БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
CONTACTLESS SENSOR OF ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF LIQUID MEDIA

Изобретение относится к области измерений параметров жидкостей, в частности электрической проводимости, а именно к измерителям электрической проводимости в жидких средах, и может быть использовано для измерения электрической проводимости непосредственно в морской воде.
Известен способ и устройство для измерения электрической проводимости жидких сред в лабораторных условиях (патент РФ №2275625), обеспечивающий измерение электропроводности в жидких средах, однако этот способ неприменим в условиях полевых измерений. Кроме того, так как измерительные конденсаторы непосредственно контактируют с измеряемыми растворами, их пластины подвергаются воздействию растворов, что приводит к погрешностям измерений. Известный способ и устройство не позволяют использовать его в акваториях водоемов и имеют погрешность, обусловленную непосредственным контактом металла с измеряемой средой.
Техническим результатом, достигаемом при реализации изобретения, является создание датчика электрической проводимости жидких сред, обладающего малыми погрешностями и позволяющего проводить измерения в открытых акваториях.
Это достигается тем, что чувствительный элемент (ЧЭ) измерительной цепи датчика представляет собой пластину или трубку 11 из титаната бария, на поверхности которых напылены электроды 12 (фиг.1 а, б), причем чувствительный элемент имеет защитное покрытие 13, за исключением участков 15 (фиг.1 а, б). Эти участки непосредственно соприкасаются с раствором 14, в котором производится измерение. Площади контакта раствора 14 с непокрытыми участками пластины или трубки 15 образуют обкладки двух конденсаторов С1 и С2 (фиг.1 а, б). Конденсаторы С3 и С4 образованы напылением металла с двух сторон пластины или с внешней и внутренней поверхностями трубки из титаната бария 11 (фиг.1 а, б). Область раствора 14 между непокрытыми участками титаната бария 11 обладает электрической проводимостью, функционально связанной со свойствами раствора 14 (концентрацией растворенных веществ, температурой и давлением).
Конденсаторы C1, C2, C3, C4 соединяются в соответствии со схемой измерительной цепи (фиг.2), причем C3, C4 и R соединены последовательно. С целью снижения погрешности в качестве R используется эталонный резистор с малым ТКС. Он необходим для установки начала диапазона измеряемой электрической проводимости. C1 и C2 образуют цепь из последовательно соединенных конденсаторов через сопротивление раствора 14 между ними. В свою очередь, эта цепь соединяется последовательно с цепью, образованной C3, C4 и R. В результате получается измерительная цепь, причем с клеммы К1 снимается измеряемый сигнал, а клемма К2 является опорной. Измерения проводятся относительно точки соединения C2 и C3.
Использование единой пластины или трубки для напыления конденсаторов C1, C2,.C3, C4 снижает температурную погрешность, так как температурные изменения параметров конденсаторов взаимно компенсируются при включении в схему.
Датчик электрической проводимости (фиг.3) состоит из измерительной цепи (фиг.2), содержащей ЧЭ (фиг.1 а, б) и эталонный резистор R и преобразователя, содержащего функциональные узлы, где:
1 - задающий генератор кварцевый (ЗГК);
2 - высокостабильный генератор переменного тока (ВГПТ);
3 - источник питания 1 (ИП1);
4 - измерительная цепь (ИЦ);
5 - усилитель измерительного канала (УИК);
6 - усилитель опорного канала (УОК);
7 - детектор измерительного канала (ДИК);
8 - детектор опорного канала (ДОК);
9 - дифференциальный усилитель-нормализатор (ДУН);
10 - микропроцессор (МП);
11 - источник питания 2 (ИП2).
Применение задающего генератора кварцевого 1 (фиг.3) стабильной частоты необходимо для снижения погрешности датчика, так как сопротивление раствора между C1 и C2 носит комплексный характер и нестабильность питающей частоты вносит погрешность в результаты измерений.
Использование высокостабильного источника тока 2 (фиг.3) снижает погрешность измерений за счет сохранения неизменного тока через раствор при изменении сопротивления раствора в зависимости от его состояния (концентрации, температуры, давления).
Датчик работает следующим образом: электрические синусоидальные колебания ЗГК (1) поступают на вход ВГПТ (2). Выходной ток этого генератора протекает через ИЦ (4). Напряжение между клеммой К1 и точкой соединения C2 и C3 (Фиг.2) прикладывается ко входу УИК (5). Напряжение между клеммой К2 и точкой соединения C2 и C3 (Фиг.2) прикладывается ко входу УОК (6). После усиления сигналы измерительного и опорного каналов детектируются в ДИК (7) и ДОК (8), далее вычитаются в ДУН (9). Выходной сигнал ДУН обрабатывается и преобразуется в МП (10).
Два источника питания ИП1 (3) и ИП2 (11) необходимы, чтобы обеспечить гальваническую развязку между ВГПТ (2) и ИЦ (4). Для питания преобразователя от одного источника питания можно применить известные схемы гальванической развязки (например, трансформаторные или оптронные).