УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ
Полезная модель относится к области измерения электрической проводимости жидкостей, а именно, к конструктивному выполнению средства для измерения электрической проводимости жидкости, действие которого основано на использовании четырех электродов, смонтированных в электроизолированной полости для протока жидкости. Преимущественной областью использования данного устройства для измерения электрической проводимости жидкости является осуществление измерений в океанах и морях на глубинах до 6000 метров. Носителями этих устройств для измерения электрической проводимости воды являются автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) и другие средства подводного применения с автономными источниками электропитания.
Известно устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее четыре электрода, смонтированные в электроизолированной полости для протока жидкости, генератор переменного напряжения и синхронный детектор
Недостатком данного устройства является наличие заметного тока в измерительных цепях, соединенных с потенциальными электродами. При этом нестабильность сопротивления измерительных цепей, соединенных с потенциальными элеетродами, возникающая при загрязнении электродов или изменении температуры, приводит к дополнительному изменению напряжения,
МП К 6 G01 N27/02 G01R27/22
//ff/г
снимаемого с электродов, что снижает точность измерения электропроводности. Кроме того у этого устройства сравнительно большое энергопотребление.
Известно также устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее элею-рически изолированную полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные элеюгроды, дифференциальный усилитель, генератор переменного напряжения, интегрирующий усилитель, синхронный детектор и блок сравнения, выход которого через резистор подключен к первому токовому элекгроду, причем первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен ближе ко второму токовому элекгроду, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому потенциальному электроду, инвертирующий вход подключен ко второму потенциальному электроду, а выход соединен с первым входом блока сравнения, выход генератора соединен со вторым входом блока сравнения и с управляющим входом синхронного детектора, вход интегрирующего усилителя подключен к выходу блока сравнения, а выход соединен с третьим входом блока сравнения ( 2 ). Известное измерительное устройство обеспечивает более высокую точность измерения.
Данное измерительное устройство по функциональному назначению, по своей технической сущности и по достигаемому техническому результату наиболее близко к заявленному устройству для измерения электрической проводимости жидкости.
Основным недостатком известного устройства является повышенное энергопотребление, вызванное прежде всего необходимостью использования вьюокостабильного вторичного источника электропитания (стабилизаторов
напряжения) для обеспечения высокой точности измерений. Кроме того, при работе известного устройства в широком диапазоне рабочих температур и при длительной эксплуатации, появляется заметная дополнительная погрешность измерений, вызванная , прежде всего температурной и временной нестабильностью электронных компонентов генератора и входных цепей блока сравнения , снижающей точность поддержания постоянного уровня переменного напряжения на потенциальных элею-родах. Из-за этого сужается область использования устройства.
В основу полезной модели положена задача разработать аналогичное устройство, не требующее точных стабилизаторов напряжения для своего электропитания и, соответственно, меньше потребляющее электроэнергии при обеспечении высокой точности измерений в течение длительной эксплуатации в широком диапазоне температур, что особенно важно при использовании устройства на морских глубинах до 6000 метров с электропитанием от автономного источника (аккумулятора).
Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения электропроводимости жидкости, содержащее электрически изолированную полость для протока жидкости, в которой смонтированы первый и второй токовые электроды и первый и второй потенциальные электроды, дифференциальный усилитель, генератор переменного напряжения, интегрирующий усилитель, синхронный детектор и блок сравнения, выход которого через резистор подключен к первому токовому электроду, причем первый потенциальный электрод расположен между токовыми электродами ближе к первому, а второй потенциальный электрод расположен ближе ко второму токовому электроду, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к первому
потенциальному электроду, инвертирующий вход подключен ко второму потенциальному электроду, а выход соединен с первым входом блока сравнения, выход генератора соединен со вторым входом блока сравнения и с управляющим входом синхронного детектора, вход интегрирующего усилителя подключен к выходу блока сравнения, а выход соединен с третьим входом блока сравнения, дополнительно введен второй синхронный детектор, управляющий вход которого подключен к выходу генератора переменного напряжения, инвертирующий вход соединен с выходом дифференциального усилителя, а неинвертирующий вход соединен с общим проводом, причем второй токовый электрод соединен с общим проводом, неинвертирующий вход первого синхронного детектора соединен с выходом блока сравнения, а инвертирующий вход первого синхронного детектора соединен с первым токовым электродом.
Как следует иэ описания сущности полезной модели в ней реализован вывод второго выходного сигнала, пропорционального напряжению на потенциальных электродах, который используется для вычисления более точного результата измерения, независимого от точности поддержания напряжения на потенциальных электродах. Это позволило отказаться от использования дополнительных стабилизаторов напряжения для электропитания устройства и заменить прецизионные компоненты генератора переменного напряжения и блока сравнения на менее точные. Кроме того в качестве преобразователя тока в напряжение в модели используется резистор (вместо отдельного активного преобразователя тока в напряжение в устройстве-прототипе), что позволило дополнительно снизить энергопотребление. Мощность энергопотребления полезной модели снизилась по сравнению с прототипом на 50 мВт и составила 150 мВт при измерении электропроводности, соответствующей верхнему пределу диапазона измерений.
На основании изложенного можно заключить, что в целом, вся указанная совокупность существенных признаков как известных, так и отличительных имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков создано менее энергоемкое устройство для измерения электропроводности жидкости и расширена область его использования (в условиях более широкого диапазона рабочих температур и при более длительных межповерочных интервалах) при сохранении точности измерений.
На чертеже приведена функциональная электрическая схема устройства для измерения электрической проводимости жидкости.
Устройство для измерения электрической проводимости жидкости содержит электрически изолированную полость 1 для протока жидкости, в которой смонтированы первый 2 и второй 3 токовые электроды, первый 4 и второй 5 потенциальные электроды. В состав устройства входят также, показанные на чертеже, генератор переменного напряжения 6, блок сравнения 7, резистор 8, первый 9 и второй 10 синхронные детекторы, интегрирующий усилитель 11, дифференциальный усилитель 12. На чертеже дополнительно обозначены первый вход 13, второй вход 14 и третий вход 15 блока сравнения 7. Элеетрически изолированная полость 1 помещена в металлический корпус 16, электрически соединенный с общим проводом. К общему проводу подключены также неинвертирующие входы интегрирующего усилителя 11 и второго синхронного детектора 10. Потенциальные электроды расположены между токовыми, причем первый потенциальный электрод 4 расположен вблизи первого токового электрода 2, а второй потенциальный электрод 5 - вблизи второго токового электрода 3. Питание токовых электродов 2 и 3 переменным током осуществляется с выхода
блока сравнения 7 через резистор 8. Потенциальные электроды 4 и 5 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя 12, к выходу которого подключены вход 13 блока сравнения 7 и инвертирующий вход второго синхронного детектора 10. Управляющие входы синхронных дете сторов 9 и 10, а также вход 14 блока сравнения 7 подключены к выходу генератора переменного напряжения б. Инвертирующий вход интегрирующего усилителя 11 подключен к выходу блока сравнения 7, а выход интегрирующего усилителя 11 соединен со входом 15 блока сравнения. Входы первого синхронного детектора 9 подключены к выводам резистора 8, причем инвертирующий вход соединен с выходом блока сравнения 7, а неинвертирующий вход соединен с первым токовым электродом 2. Выход первого синхронного детектора 9 является основным выходом устройства для измерения электрической проводимости жидкости, в выход второго синхронного детектора 10 служит дополнительным выходом устройства.
Устройство для измерения электрической проводимости жидкости работает следующим образом.
Переменное напряжение прямоугольной формы с выхода генератора 6 подается на вход 14 блока сравнения 7, на другой вход 13 которого поступает сигнал с потенциальных электродов 4, 5 , усиленный дифференциальным усилителем 12. Переменный ток с выхода блока сравнения 7 проходит через резистор 8, токовые электроды 2, 3 и через жидкость, протекающую в полости 1. Благодаря току 1е, протекающему через жидкость между токовыми электродами 2 и 3, на потенциальных электродах 4 и 5 возникает падение напряжения, равное
Re  le/Ge,(1)
f /)
-7 С
где Re, Ge - соответственно электрическое сопротивление и проводимость жидкости между электродами 4 и 5. Благодаря петле глубокой отрицательной обратной связи выход блока сравнения 7 - резистор 8 - токовые электроды и жидкость в полости 1 - потенциальные электроды - дифференциальный усилитель 12 - вход 13 блока сравнения 7 уровень напряжения на потенциальных электродах 4 и 5 поддерживается приблизительно постоянным и равен значению
Ue  Ud / Kd  (),(2)
где Ud - амплитуда напряжения на выходе дифференциального усилителя 12, Ua амплитуда напряжения на выходе генератора 6, Kd - коэффициент усиления дифференциального усилителя 12, К1, К2- коэффициенты передачи соответственно по входу 13 и входу 14 блока сравнения 7. Так как размеры полости 1, расстояния между электродами и размеры электродов являются постоянными, то выражение (1) можно записать в виде
Ue  Ke lg/Ge,(3)
где Ig - ток через первый токовый электрод 2 и резистор 8, Ке - коэффициент, определяющий часть тока Ig, протекающую через жидкость, контактирующую с потенциальными электродами. При этом измеряемая удельная электрическая проводимость G жидкости, протекающей через полость 1, определяется выражением:
G  ,(4)
где Kg - постоянный (конструкционный) коэффициент. Напряжение, пропорциональное току Ig, снимается с резистора 8 и детектируется первым синхронным детектором 9. Сигнал Ug , снимаемый с выхода синхронного детектора 9, является основным выходным сигналом устройства. Оператор преобразования
по основному выходному сигналу устройства для измерения электрической проводимости жидкости с учетом выражений 2, 3, 4 имеет вид: Ug  Kcfli lg R Kcfli R Ud Ge/()  Kcfli R G Ud / ( ), (5) где Ксд1 - коэффициент передачи первого синхронного детеетора 9 , Ud - напряжение, вырабатываемое на выходе дифференциального усилителя 12. Напряжение с выхода дифференциального усилителя 12 детектируется вторым синхронным детектором 10. Напряжение Uk на выходе второго синхронного детектора 10 является дополнительным выходным сигналом устройства и равно
Uk  Ud  Ксд2, где Ксд2 - коэффициент передачи второго синхронного детектора 10.
Результатом измерения служит отношение основного и дополнительного выходных сигналов устройства:
(Ug/Uk)  Ксд1  R  G / ( Ке  Kg  Kd  Ксд2) К  G,(6)
где К  (Ke  Kg  Kd  Ксд2) - постоянный коэффициент (коэффициент чувствительности устройства).
Интегрирующий усилитель 11 служит для устранения постоянной составляющей в переменном напряжении на выходе блока сравнения 7, т.е. для исключения поляризации электродов и связанных с ней гальванических процессов. Сигнал с выхода блока сравнения 7 поступает на инвертирующий вход интегрирующего усилителя 11 и при появлении в этом сигнале постоянной составляющей на выходе интегрирующего усилителя вырабатывается постоянное напряжение такого уровня и знака, при которых эта постоянная составляющая полностью устраняется.
Изменение уровня напряжения Ua на выходе генератора б или коэффициентов преобразования К1, К2 соответственно по входам 13 и 14 блока
сравнения 7 (под воздействием внешних фаеторов) вызовет соответствующее изменение напряжения Ud  Ua K2/K1 на выходе дифференциального усилителя 12 и (см. выражение 5) изменение основного выходного сигнала устройства Ug. Но при этом результат измерения, определяемый выражением (6), не изменится, так как не зависит от уровня напряжения Ud на выходе дифференциального усилителя 12.
Источники информации, принятые во внимание:
1.Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. Современные
методы и средства измерения гидрологических параметров океана. Киев, Наукова думка, 1979, с. 123-125 .
2.Патент США № 5,025,220 , МПК G01 N27/02, 1991, (прототип). Заведующий патентно-лицензионным отделом Института проблем морских технологий ДВО R
// //с В.И. Крон