КОНДУКТОМЕТР
CONDUCTOMETER

Изобретение относится к технике измерений относительной электрической проводимости и солености жидкостей (например, морской воды) и может быть использовано в метрологии в качестве образцовых средств, а также для измерения активных проводимостей и сопротивлений.
Известен солемер [1], который содержит генератор переменного напряжения, выход которого соединен через аналоговый переключатель с трансформаторным кондуктометрическим преобразователем. Преобразователь состоит из первого, второго и третьего трансформаторов, первого элемента связи, внутри которого имеется полость для заполнения исследуемой или образцовой жидкостью, охватывающего первый и третий трансформаторы, и второго элемента связи, для заполнения исследуемой жидкостью, охватывающего второй и третий трансформаторы. Устройство содержит преобразователь код-напряжение и ток, который соединен с первым выводом обмотки второго трансформатора. Первый вывод третьего трансформатора соединен с усилителем, который последовательно соединен с синхронным детектором и блоком индикации. Выход генератора переменного напряжения соединен с опорным входом синхронного детектора, с опорным входом преобразователя код-напряжение и ток и с первым выводом обмотки первого трансформатора кондуктометрического преобразователя. Выходы одной из обмоток каждого трансформатора соединены с общей шиной. Второй вывод третьего трансформатора соединен с выводом резистора, второй вывод которого соединен с вторым выходом аналогового переключателя.
Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются такие признаки рассматриваемого аналога: генератор переменного напряжения, который подключен к одному из входов кондуктометрического преобразователя на базе трех трансформаторов и двух элементов связи, при этом одна из обмоток каждого трансформатора подключена к общей шине, преобразователь код-напряжение и ток, подключенный к генератору и к одному из входов кондуктометрического преобразователя, усилитель, соединенный с выходом кондуктометрического преобразователя и с входом синхронного детектора, который подключен к преобразователю код-напряжение и ток и связан с устройством индикации.
Этот аналог в определенной степени повышает точность измерения, однако его недостатком является внесение дополнительной погрешности аналогового переключателя и погрешности измерения температуры с помощью жидкостного витка связи с образцовой водой. Солемер не позволяет осуществлять оценку линейности характеристики преобразования во всем диапазоне измерения относительной электрической проводимости (ОЭП) и солености.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является кондуктометр [2], выбранный в качестве прототипа. Он содержит генератор переменного напряжения, подключенный к одному из входов трансформаторного кондуктометрического преобразователя. Преобразователь состоит из первого, второго и третьего трансформаторов, первого элемента связи, охватывающего сердечники первого и третьего трансформаторов, и второго элемента связи, охватывающего сердечники второго и третьего трансформаторов. Устройство содержит подключенный к одному из выводов обмотки третьего трансформатора усилитель, последовательно соединенный с синхронным детектором, блоком управления и устройством цифровой индикации. В состав устройства входит преобразователь код-напряжение, опорный вход которого подключен к одному из выходов генератора, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления и входу устройства цифровой индикации, а выход - к входу масштабного усилителя, выход которого подключен к одной из обмоток второго трансформатора. При этом выход генератора подключен к одной из обмоток первого трансформатора. Другой выход генератора соединен с опорным входом синхронного детектора. Выводы одной из обмоток каждого из трансформаторов кондуктометрического преобразователя соединены с общей шиной устройства.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного технического решения являются: генератор переменного напряжения, выход которого подключен к опорному входу преобразователя код-напряжение и к трансформаторному дифференциальному кондуктометрическому преобразователю, который содержит первый, второй и третий трансформаторы, первый элемент связи, охватывающий сердечники первого и третьего трансформаторов, и второй элемент связи, охватывающий сердечники второго и третьего трансформаторов, при этом первый вывод первой обмотки первого трансформатора соединен с выходом генератора переменного напряжения, опорным входом синхронного детектора и опорным входом преобразователя код-напряжение, выход которого связан с первым выводом первой обмотки второго трансформатора, а управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, первый вывод первой обмотки третьего трансформатора соединен с входом избирательного усилителя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом блока управления, выход которого связан с устройством цифровой индикации, при этом вторые выводы первых обмоток всех трех трансформаторов соединены с общей шиной.
о
п
Суммарная погрешность  измерения относительной электрической проводимости прототипа определяется суммой погрешностей преобразователя код-напряжение  масштабного усилителя  и геометрических постоянных жидкостных витков связи образцовой воды Δ и измеряемой пробы Δ:
Калибровку такого кондуктометра выполняют в двух точках по дистиллированной воде и по образцовой, стандартной (IAPSO STANDARD SEEWATER) воде, выпускаемой только за рубежом. (Проверку линейности характеристики преобразования кондуктометра можно производить в отдельных точках по образцовым водам разной относительной электрической проводимости и солености, которые изготавливают за рубежом по отдельному заказу. По результатам определения нелинейности, для повышения точности измерений, в особенности при прецизионных измерениях, вносят соответствующие поправки на нелинейность). Такой способ является дорогим (одна ампула стандартной воды стоит 150$ США) и не позволяет в полной мере определять нелинейность характеристики преобразования во всем диапазоне измерения.
Недостатком прототипа являются то, что он не обеспечивает требуемой точности во всем диапазоне измерения относительной электрической проводимости и требует значительных эксплуатационных затрат.
В основу изобретения поставлена задача создания кондуктометра, в котором за счет изменения функционального построения узлов электронного блока, а также введения дополнительных элементов, обеспечивается достижение технического результата - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей кондуктометра. Дополнительным техническим результатом является возможность прецизионного измерения активных проводимостей и сопротивлений.
Поставленная задача решается тем, что в кондуктометре, который содержит генератор переменного напряжения, выход которого подключен к опорному входу преобразователя код-напряжение и к трансформаторному дифференциальному кондуктометрическому преобразователю, который содержит первый, второй и третий трансформаторы, первый элемент связи, охватывающий сердечники первого и третьего трансформаторов, и второй элемент связи, охватывающий сердечники второго и третьего трансформаторов, при этом первый вывод первой обмотки первого трансформатора соединен с выходом генератора переменного напряжения, опорным входом синхронного детектора и опорным входом преобразователя код-напряжение, выход которого связан с первым выводом первой обмотки второго трансформатора, а управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, первый вывод первой обмотки третьего трансформатора соединен с входом избирательного усилителя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом блока управления, выход которого связан с устройством цифровой индикации, при этом вторые выводы первых обмоток всех трех трансформаторов соединены с общей шиной, новым является то, что трансформаторный преобразователь содержит первую проводную обмотку связи, между первым и третьим трансформаторами, выводы которой подсоединены к первому клеммнику, и вторую проводную обмотку связи, между вторым и третьим трансформаторами, выводы которой подсоединены ко второму клеммнику, выход преобразователя код-напряжение соединен с первым выводом первой обмотки второго трансформатора непосредственно, управляющий вход преобразователя код-напряжение совместно с выходом блока управления соединены с входом микроконтроллера, выход которого соединен с входом устройства цифровой индикации.
Исключение масштабного усилителя и введение микроконтроллера, позволяющего выполнять масштабирование в цифровом виде, исключает погрешность масштабного усилителя.
Кроме этого, введение дополнительных двух проводных обмоток связи, одна · из которых - между первым и третьим трансформаторами, а другая - между вторым и третьим трансформаторами, дает возможность определять и контролировать нелинейность преобразования кондуктометра во всем диапазоне измерения, что позволяет повысить точность измерения и, дополнительно, производить измерения с высокой точностью активных проводимостей и сопротивлений.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых изображено: фиг. 1 - функциональная схема устройства; фиг. 2 - схема трансформаторного кондуктометрического преобразователя.
Кондуктометр содержит генератор 1 переменного напряжения, выход которого подключен к опорному входу преобразователя 2 код-напряжение (ПКН) и к первому входу трансформаторного дифференциального кондуктометрического преобразователя 3, ко второму входу которого подключен преобразователь 2 код-напряжение.
Трансформаторный кондуктометрический преобразователь 3 включает в себя первый 4, второй 5 и третий 6 трансформаторы. Первый трансформатор 4 (Τ 1) имеет первую обмотку 7, к первому выводу которой подключен выход генератора 1, вторую обмотку 8 и третью обмотку 9. Второй трансформатор 5 (Т 2) имеет первую обмотку 10, к первому выводу которой подключен выход преобразователя 2 код-напряжение, вторую обмотку 11 и третью обмотку 12. Третий трансформатор 6 (Т 3) имеет первую (выходную) обмотку 13, первый вывод которой является выходом преобразователя 3, и вторую, третью, четвертую и пятую обмотки, которые одновременно являются соответственно второй и третьей (8 и 9) обмотками первого трансформатора 4 и второй и третьей (11 и 12) обмотками второго трансформатора 5. То есть, обмотки связи 8 и 9 охватывают первый 4 и третий 6 трансформаторы, а обмотки связи 11 и 12 охватывают второй 5 и третий 6 трансформаторы. Вторые выводы первой обмотки каждого из трансформаторов 4-6 соединены с общей шиной устройства.
Обмотки 8 и 11 представляют собой жидкостные витки связи, выполненные из стеклянных (кварцевых) ячеек, которые схематично представлены на фиг. 2. Причем ячейка 11 заполнена образцовой жидкостью (морской водой), а ячейка 8 -измеряемой пробой. Обе ячейки 8, 11 с трансформаторами 4-6 помещаются в емкость, заполняемую силиконовым маслом с целью выравнивания температур обеих ячеек.
Обмотка связи 9 своими выводами подключена к клеммнику 14 (Кл. 1), а обмотка связи 12 - к клеммнику 15 (Кл. 2). К клеммникам 14, 15 подключают резисторы, магазины сопротивлений с целью проверки линейности характеристики преобразования кондуктометра и использования кондуктометра в режиме измерений активных сопротивлений или проводимостей.
Первый вывод первой обмотки 13 третьего трансформатора 6 подключен к входу избирательного усилителя 16, который последовательно соединен с управляющим входом синхронного детектора 17, блоком управления 18, микроконтроллером 19 и устройством цифровой индикации 20.
Выход блока управления 18 и вход микроконтроллера 19 соединены с первым (управляющим) входом преобразователя код-напряжение 2, второй (опорный) вход которого соединен с выходом генератора 1, с первым выводом первой обмотки 7 первого трансформатора 4 и опорным входом синхронного детектора 17. Предусмотрено необходимое заземление элементов устройства.
Работа кондуктометра при измерении относительной электрической проводимости происходит следующим образом.
Трансформаторный дифференциальный кондуктометрический преобразователь 3 в данном случае представляет собой трансформаторный уравновешивающий мост переменного тока, в котором одно плечо моста образовано первым трансформатором 4 и проводимостью жидкостного витка связи 8, а второе плечо - вторым трансформатором 5 и проводимостью жидкостного витка связи 11. Третий трансформатор 6 представляет собой компаратор токов. В упрощенной форме, без учета комплексности элементов моста, уравнение преобразования такого трансформаторного кондуктометрического преобразователя будет иметь следующий вид.
Так, в витке связи 8 под действием напряжения  генератора 1 протекает ток  равный (с учетом, что количество витков обмотки витка связи 8 равно один):
где:  - число витков первой обмотки 7 первого трансформатора 4;
B.П
R - сопротивление жидкостного витка связи 8 измеряемой пробы.
В витке связи 11 под действием напряжения с выхода ПКН 2 протекает компенсирующий ток 12, равный
где  - коэффициент передачи преобразователя код-напряжение 2;
- число витков первой обмотки 10 второго трансформатора 5;
- сопротивление жидкостного витка связи 11 образцовой воды.
На выходной обмотке 13 третьего трансформатора 6, представляющего собой компаратор тока, получаем разность токов 1! и 12, которая на обмотке 13 преобразуется в напряжение, которое затем усиливается в избирательном усилителе 16 до величины, обеспечивающей нормальную работу синхронного детектора 17 и блока управления 18. В синхронном детекторе 17 осуществляется выделение активной составляющей сигнала и преобразование в напряжение  которое сигнализирует, по изменению полярности выходного сигнала в процессе измерения, о состоянии уравновешивания трансформаторного моста.
Блок управления 18 предназначен для выработки алгоритма уравновешивания трансформаторного моста и формирования по выходному сигналу с синхронного детектора 17 цифрового эквивалента (кода) измеряемого параметра.
1
2
В процессе измерения код последовательно изменяется по заданному, блоком управления 16, алгоритму уравновешивания, например, поразрядного уравновешивания, который поступает на ПКН 2, на выходе которого формируется напряжение компенсации. Последовательным подбором напряжений компенсации, формируемого на выходе ПКН, добиваются равенства токов I и I, тем самым уравновешивая трансформаторный мост:
Подставляем (2), (3) в (4) и получаем следующее уравнение преобразования трансформаторного моста:
В свою очередь, сопротивления  и  жидкостных витков связи связаны с удельной электрической проводимостью (УЭП) жидкостных витков, соответственно, 8 и 11 следующими выражениями:
n
п
где С - УЭП измеряемой пробы при температуре t;
- коэффициент преобразования (геометрический коэффициент формы) жидкостного витка связи (ячейки) с измеряемой пробой;
о
о
где С - УЭП образцовой воды при температуре t;
- коэффициент преобразования (геометрический коэффициент формы) жидкостного витка связи (ячейки) с образцовой водой.
Для обеспечения равенства температур, с целью исключения температурной погрешности измеряемой пробы и образцовой воды  трансформаторный кондуктометрический преобразователь 3 помещают (фиг. 2) в емкость 21, заполненную маслом, с обеспечением тщательного перемешивания масла.
Коэффициент передачи ПКН, как известно, изменяется в процессе измерения от 0 до 1 и равен
где  - соответственно текущее и максимальное значение десятичного кода ПКН. Например, для 17-ти разрядного двоичного кода ПКН  131071.
Подставляя выражение (8) в (7), получаем значение ОЭП измеряемой пробы, прямо пропорциональное коду такого аналого-цифрового преобразователя, работающего на переменном напряжении:
Далее код  поступает на микроконтроллер 19, где осуществляется его преобразование в физическую величину. Для обеспечения вычисления этой физической величины вначале осуществляется операция определения градуировочного коэффициента  Для этого в обе ячейки 8, 11 заливают образцовую воду, то есть,  и при этом значение ОЭП принимают равным  для полученного в результате измерения выходного кодаВ этом случае в микроконтроллере 19 автоматически осуществляется определение градуировочного коэффициента  по которому в дальнейшем вычисляется значение ОЭП:
где  - микропроцессорный коэффициент, учитывающий разные геометрические коэффициенты формы жидкостных витков связи.
По определенному коэффициенту  и определяется физическая величина ОЭП:
Приведенное выше справедливо при идеальной линейной характеристике измерительного тракта - линейности ПКН 2, трансформаторного дифференциального кондуктометрического преобразователя 3. В реальности, в особенности для высокоточных измерений, измерительный тракт обладает дифференциальной нелинейностью, причем по всей шкале измерения.
Для определения нелинейности характеристики преобразования используются введенные обмотки связи 9 и 12. В этом случае из жидкостных витков связи 8 и 11 сливается жидкость, тем самым разрываются эти витки связи. После этого к витку связи 12 посредством клеммника 15 подключается прецизионное образцовое сопротивление (например, С5-61, С2-29, специально отобранные) величиной, близкой к сопротивлению жидкостного витка связи 11 (с образцовой жидкостью), а к витку связи 9 посредством клеммника 14 подключается прецизионный магазин сопротивления или (если точность магазина сопротивления недостаточна) последовательно подключается ряд прецизионных сопротивлений. В этом режиме работа кондуктометра аналогична вышеописанной, и характеристика преобразования для электрического сопротивления, в соответствии с выражениями (5) и (10), будет иметь следующий вид:
где  - образцовое сопротивление;  - измеряемое сопротивление.
Выполнив измерения магазина сопротивления или прецизионных сопротивлений, определяют разность между показаниями кондуктометра и фактическим значением сопротивления:
Эти отклонения и характеризуют отклонение от линейности характеристики преобразования кондуктометра. Таким образом, зная эти отклонения, можно вводить поправки в показания кондуктометра при проведении измерений ОЭП морской воды или аппроксимировать характеристику преобразования ОЭП кондуктометра, выражение (11), полиномом соответствующей степени.
Заявителем проведены испытания, которые показали, что такой способ коррекции результатов измерений позволяет повысить точность измерения в три раза.
Для электрической проводимости характеристика преобразования будет иметь вид:
Использованные источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР № 1599744, опубликовано 15.10.1990, Бюллетень № 38.
2. Авторское свидетельство СССР № 1337821, опубликовано 15.09.1987, Бюллетень № 34 - прототип.