УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ С РАСШИРЕННЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

Полезная модель относится к способам и устройствам измерения удельной электропроводности водных растворов, конкретней - к кондуктометрическим системам на основе переменного тока.
На сегодняшний день измерение удельной электропроводности водных сред можно разделить на два класса: на постоянном токе и переменном токе низкой частоты.
В основе кондуктометрических устройств, работающих на постоянном токе, лежат двухэлектродные датчики. Их основным недостатком является относительно высокая погрешность, связанная с поляризацией двойных слоев жидкости у электродов, а так же возникающие токи утечки. Для устранения данных недостатков применяют трех и четырех электродные системы (Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений Издательство «Ленинград гидрометеоиздат» М: 1991 С. 35-44), а также электроды специальной формы (RU 2392613, ЕР 1621876).
Основной задачей кондуктометров, работающих на переменном токе, является устранение эффекта поляризации двойных слоев жидкости у измерительных электродов. Существенным недостатком данных устройств является необходимость применения нескольких узкодиапазонных кондуктометров с различным типом измерительных ячеек, либо существенное усложнение измерительной схемы для снижения погрешности. Такие проблемы, в частности, возникают при измерении больших значений удельной проводимости, например, при исследовании морской воды (RU 2312331).
Известно техническое решение (RU 132892), в котором в качестве знакопеременного сигнала используются импульсы напряжения треугольной формы. Недостатком технического решения является относительная сложность схемы. Кроме того, измерители с питанием датчиков переменным током ограничены по точности из-за необходимости применения преобразователя ток-напряжение перед регистрацией или аналого-цифровым преобразованием, который вносит дополнительную погрешность тока.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является высокопроизводительное устройство с пульсирующим датчиком для мониторинга проводимости (P. Sahoo, N. Malathi, К. Praveen, R. Ananthanarayanan, A.D. Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci. Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063/1.3449552). Принято за прототип.
Согласно прототипу, устройство содержит измерительные электроды, включенные в частотозадающую цепь генератора однополярных прямоугольных импульсов на логических элементах, и регистрирующее устройство.
Устройство работает следующим образом: при погружении электродов в исследуемую жидкость изменяется сопротивление в частотозадающей цепи генератора. При этом частота прямоугольных импульсов обратно пропорциональна сопротивлению исследуемой жидкости и прямо пропорциональна ее проводимости. Полученный сигнал без дополнительной обработки подается на регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов, порт персонального компьютера.
Результатом данного технического решения является простота исполнения электронной части схемы, не требующая дополнительных преобразований сигнала для передачи в устройство регистрации и индикации.
Основными недостатками данного технического решения является высокая погрешность измерений в случае близости сопротивления измеряемой жидкости к входному сопротивлению одновибратора за счет применения однополярных импульсов и образования двойного электрического слоя. Образование двойного электрического слоя вызвано тем, что на электродах существует постоянная составляющая напряжения, и среднее значение тока через измерительные электроды за период повторения импульсов отлично от нуля.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерений удельной проводимости жидкостей путем устранения эффекта поляризации двойных слоев жидкости у электродов и повышения входного сопротивления автогенератора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения удельной проводимости жидкостей, как в прототипе, содержит измерительные электроды, генератор, регистрирующее устройство, но отличается тем, что в качестве источника генерируемого сигнала использован генератор знакопеременных прямоугольных импульсов с последующим выделением положительной полярности и подачей сигнала на вход триггера Шмитта, который обеспечивает сохранение формы импульса. Генератор может быть выполнен на операционном усилителе с большим входным сопротивлением.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства для измерения удельной электропроводности водных растворов с расширенным динамическим диапазоном. Здесь 1 - измерительные электроды; 2 - генератор разнополярных прямоугольных импульсов (ГРПИ); 3 - устройство, выделяющее положительную полярность зондирующих импульсов, в качестве которого может выступать диод; 4 - триггер Шмитта; 5 - регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов, или сигнал может сразу подаваться на порт компьютера.
Устройство работает следующим образом.
При погружении электродов в исследуемую жидкость изменяется сопротивление в частотозадающей цепи генератора разнополярных прямоугольных импульсов. При этом частота импульсов обратно пропорциональна сопротивлению исследуемой жидкости и прямо пропорциональна ее проводимости. Применение прямоугольных знакопеременных импульсов позволяет устранить эффект поляризации двойных слоев жидкости у электродов. Далее на устройстве выделения положительной полярности происходит обрезание отрицательной полярности. После этого зондирующий сигнал попадает на вход триггера Шмитта, который служит для предотвращения возможных искажений формы импульса, причем частота генерируемых импульсов не изменяется. Полученный сигнал подается на регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов или порт персонального компьютера. Применение операционного усилителя с большим входным сопротивлением приводит к дополнительному расширению динамического диапазона.
Принципиальная схема устройства представлена на фиг. 2.
Как видно из схемы, здесь в качестве источника генерируемого сигнала использован генератор знакопеременных прямоугольных импульсов 2 с выделением положительной полярности на диоде 3. Сигналы подаются на вход триггера Шмитта 4. Триггер Шмитта обеспечивает сохранение формы импульса. При этом генератор выполнен на операционном усилителе с большим входным сопротивлением. Полученные сигналы с выхода 5 подаются на регистрирующее устройство, например, на персональный компьютер.
Для проверки предложенной полезной модели проведены измерения удельной электропроводности приготовленных стандартных образцов жидкостей по методике, описанной в ГОСТ Р 50.2.021 Эталонные растворы удельной электрической проводимости жидкостей: Методика приготовления и первичной проверки. / ГП «ВНИИФТРИ», - М.: Госстандарт России. - 2002. - 10 с.
Результаты представлены на фиг. 3. Из полученных зависимостей для удельной проводимости видно, что динамический диапазон прототипа ограничен величиной, равной 1,2 мСм/см, тогда как у заявленной полезной модели величина удельной проводимости достигает 70 мСм/см.
Для оценки погрешности измерений были приготовлены стандартные растворы проводимостей по методике, описанной в ГОСТ Р 50.2.021 Эталонные растворы удельной электрической проводимости жидкостей: Методика приготовления и первичной проверки. / ГП «ВНИИФТРИ», - М.: Госстандарт России. - 2002. - 10 с. Полученные результаты представлены в табл. 1, из которой видно, что оцененная относительная погрешность не превышает 2%.
Технический результат - повышение точности и расширение диапазона измерений удельной проводимости жидкостей путем устранения эффекта поляризации двойных слоев жидкости у электродов и повышения входного сопротивления автогенератора.
Библиография:
1. Ковчин И.С.Автономные океанографические средства измерений Издательство «Ленинград гидрометеоиздат» М: 1991 С. 35-44.
2. RU 2392613.
3. ЕР 1621876.
4. RU 2312331 С.
5. RU 132892 U.
6. P. Sahoo, N. Malathi, K. Praveen, R. Ananthanarayanan, A.D. Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci. Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063/1.3449552 (прототип).