Устройство для измерения удельной электрической проводимости жидкости в условиях повышенной загрязненности

Устройство для измерения удельной электрической проводимости жидкости в условиях повышенной загрязненности
Полезная модель относится к измерению электрофизических параметров жидкостей путем измерения электрической проводимости и может быть использована в системах экологического мониторинга водных бассейнов, при океанологических исследованиях, в экспериментальной гидродинамике и других областях техники, где требуется вести контроль параметров потоков электропроводящих жидких сред.
Известно устройство для измерения параметров электропроводящей жидкой среды (кондуктометр), содержащее контактную измерительную ячейку, подключенную к измерительной цепи, включающей высокочастотный генератор, мостовую схему, дифференциальный детектор, усилитель постоянного тока и регистрирующий прибор (см. авт. свид. СССР № 1223115, МПК G01N 27/06, 1984г.). Устройство содержит также калибратор, а ячейка снабжена дополнительным электродом. Наличие калибратора и дополнительного электрода позволяет осуществлять проверку устройства перед проведением измерений. Однако в процессе измерения коэффициент преобразования устройства не контролируется, что существенно снижает достоверность полученных результатов, в частности, из-за загрязнения поверхности микроэлектрода.
Известен также кондуктометр, содержащий контактную двухэлектродную измерительную ячейку, подключенную к измерительной цепи, включающей регулируемый усилитель (см. авт. свид. СССР № 851241, МПК G01 N 27/02, 1979г.). Кондуктометр содержит кроме этого питающий и измерительный трансформаторы, размещенные в диэлектрическом корпусе, выполненном в виде тора каплевидного сечения с отверстием для протекания исследуемой жидкости, источник переменного напряжения, подключенный к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике питающего трансформатора, и детектор, подключенный к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора. Кроме ЭТОГО кондуктометр содержит также первый и второй полосовые
г о о
т 3 ч 45
МПК GO IN 27/02
фильтры, входы которых подключены соответственно к выходам детектора и регулируемого усилителя, а выходы соединены со входами схемы сравнения, выход которой через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого усилителя.
В кондуктометре в результате сравнения сигналов на выходах полосовых фильтров и управления коэффициентом передачи регулируемого усилителя автоматически поддерживается равенство коэффициентов преобразования канала измерения с контактной измерительной ячейкой и канала с бесконтактным двухтрансформаторным преобразователем, что обеспечивает измерение проводимости с малыми погрешпостями в динамическом режиме и высоким пространственным разрешением. Этот кондуктометр содержит также фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и сумматор. Суммирование сигналов двух каналов позволяет измерять проводимость жидкости в широком диапазопе частот. В кондуктометре высокая точность измерения мелкомасштабных пульсаций проводимости обеспечивается при условии сохранения высоких метрологических характеристик бесконтактного (низкочастотного) канала. Однако в реальных условиях эксплуатации особенно в сильно загрязненных средах и при большой продолжительности измерений возможно загрязнение отверстия для протекания жидкости щепками, мелкой рыбой, водорослями и т.п. При этом па выходе детектора искажаются результаты преобразования как абсолютпого значения измеряемой нроводимости, так и ее спектральных характеристик, что приводит к изменению коэффициента передачи регулируемого усилителя и получению недостоверных результатов измерения мелкомасштабной структуры поля проводимости.
Предлагаемая полезная модель создана для повышения достоверности результатов измерения удельной электрической проводимости жидкости путем исключения регистрации результатов измерения в случае загрязнения отверстия для протекания исследуемой электропроводящей жидкости.
Сущность полезной модели заключается в том, что в кондуктометре, содержащем контактную измерительную ячейку, подключенную к измерительной цепи, включающей регулируемый усилитель, питающий и измерительный трансформаторы, размещенные в диэлектрическом корпусе, выполненном в виде тора каплевидного сечения с отверстием для протекания исследуемой жидкости, источник переменного напряжения, подключенный к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике питающего трансформатора, детектор, подключенный к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора, первый и второй полосовые фильтры, входы которых подключены к выходам соответственно детектора и регулируемого усилителя, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам схемы сравнения, выход которой через интегратор нодключен к управляющему входу регулируемого усилителя, в диффузорной части отверстия для протекания жидкости расположен кольцевой электрод, в устройство введены нервый и второй усилители, первые входы которых соединены с кольцевым электродом с помощью соответственно первого и второго проводников, охватывающих тороидальный сердечник питающего трансформатора, а также последовательно соединенные сумматор, синхронный детектор, детектор абсолютного значения, пороговый блок и индикатор засорения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и компаратор, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а также стробируемый блок и инвертор, при этом выходы первого и второго усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора и дифференциального усилителя, вторые входы первого и второго усилителей и компаратора соединены с шиной нулевого потенциала, с которой соединен корпус кондуктометра, выполненный из электропроводящего материала, а выход порогового блока через инвертор соединен с управляющим входом стробируемого блока, включенного на выходе измерительной цепи. При этом в результате изменения конструкции диэлектрического корпуса и введения новых электронных блоков и электрических связей, выявляется наличие постороннего предмета в конфузорной части отверстия для протекания жидкости, приводящее к нарушению параметров кондуктометра, отключается выход измерительной цепи от регистрирующего прибора и индицируется факт засорения, что приводит к исключению регистрации недостоверных результатов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема предлагаемого кондуктометра;
на фиг. 2 - конструкция части устройства, расположенной непосредственно в исследуемом потоке;
на фиг. 3 - пример выполпения схемы сравнения;
на фиг. 4 - вариант конструкции диэлектрического корпуса;
на фиг. 5 - вариант построепия выходной цепи кондуктометра.
Предлагаемый кондуктометр содержит контактную измерительную ячейку (ИЯ) 1, подключенную к измерительной цепи (ИЦ) 2, регулируемый усилитель (РУ) 3 с управляемым (регулируемым) коэффициентом передачи, источник (Ист) 4 переменного синусоидального напряжения низкой или ультразвуковой частоты, подключепный к первичной обмотке 5, расположенной на ферромагнитном тороидальном сердечнике 6 питающего трансформатора 7, детектор (Д) 8, подключенный к выходной обмотке 9, расположенной на ферромагнитном тороидальном сердечнике 10 измерительного трансформатора 11 (фиг. 1). Кондуктометр содержит также идентичные первый и второй полосовые фильтры (ПФ) 12 и 13, входы которых соединены с выходами соответственно детектора 8 и усилителя 3, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам схемы (СС) 14
сравнения, выход которой через интегратор ( J ) 15 подключен к управляющему входу усилителя 3. В диэлектрическом корпусе 16, выполненном в виде тора каплевидного сечения, соосно этому корпусу размещены питающий и измерительный трансформаторы 7 и 11 (фиг. 2). В диффузорной (расширяющейся) части отверстия 17 для протекания исследуемой жидкости соосно этому отверстию расположен кольцевой электрод 18, выполненный преимущественно из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды, например, титана. Электрод 18 расположен преимуществепно таким образом, чтобы сопротивление участков объемного электролитического проводника, образуемого при погружении корпуса 16 в исследуемую жидкость, справа и слева от электрода 18 были приблизительно равны между собой.
Контактная измерительная ячейка 1 выполнена, в частности, в виде конического выстуна 19, ось которого параллельна оси тора. В вершине выступа 19 расположен микроэлектрод 20, а на образующей - электрод 21. Электрод 20 для уменьшения погрешности из-за поляризационных явлений выполнен преимущественно из платиновой проволоки. Соотношение площадей электродов 21 и 20 преимущественно более 100 с целью практически полного устранения поляризации больщего электрода 21, что позволяет использовать в качестве материала электрода 21 менее дорогой и дефицитный металл, например, титан или нержавеющую сталь, и сосредоточить объем измерения в малой области, прилегающей к электроду 20. Ячейка 1 может быть расположена отдельно от корпуса 16 (фиг. 4).
Кондуктометр содержит два усилителя 22 и 23 с высоким входным сопротивлением (фиг. 1). По меньшей мере один из этих усилителей должен иметь регулировку коэффициента усиления для выравнивания сигналов на выходах усилителей в нормальных условиях. Первые входы усилителей 22 и 23 с помощью проводников 24 и 25 соединены с электродом 18. Проводники 24 и 25 охватывают сердечник 6 трансформатора 7. Проводник 24 может охватывать и сердечник 10 (см. фиг. 4), что при высоком входном сопротивлении усилителей 22 и 23 не влияет на работу устройства. Кондуктометр содержит последовательно соединенные сумматор (X ) 26, синхронный детектор (СД) 27, детектор (Д) 28 абсолютного значения, пороговый блок (ПБ) 29 и индикатор (Инд) 30 засорения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель (ДУ) 31 и компаратор (К) 32. Выходы первого и второго усилителей 22 и 23 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 26 и дифференциального усилителя 31. Вторые входы усилителей 22, 23 и компаратора 32 соединены с шиной нулевого потенциала, с которой соединен корпус 33, выполненный из электропроводящего материала. Конструкция корпуса, в котором расположен электронный блок, не имеет значения для достижения технического эффекта. На выходе измерительной цепи 2 включен стробируемый блок (СБ) 34. Выход порогового блока 29 через инвертор (Инв) 35 соединен с унравляющим входом стробируемого блока 34. Измерительная цепь 2 содержит, в частности, генератор (Г) 35 высокой частоты, нодключенный к нитающей диагонали мостовой схемы 36, в одно из плеч которой через конденсатор 37 нодключена измерительная ячейка 1 и полевой транзистор 38. К измерительной диагонали мостовой схемы 36 последовательно подключены дифференциальный детектор (ДЦ) 39, усилитель (УНТ) 40 постоянного тока, усилитель 3 с управляемым коэффициентом передачи. Выход усилителя 40 через интегратор ( J) 41 соединен с затвором нолевого транзистора 38. В общем случае измерительная цепь 2 может быть выполнена и по другим известным схемам, например, приведенной в описании изобретения по авт.свид. СССР № 859960 МПК G 01 N 27/02, 1979г. Стробируемый блок 34 может быть выполнен в виде стробируемого усилителя, стробируемого аналого-цифрового цреобразователя, управляемого ключа, реле с нормально разомкнутыми контактами или иного устройства, сигнал на выходе которого появляется при наличии сигнала на его управляющем входе. Индикатор 30 засорения может быть выполнен в виде светодиода, индикаторной лампочки, подсвечиваемого табло или другого известного средства. Схема 14 сравнения выполнена, в частности, в виде двух разнополярных детекторов 42 и 43, входы которых являются входами схемы 14, а выходы соединены со входами сумматора 44, выход которого является выходом схемы 14 (фиг. 3). В общем случае блок 14 может быть выполнен и по другим схемам, например, в виде двух однополярных детекторов и дифференциального усилителя. Для повышения точности и уменьшения времени переходных процессов в схему 14 сравнения могут вводиться усилители с автоматической регулировкой, коммутаторы и другие элементы и блоки (см., например, авт. свид. СССР N° 1029062, МПК G 01 N 27/02, 1981г.). Схемы всех электронных блоков хорошо известны и приведены, например, в книге Проектирование и применение операционных усилителей. Под ред. Дж. Грэма. М.: Мир, 1974г, 510с. УДК.621.375.1473. Предлагаемый кондуктометр работает следующим образом. AX 9J/3//4l: рять (направление нотока на фиг. 2 ноказано стрелками). Под действием синусоидального напряжения, вырабатываемого источником 4, в объемном жидкостном витке 45 возбуждается напряжение и протекает ток, амплитуда которого пропорциональна проводимости жидкости. Жидкостный виток 45 на фиг. 1 показан условно ограниченным. В действительности границы витка 45 неопределенны, и в его образовании участвует весь объем жидкости, окружающей корнус 16. Ток, протекающий в витке 45, возбуждает в обмотке 9 сигнал, пропорциональный проводимости жидкости, а на выходе детектора 8 появляется напряжение, мгновенное значение которого пропорционально проводимости жидкости с учетом эффекта пространственного осреднения. Одновременно на концах нроводников 24 и 25 индуцируются напряжения, которые усиливаются усилителями 22 и 23. При отсутствии в конфузорной части посторонних предметов и идеальных параметрах элементов схем напряжения на выходах усилителей 22 и 23 равны по амплитуде и противоположны по фазе. Сигнал на выходе усилителя 31, пропорциональный сумме амплитуд на его входах, преобразуется блоком 32 в прямоугольные коммутирующие импульсы, управляющие работой синхронного детектора 27. После суммирования равных по амплитуде и противоположных по фазе напряжений сигналы на выходах сумматора 26, синхронного детектора 27, детектора 28 абсолютного значения и порогового блока 29 равны нулю. На выходе инвертора 35 появляется сигнал, который включает стробируемый блок 34. При этом индикатор 30 засорения выключен. При использовании реальных усилителей и элементов между сигналами на выходах усилителей 22 и 23 возникают донолнительные фазовые сдвиги. Однако использование синхронного детектора 27, управляемого коммутатором 32, практически исключает погрешности из-за фазовых сдвигов. Поэтому и в случае дополнительных фазовых сдвигов между сигналами на выходах усилителей 22 и 23 нри равенстве амплитуд сигналы на выходах блоков 27, 28, 29 равны нулю, а блок 34 транслирует сигнал измерительной цепи 2 на выход кондуктометра. напряжение, пропорциональное суммарной проводимости электролитического проводника, расположенного между электродами 20 и 21, и канала нолевого транзистора 38. Это напряжение детектируется и усиливается блоками 39 и 40, ноступает на входы усилителя 3 и интегратора 41. Если мостовая схема 36 не сбалансирована, напряжение на выходе усилителя 40 не равно нулю. Напряжение на выходе интегратора 41 и проводимость канала нолевого транзистора 38 изменяются до тех пор, пока амплитуды напряжений на входах дифференциального детектора 39 не станут равными между собой. При этом напряжение на выходе усилителя 40 равно нулю. Аналогичным образом автоматически осуществляется балансировка мостовой схемы при любых медленных изменениях проводимости жидкости в районе микроэлектрода 20. При флуктуациях проводимости жидкости относительно среднего значения проводимость канала нолевого транзистора 3 8 не изменяется, так как интегратор 41 не реагирует на быстрые изменения сигнала на своем входе. При этом на вход усилителя 3 поступает сигнал, пропорциональный флуктуациям контролируемого параметра, с минимальными искажениями высокочастотных составляющих в спектре измеряемой величины. Коэффициент преобразования проводимости в напряжение на выходе усилителя 3 при выбранных параметрах остальных элементов зависит от состояния поверхности электрода 20 и коэффициента нередачи усилителя 3, зависящего, в свою очередь, от напряжения на его управляющем входе. Выходные сигналы детектора 8 и усилителя 3 поступают на входы полосовых фильтров 12 и 13, которые выделяют диапазон частот, являющийся общим для сигналов на выходах детектора 8 и усилителя 3. Верхняя граничная частота этого диапазона онределяется в основном конструкцией и геометрическими размерами корпуса 16, а также скоростью набегающего потока: с увеличением скорости и уменьшением масштаба нространственного осреднения верхняя граничная частота увеличивается. Для того, чтобы полосовые фильтры можно было использовать во всем диапазоне возможных скоростей потока, их верхняя граничная частота выбирается из условия v где РВ - верхняя граничная частота, Гц; MviHH - минимальная скорость набегающего нотока, м/с; о - масштаб иространственного осреднения, м. Например, при минимальной скорости набегающего потока 5 м/с и масштабе пространственного осреднения 0.15 м верхняя граничная частота должна быть не более 33 Гп. Выбор нижней граничной частоты фильтров 12 и 13 менее критичен. Однако с ее уменьшением увеличиваются габариты фильтров, работающих на инфранизких частотах, уменьшается быстродействие схемы регулирования. Поэтому нижняя частота выбирается преимущественно в пределах 1-10 Гц. В схеме 14 происходит сравнение сигналов, поступающих с выходов полосовых фильтров 12 и 13, в частпости, по средневыпрямленному значению. Если коэффициенты преобразования пульсаций электрической проводимости на выходе усилителя 3 и детектора 8 равны, сигнал на выходе схемы 14 не появляется, а выходное напряжение интегратора 15 и коэффициент передачи усилителя 3 остаются неизменными. В случае изменения чувствительности к пульсациям измеряемой величины сигнал на выходе схемы 14, зависящий от соотношения сигналов на ее входах, вызывает изменение напряжения на выходе интегратора 15, которое, в свою очередь изменяет коэффициент передачи усилителя 3. Причем, если сигнал на выходе полосового фильтра 13 превыщает сигнал на выходе фильтра 12, коэффициент передачи усилителя 3 уменьшается, в нротивном случае коэффициент передачи усилителя 3 увеличивается. Изменения этого коэффициента происходят до тех пор, пока сигнал на выходе схемы 14 не станет равным нулю. При этом коэффициент преобразования пульсаций проводимости на выходе усилителя 3 равен коэффициенту преобразования на выходе детектора 8, который благодаря бесконтактному методу измерения известен с высокой точностью. В результате на выходе усилителя 3 и блока 34 появ.1яется сигнал, мгновенное значение которого с высокой точностью пропорционально измеряемым пульсациям проводимости. Р   мин
В случае попадания в конфузорную часть отверстия в корпусе 16 постороннего предмета 46, удельная проводимость которого больше (меньше) удельной проводимости контролируемой жидкой среды, резко уменьшается чувствительность бесконтактного канала к пульсациям контролируемого параметра, уменьшается переменное напряжение на выходе полосового фильтра 12. На выходе схемы 14 появляется сигнал рассогласования, который приводит к изменению сигнала на выходе интегратора 15, уменьшению коэффициента передачи усилителя 3 и появлению значительной погрешности измерения контролируемого параметра. Одновременно происходит перераспределение соотношения сопротивлений участков объемного жидкостного проводника 45, расположенных левее и правее электрода 18. При этом на конце одного из проводников 24 и 25 напряжение возрастает (уменьшается), а на другом - уменьшается (возрастает). На выходе синхронного детектора 27 появляется напряжение той или иной полярности в зависимости от соотношения удельной проводимости предмета 46 и контролируемой жидкости. На выходе детектора 28 появляется напряжение только одной полярности. В случае превышения этим напряжением порогового уровня t/
срабатывает пороговый блок 29, загорается индикатор 30, сигнализируя о факте загрязнения. Сигнал на выходе инвертора 35 становится равным нулю. Стробируемый блок 34 выключается, сигнал с выхода усилителя 3 не проходит на выход кондуктометра, и исключается регистрация недостоверных результатов измерения проводимости в динамическом режиме.
Чувствительность к загрязнению определяется при фиксированных значениях параметров блоков 22, 23, 26, 27 уровнем t/o срабатывания порогового
блока 29.
Этот уровень выбирают исходя из реагирования на перераспределение сопротивлений участков жидкостного витка, соответствуюшее изменению среднего значения проводимости на несколько процентов. Меньшее значение порога срабатывания может привести к случайным срабатываниям блока от помех.
жидкости.
в случае естественной или искусственной очистки отверстия в корпусе 16, перераспределение сопротивлений участков объемного жидкостного витка устраняется, сигналы на выходах усилителей 22 и 23 становятся равными по амплитуде, при этом сигналы на выходах блоков 27, 28 и 29 равны нулю, индикатор 30 отключается, блок 34 включается, пропуская на выход кондуктометра сигнал, откорректированный по низкочастотному бесконтактному каналу.
Кондуктометр, пример реализации которого приведен на фиг. 1, позволяет производить высокоточные достоверные измерения электрической проводимости в динамическом режиме измерения. Для высокоточных достоверных измерений абсолютных значений проводимости может быть использован вариант реализации схемы кондуктометра, приведенный на фиг. 5. В этом варианте выходной сигнал измерительной цепи 2 суммируется в блоке 47 с выходным сигналом детектора 8 после соответственно высокочастотной и низкочастотной фильтрации фильтром (ФВЧ) 48 верхних частот и фильтром (ФНЧ) 49 нижних частот. В рассматриваемом варианте также осуществляется отключение выходного сигнала в случае загрязнения кондуктометра и индикация факта засорения.
Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, чертежами и используя существующие технологии, материалы и элементную базу, предлагаемый кондуктометр может быть изготовлеп в производстве и использован в системах экологического мониторинга водных бассейнов, используемых для обнаружения подвижного источника экологического загрязнения водной среды в акватории по результатам одновременного измерения усредненных и пульсационные значения удельной электрической проводимости водной среды, при океанологических исследованиях, в экспериментальной гидродинамике и других областях техники, где требуется вести контроль параметров потоков электропроводящих жидких сред, что характеризует полезную модель как промыщленно применимую.
В соответствии с материалами заявки был изготовлен и испытан макет предлагаемого устройства. Испытания макета подтвердили возможность достижения указанного в заявке технического эффекта.