УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области электроизмерений и может быть использована для измерения электропроводности жидких сред в различных целях.
Известно устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее генератор синусоидального напряжения, питающий трансформатор с обмоткой возбуждения, измерительный трансформатор с измерительной обмоткой, петлю из электропроводящего материала и замкнутый виток из исследуемой жидкости, охватывающий сердечники обоих трансформаторов, первый и второй пиковый детектор, схему сравнения, усилитель напряжения, измерительную схему, аттенюатор, усилитель мощности, источник опорного напряжения и регулятор, причем петля через первый пиковый детектор, измерительную схему, регулятор и аттенюатор введена в цепь обратной связи генератора, обмотка питающего трансформатора соединена с генератором через усилитель мощности и аттенюатор, а обмотка измерительного трансформатора соединена с измерительным прибором через усилитель напряжения и второй пиковый детектор [Авторское свидетельство РФ №2079851, кл. G01R 27/22].
Для реализации данного устройства требуется особо стабильный регулятор переменного напряжения, который позволяет одновременно поддерживать постоянными амплитуду, форму и частоту генерируемого напряжения. Изменение одного из этих параметров приводит к искажению результатов измерений. Кроме того, сказывается изменение магнитной проницаемости сердечников трансформаторов под действием температуры. Если даже выбрать термостабильный феррит 2000НМ3, то изменение температуры на 1° приведет к изменению магнитной проницаемости на 0,2%, что влияет на индуктивности обмоток, а следовательно на результат измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения электропроводности жидкости, состоящее из генератора синусоидальных сигналов, питающего трансформатора с обмоткой возбуждения, измерительного трансформатора с измерительной обмоткой, замкнутого витка из электропроводящей исследуемой жидкости, фазочувствительного нуль-органа, дополнительных многосекционных компенсационных обмоток с секциями и ключами, магазина проводимостей и схемы управления, причем генератор соединен с обмоткой возбуждения питающего трансформатора, к секциям компенсационных обмоток через ключи подключен магазин проводимостей, к входу которого подсоединена схема управления, которая подключена к фазочувствительному нуль-органу, на вход которого подключены измерительная обмотка измерительного трансформатора и генератор. Ключи, соединяющие магазин проводимостей с секциями компенсационных обмоток, также подсоединены к схеме управления [Патент на полезную модель РФ №122777, кл. G01R 27/22].
Для реализации данного устройства необходим многоразрядный магазин проводимости высокого класса точности, также в данном устройстве невозможно добиться полной компенсации магнитных потоков из-за помех, связанных с наводкой в обмотках трансформаторов. Задачей полезной модели является создание устройства для измерения электропроводности жидкости с достижением следующего технического результата: повышение точности измерения электропроводности жидких сред за счет устранения влияния погрешностей связанных с нестабильностью напряжения и частоты источника питания, магнитной проницаемости сердечников трансформаторов, а также за счет исключения помехи, которая может представлять собой наводку в сердечниках трансформаторов.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в устройство, содержащее генератор синусоидальных сигналов, питающий трансформатор с обмоткой возбуждения, измерительный трансформатора с измерительной обмоткой, замкнутый виток из электропроводящей исследуемой жидкости, схему управления введены управляемый делитель напряжения, образцовая проводимость известной величины, ключ, дополнительные витки, охватывающие питающий и измерительный трансформаторы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислительное устройство. При этом генератор соединен через управляемый делитель напряжения с обмоткой возбуждения питающего трансформатора, к дополнительным виткам через ключ подключена образцовая проводимость известной величины, ключ подключен к схеме управления, которая также подключена к делителю напряжения, АЦП и вычислительному устройству. Измерительная обмотка подключена к АЦП, который, в свою очередь, подключен к вычислительному устройству.
Полезная модель позволяет повысить точность измерений электропроводности жидких сред за счет устранения влияния погрешностей связанных с нестабильностью напряжения и частоты источника питания, магнитной проницаемости сердечников трансформаторов, а также позволяет исключить помеху, которая может представлять собой наводку в сердечниках трансформаторов. На фиг. 1 изображено устройство для измерения электропроводности жидкости, на фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая первый такт работы прибора, на фиг. 3 изображена схема, иллюстрирующая второй такт работы прибора, на фиг. 4 изображена схема, иллюстрирующая четвертый такт работы прибора.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1. Устройство для измерения электропроводности жидкости состоит из генератора 1 синусоидальных сигналов, управляемого делителя 2 напряжения, обмотки 3 возбуждения, питающего трансформатора 4, замкнутого витка 5 из электропроводящей исследуемой жидкости, измерительного трансформатора 6, измерительной обмотки 7, аналого-цифрового преобразователя 8, дополнительных витков 9, 10, ключа 11, образцовой проводимости 12 известной величины, схемы 13 управления, вычислительного устройства 14.
1
г
Устройство работает следующим образом. Напряжение от генератора 1 поступает через управляемый делитель 2 напряжения на обмотку 3 возбуждения питающего трансформатора 4, причем напряжение передается либо с коэффициентом k=1 либо k<1 (U=kU). При этом в жидкостном витке 5 и дополнительном витке 9, 10 наводятся ЭДС. ЭДС, действующая в жидкостном витке 5, вызывает ток, величина которого зависит от электропроводности жидкости, и который индуцирует напряжение в измерительной обмотке 7 измерительного трансформатора 6. ЭДС, действующая в дополнительном витке 9, 10 в зависимости от положения ключа 11 может создавать ток через образцовую проводимость 12, если ключ замкнут, или этот ток равен нулю, если ключ разомкнут.Схема 13 управления позволяет выбрать режим работы делителя 2 напряжения, положение ключа 11, а также управляет работой АЦП 8 и вычислительного устройства 14. Измерение проводится в три такта через короткие промежутки времени t→0. В первый такт коэффициент деления управляемого делителя 2 k=1, напряжение после делителя 2 равно напряжению генератора 1, ключ 11 разомкнут, и ток через него не проходит. АЦП 8 определяет напряжение на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. Во втором такте измерение проводится при коэффициенте деления управляемого делителя 2 k<1, напряжение на возбуждающей обмотке 3 в k раз меньше, чем напряжение генератора 1, ключ 11 разомкнут. АЦП 8 определяет значение напряжения на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. В третьем такте измерение проводится, когда коэффициент деления управляемого делителя 2 k=1, напряжение после делителя 2 равно напряжению генератора 1, ключ 11 замкнут, токи в жидкостном витке 5 и в дополнительном витке 9, 10 имеют одинаковое направление. АЦП 8 определяет напряжение на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. После трех тактов схема 13 управления подает сигнал на вычислительное устройство 14, в котором определяется значение электрической проводимости жидкости в жидкостном витке 5. Рассмотрим работу прибора.
1) Первый такт. Коэффициент деления управляемого делителя k=1. Напряжение после делителя равно напряжению генератора, ключ разомкнут (фиг. 2):
система уравнений, описывающих работу схемы:
г
где U - напряжение источника питания;
21
U - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора в первом такте;
1
I - ток в возбуждающей обмотке питающего трансформатора;
x
I - ток в жидкостном витке;
d
I - ток в дополнительном витке;
1
L - индуктивность возбуждающей катушки;
x
L - индуктивность жидкостного витка;
d
L - индуктивность дополнительного витка;
12
M - взаимная индуктивность возбуждающей обмотки и жидкостного витка;
23
M - взаимная индуктивность измерительной обмотки и жидкостного витка;
14
M - взаимная индуктивность возбуждающей и дополнительного витка;
34
M - взаимная индуктивность измерительной и дополнительного витка;
x
G - проводимость жидкостного витка;
d
G - образцовая проводимость в дополнительном витке;
ω - частота гармонических синусоидальных колебаний.
Решая систему уравнений, получаем, что выходной сигнал, измеряемый вольтметром равен [Иванов, В.В., Латышев, Л.Н. Анализ методов и средств измерения электропроводности жидких сред // Нефтегазовое дело 2013 №2. - Уфа: УГНТУ, 2013. - С. 93.]:
2) Второй такт. Коэффициент деления управляемого делителя k<1. Напряжение на возбуждающей обмотке в k раз меньше чем напряжение генератора, ключ разомкнут (фиг. 3):
система уравнений, описывающих работу схемы:
22
где U - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора во втором такте.
Решая систему уравнений получаем:
3) Третий такт. Коэффициент деления управляемого делителя k=1 Напряжение после делителя равно напряжению генератора, ключ замкнут (фиг. 4):
система уравнений, описывающих работу схемы:
23
где U - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора в третьем такте.
Решая систему уравнений, получим значение выходного сигнала:
Таким образом, получили систему из трех независимых уравнений:
21
22
23
п
При измерении напряжений U, U, U дополнительно действует напряжение помехи U, которое возникает в результате действия внешних электромагнитных полей на сердечники трансформаторов. С учетом помехи система уравнений принимает вид:
такая система имеет единственное решение:
где
k - коэффициент делителя напряжения.
Как видно из выражения , значение измеряемой проводимости зависит только от класса точности выбранных элементов. Данное устройство позволяет повысить точность измерений электропроводности жидких сред за счет устранения влияния погрешностей связанных с нестабильностью напряжения и частоты источника питания, магнитной проницаемости сердечников трансформаторов, а также позволяет исключить дополнительную составляющую, которая может представлять собой наводку в сердечниках трансформаторов.
Также, в отличие от кондуктометра с компенсационными обмотками, отсутствует необходимость в многоразрядном магазине проводимостей высокой точности.