УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области электроизмерений и может быть использована для измерения электропроводности жидких сред.
Известно устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее источник переменного напряжения, питающий трансформатор с обмоткой возбуждения, измерительный трансформатор с измерительной обмоткой, подключенной к измерительной схеме, петлю из электропроводящего материала, охватывающую оба сердечника трансформаторов, замкнутый виток из электропроводной жидкости, схему сравнения и сумматор, причем на схеме сравнения сравниваются (вычитаются) сигнал возбуждения, поступающий на возбуждающую обмотку, и сигнал, поступающий от петли, охватывающей оба сердечника, а на сумматоре суммируются сигнал с выхода сравнения, при этом выход сумматора соединен с обмоткой возбуждения [Авторское свидетельство СССР №1427272, кл. О01N 27/02, 1984].
В данном устройстве существует погрешность, связанная с изменением напряжения генератора, компенсация динамической погрешности возможна лишь при определенных коэффициентах передачи сумматора и схемы сравнения, что затрудняет регулирование в необходимых пределах напряжения, действующего в обмотке возбуждения (например, для установки различных диапазонов чувствительности).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является кондуктометр, состоящий из генератора синусоидального напряжения, питающего трансформатора с обмоткой возбуждения, измерительного трансформатора с измерительной обмоткой, петли из электропроводящего материала и замкнутого витка из исследуемой жидкости, охватывающего сердечники обоих трансформаторов, первого и второго пиковых детекторов, схемы сравнения, усилителя напряжения, измерительной схемы, аттенюатора, усилителя мощности, источника опорного напряжения и регулятора, 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. Например, непостоянство амплитуды генерируемого напряжения приводит к появлению погрешности порядка 5%. Кроме того, сказывается изменение магнитной проницаемости сердечников трансформаторов под действием температуры. Если даже выбрать термостабильный феррит 2000НМ3, то изменение температуры на 10°С приведет к изменению магнитной проницаемости на 2%, что влияет на индуктивности обмоток, а следовательно на результат измерений.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в устройство, содержащее генератор синусоидального напряжения, питающий трансформатор с обмоткой возбуждения, измерительный трансформатор с измерительной обмоткой и замкнутый виток из исследуемой жидкости, охватывающий сердечники обоих трансформаторов, введены фазочувствительный нуль-орган, дополнительные компенсационные многосекционные обмотки, ключи, магазин проводимостей и схема управления.
При этом 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.
В целом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить точность, расширить пределы измерений, а также улучшить динамические свойства устройства.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1. Устройство для измерения электропроводности жидкости состоит из генератора синусоидальных сигналов 1, обмотки возбуждения 2, питающего трансформатора 3, замкнутого витка из электропроводящей исследуемой жидкости 4, измерительного трансформатора 5, измерительной обмотки 6, фазочувствительного нуль-органа 7, секций компенсационных обмоток 8, 9, 10, 11, ключей 12, 13, 14, 15, схемы управления 16, магазина проводимостей 17.
Устройство работает следующим образом. Напряжения от генератора 1 поступает на обмотку возбуждения 2 питающего трансформатора 3. При этом в жидкостном витке 4 и компенсационной обмотке наводятся ЭДС. ЭДС, действующая в жидкостном витке 4, вызывает ток, величина которого зависит от электропроводности жидкости и который индуцирует в измерительной обмотке 6 измерительного трансформатора 5 напряжение. ЭДС, действующая в компенсационной обмотке, вызывает ток, величина которого зависит от выбранной проводимости в магазине проводимостей. Жидкостной виток и компенсационная обмотка включены так, что напряжения, индуцируемые в измерительной обмотке, имеют разные знаки. В результате работы схемы управления на измерительной обмотке достигается нулевое напряжение. Фазочувствительный нуль-орган с помощью схемы управления изменяет значение магазина проводимостей и положение ключей до тех пор, пока напряжение на измерительной обмотке не будет равно нулю. Код, вырабатываемый схемой управления, который подается на магазин и на ключи, является выходным сигналом, который определяет проводимость жидкостного витка. Рассмотрим работу прибора на схеме (фиг.2):
Система уравнений, описывающих работу схемы
1
где U - напряжение источника питания;
2
U - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора;
1
I - ток в возбуждающей обмотке питающего трансформатора;
х
I - ток в жидкостном витке;
d
I - ток в компенсирующей обмотке;
1
L - индуктивность возбуждающей катушки;
x
L - индуктивность жидкостного витка;
d
L - индуктивность компенсирующей обмотки;
12
M - взаимная индуктивность возбуждающей обмотки и жидкостного витка;
23
М - взаимная индуктивность измерительной обмотки и жидкостного витка;
14
M - взаимная индуктивность возбуждающей и компенсирующей обмоток;
34
М - взаимная индуктивность измерительной и компенсирующей обмоток;
x
R - сопротивление жидкостного витка;
d
R - сопротивление компенсирующей обмотки;
ω - частота гармонических синусоидальных колебаний.
d
x
Выразим токи I и I уравнений (2) и (3):
2
в момент, когда напряжение на выходе U=0, из уравнения (4) получаем:
отсюда
2
Из уравнений (5), (6), (8) получаем зависимость между сопротивлениями при напряжении на измерительной обмотке U=0:
x
d
x
d
Заменив G нa  и G на , где G, G - проводимость жидкостного витка и проводимость из магазина проводимостей, получим:
x
d
Учитывая, что <<1 и <<1, можно вывести зависимость между G и G:
23
12
в уравнении (12) М, М=М, так как возбуждающая и измерительная обмотки трансформаторов имеют одинаковое количество витков, а жидкостной виток является общим для питающего и измерительного трансформаторов. Взаимная индуктивность между обмоткой трансформатора (возбуждающей или измерительной) и витком компенсационной обмотки равна взаимной индуктивности между обмоткой трансформатора и жидкостным витком, так как индуктивность жидкостного витка и витка компенсационной обмотки равны, а индуктивности измерительной и возбуждающей обмоток содержат постоянное число витков. Отсюда следует
1
2
где N и N число витков в дополнительных обмотках, подключенных через ключи к магазину проводимостей. Получаем уравнение
из него следует
Уравнение (16) объясняет главное преимущество данного устройства - отсутствие таких факторов, влияющих на погрешность прибора, как амплитуда, частота, форма генерируемого напряжения и температура трансформаторов.
Исходя из уравнения (16), можно однозначно определить проводимость жидкостного витка.
х
где σ - удельная электрическая проводимость, k - постоянная электролитической ячейки.
Как видно из формулы (16), добиться нулевого напряжения на обмотке можно не только изменением проводимости магазина, но и изменением числа витков дополнительных компенсационных обмоток. Как видно, введение многосекционных компенсационных обмоток позволяет расширить пределы измерений электропроводности жидкости.
Фазочувствительный нуль-орган определяет направление изменения проводимости, что позволяет улучшить динамические свойства устройства, что очень важно для измерения проводимости в потоке жидкости, где проводимость может меняться в значительных пределах и с большой скоростью. Схема управления вырабатывает сигналы для управлениямагазином проводимостей и ключами, которые соединяют секции компенсационных обмоток с магазином проводимостей. На выходе схемы управления формируется код, соответствующий значению проводимостей магазина и положению ключей. Схема управления позволяет автоматизировать процесс измерения, что улучшает динамические свойства и расширяет пределы измерений. Магазин проводимостей позволяет менять свою проводимость в достаточно широких пределах и является рабочим эталоном. Его качества в значительной мере определяют метрологические свойства устройства. Ключи, управляемые схемой управления, подключают магазин проводимостей к секциям компенсационных обмоток. Их наличие позволяет повысить пределы измерений. Многосекционные обмотки позволяют расширить пределы измерений электропроводимости жидких сред.