсатором C в цепи обратной связи и постоянной времени T=RC, где R - сопротивление раствора между электродами кондуктометрической ячейки.
Вход функционального генератора 6 соединен с выходом первого коммутатора 10, первый сигнальный вход которого подключен к общему электроду 5 кондуктометрического датчика. Выход генератора 6 связан с входом микропроцессора 11. Выход генератора 6 может быть подключен к входу микропроцессора 11 посредством последовательно соединенных согласующего устройства 12 и линии связи 13. Согласующее устройство 12 может быть выполнено, например, в виде транзистора, работающего в ключевом режиме. Протяженность линии связи 13 может составлять не менее 100 м.
Выход генератора 6 также соединен с сигнальным входом второго коммутатора 14, вход управления которого подключен к первому управляющему выходу микропроцессора 11. Первый, второй и третий выходы коммутатора 14 подсоединены, соответственно, к сегментам 2, 3 и 4. Второй и третий управляющие выходы микропроцессора 11 подсоединены, соответственно, к входам управления коммутаторов 10 и 14.
Заявляемое устройство содержит датчик температуры 15, вход которого соединен с четвертым выходом коммутатора 14, а выход подключен ко второму сигнальному входу коммутатора 10.
Заявляемое устройство также содержит образцовое сопротивление 16, один вывод которого соединен с пятым выходом коммутатора 14, а другой вывод подключен ко второму сигнальному входу коммутатора 10.
В заявляемом устройстве функциональный генератор 6, коммутаторы 10 и 14 и кондуктометрический датчик с сегментированным электродом 1 и общим электродом 5 образуют параметрически управляемый автогенератор.
max
min
Заявляемое устройство работает следующим образом. Кондуктометрический датчик и датчик температуры 15 погружаются в раствор, солесодержание которого требуется определить путем измерения его электропроводности. Исходная комбинация сегментов 2, 3, и 4 является произвольной. В параметрически управляемом автогенераторе возникают колебания, представляющие собой переменное двухполярное напряжение в форме меандра с частотой в диапазоне (f-f). Диапазон частот переменного двухполярного напряжения выбирается таким образом, чтобы избежать поляризации электродов кондуктометрического датчика.
Между электродами 2, 3, 4, и 5 кондуктометрического датчика, в растворе, в результате подачи на них возбуждающего переменного двухполярного напряжения протекает ток, обратно пропорциональный электропроводности раствора. Интегратор 7 интегрирует входной сигнал, а триггер Шмитта формирует из непрерывного сигнала, поступающего на его вход, двухполярный меандр, являющийся выходным сигналом генератора 6. Сопротивление кондуктометрического датчика является параметром, определяющим частоту двухполярного меандра.
Сигнал с выхода генератора 6 (с выхода усилителя 9) поступает на вход коммутатора 14 и через согласующее устройство 12 и линию связи 13 - на вход микропроцессора 11. Использование протяженной линии связи 11 позволяет располагать микропроцессор, выполняющий управляющие и вычислительные функции на значительном удалении от технологических объектов, содержащих жидкие среды, солесодержание которых требуется измерить. Как следствие, реализуется возможность использования устройства для дистанционного мониторинга параметров жидких сред технологических объектов, находящихся в зонах с повышенной опасностью.
С помощью микропроцессора 11 регулируется амплитуда напряжения на выходе усилителя 9.
Затем коммутатор 10 подключает на вход генератора 6 сигнал с выхода датчика температуры 15 (в этом режиме сигнал с кондуктометрического датчика на входе генератора 6 отсутствует), и микропроцессор 11 рассчитывает электропроводность раствора и определяет его солесодержание с учетом реальной температуры раствора.
max
min
Если частота возбуждающего переменного напряжения выходит за пределы диапазона (f-f), микропроцессор управляет коммутатором 14 таким образом, чтобы включить в работу необходимое число сегментов 2, 3 или 4. При этом могут возникать различные комбинации упомянутых сегментов. Так, сегментированный электрод 1 может быть образован, например, сегментами 2 и 3, 3 и 4, 2 и 4, или всеми тремя сегментами 2, 3 и 4.
При изменении числа включенных в работу сегментов 2, 3 и 4 изменяется площадь сегментированного электрода 1 и, соответственно - параметр датчика А и частота возбуждающего переменного напряжения. В результате посредством изменения частоты возбуждающего напряжения, подаваемого на электроды кондуктометрического датчика, осуществляется динамическая оптимизация параметра датчика А к текущим условиям в растворе, т.е. частота выходного сигнала функционального генератора 6 при данной величине сопротивления R выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемую точность измерений.
Кроме того, процесс динамической оптимизации включает адаптивное изменение амплитуды возбуждающего переменного напряжения путем регулирования выходного сигнала усилителя 9.
Для учета и последующей корректировки влияния температуры на работу функционального генератора 6 используется образцовое сопротивление 16 с заранее известным омическим сопротивлением, слабо зависящим от температуры окружающей среды.
Таким образом, по сравнению с устройством, принятым в качестве ближайшего аналога, заявляемое устройство за счет реализации режима динамической оптимизации параметров кондуктометрического датчика - амплитуды возбуждающего напряжения и площади сегментированного электрода, характеризующего параметр А датчика и, соответственно, частоту возбуждающего напряжения - к текущим условиям в растворе позволяет производить измерения электропроводности и, соответственно, солесодержания жидкостей в более широком диапазоне и с более высокой точностью.