Способ определения электропроводности и устройство для его осуществления

Реферат

 

Предлагаемые технические решения относятся к физико-химическим исследованиям и могут быть использованы в химической и других родственных с ней отраслях промышленности. Технической задачей предлагаемых решений является уменьшение погрешности измерения. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения электропроводности облучают две кондуктометрические ячейки с образцовым и измеряемым растворами сигналом высокой частоты с постоянными амплитудой и частотой. Модулируют облучаемый сигнал по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита. Измеряют амплитуды импульсного сигнала с ячеек, при этом амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным. В каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода. Сравнивают амплитуды эталонного и промодулированного импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора. Устройство для измерения электропроводности содержит счетчик, два компаратора и микропроцессор, который соединен с входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам. Ячейки включены последовательно с выходом генератора, к второму выходу которого подключен счетчик. Выходы счетчика являются информационными входами цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Выходы ЦАП соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы - к микропроцессору. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемые технические решения относятся к физико-химическим исследованиям и могут быть использованы в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известны способ и устройство [см. кн. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. - М. : Мир, 1989, с. 383] определения концентрации электролитов, основанные на измерении электропроводности измерительной ячейки, подключенной ко входу операционного усилителя, в цепи обратной связи которого установлен магазин сопротивлений, определяющий выбор диапазона измерения. Сигнал с выхода операционного усилителя поступает на выпрямитель и затем на считывающее устройство.

Недостатками данных решений являются дополнительная погрешность, связанная с преобразованием сигнала, необходимость компенсации реактивной составляющей.

Известны способ определения концентрации электролита и устройство [см. патент РФ N 2011983, G 01 N 27/02, 1994. Бюл. N 8], состоящее из генератора высокой частоты, в частотно-задающую цепь которого, с помощью двунаправленного мультиплексора, включена многозвенная емкостная ячейка, и микропроцессора, вход которого подключен к генератору, а выход к мультиплексору. Способ определения концентрации заключается в изменении частоты генератора через равные промежутки времени, изменении геометрии ячейки за счет последовательного включения в частотно-задающую цепь пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях, определении отношения изменения частоты к текущему значению частоты, расчете по частоте из наименьшего отношения изменения частоты к текущему значению частоты, расчете по частоте из наименьшего отношения искомой концентрации электролита.

Недостатками данных способа и устройства является большое время проведения эксперимента из-за измерения частоты сигнала для всех возможных комбинаций электродов многозвенной ячейки.

За прототип принято устройство [см. а.с. N 1092398 (СССР), кл. G 01 N 27/02, 23.07.82] , состоящее из управляемого генератора частоты, двух резонансных контуров с рабочей и эталонной кондуктометрическими ячейками, двух детектирующих блоков, компаратора, интегратора и блока управления генератором. Способ измерения заключается в параллельном облучении образцовой и измерительной ячейки сигналом высокой частоты, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, детектировании сигналов с ячеек путем усреднения мгновенных значений амплитуды, подбору резонансной частоты по измеренному напряжению, расчету электропроводности по резонансной частоте за счет коррекции, связанной с усреднением мгновенных значений амплитуды облучаемого сигнала.

Недостатком данных решений является высокая погрешность из-за наличия детектирующих блоков, производящих нелинейные операции и косвенное нахождение электропроводности через измерение резонансной частоты, большое время проведения эксперимента, связанное с настройкой контура в резонанс.

Технической задачей предлагаемого решения является уменьшение погрешности измерения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что: 1. В способе измерения электропроводности, состоящем в облучении двух кондуктометрических ячеек, содержащих образцовый и измеряемый раствор, сигналом высокой частоты с постоянной амплитудой и частотой, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, измерении амплитуды импульсного сигнала с ячеек, в отличии от известных решений амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным, в каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода, сравнивают амплитуды эталонного и промодулированных импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

2. В устройстве для измерения электропроводности, состоящем из счетчика, компаратора и микропроцессора, соединенного со входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам, в отличии от прототипа ячейки включены последовательно с выходом генератора, ко второму выходу которого подключен счетчик, выходы которого являются информационными входами цифроаналогового преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы подключены к микропроцессору.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых решений. Наличие совокупности существенных признаков обеспечит повышение оперативности определения электропроводности и достоверности измерений.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1-3. Исследуемый раствор электролита с удельной электрической проводимостью x, функционально связанную с концентрацией Cx, помещают во внутреннюю полость бесконтактной кондуктометрической измерительной ячейки (фиг. 1). В сравнительную ячейку помещают раствор электролита с известной электрической проводимостью o, , функционально связанную с концентрацией C0.

Кондуктометрические ячейки, содержащие образцовый и измеряемый растворы, облучают сигналом высокой частоты с постоянной амплитудой и частотой, за счет чего происходит модуляция облучаемого сигнала по амплитуде. На фиг. 3 приведены временные диаграммы измерения двух растворов с разной электропроводностью, поясняющие сущность способа.

Рассмотрим эквивалентную схему замещения ячейки (фиг. 2), состоящую из активного сопротивления раствора R, емкости C2, определяющейся диэлектрической проницаемостью раствора, емкости стенок сосуда C1, константы ячейки K, толщины стенок ячейки d, расстояния между электродами lср, абсолютной диэлектрической проницаемости E0, диэлектрической проницаемости материала стенок ячейки E1, эффективной площади внутренних обкладок S1, эффективной площади внешних электродов S2.

Параметры схемы определяются следующими выражениями: R = K/. (3) Комплексное сопротивление эквивалентной схемы замещения (фиг. 2) равно где действительная Re и мнимая Jm части соответственно равны Полный импеданс ячейки Z, определяющий амплитуду сигнала на выходе, равен Из формулы (5) следует, что импеданс Z зависит от величин R, C1, C2. В предлагаемом способе измерительную и сравнительную ячейки включают последовательно в цепь генератора с частотой = const. Величины C1 и C2 - постоянные и определяются конструкцией ячейки, а R - проводимостью раствора, таким образом Z = (). Ток через ячейки поддерживают постоянным за счет последовательного включения ячеек, т. е. проходящий через них ток I одинаков, падение напряжения соответственно равны: U0 = IZ0; Ux = IZx.

Таким образом мгновенное значение амплитуды сигналов на ячейках связаны с электропроводностью электролитов.

Поделив (6) и (7) получим приведенную проводимость измеряемого раствора: Измерение амплитуд U0 и Ux импульсных сигналов осуществляют непосредственно по числу импульсов облучаемого сигнала (фиг. 3а). Формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой. Сигнал высокой частоты F0 и амплитуды U в каждом цикле сравнивают с опорным линейно нарастающим сигналом (фиг. 3б). Если измеряемое напряжение больше опорного формируют сигнал с высоким логическим уровнем, если меньше то с низким (фиг. 3в-г). Пока сравниваемое напряжение по амплитуде больше опорного сигнала формируются импульсы с частотой F0, с момента начала цикла до момента их сравнения. Число этих импульсов прямо пропорционально мгновенному значению амплитуды измеряемого сигнала. Подсчитывают количество импульсов с ячеек. Таким образом осуществляется линейное преобразование амплитуды переменного сигнала в число.

По соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

На фиг. 4 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор опорной частоты 1, счетчик 2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, сравнительную 4 и измерительную 5 кондуктометрические ячейки, компараторы 6 и 7, микропроцессор 8.

Генератор 1 служит для облучения ячеек высокочастотным сигналом со стабилизированной частотой и управления счетчиком.

Счетчик 2 необходим для формирования линейно нарастающего цифрового кода управления ЦАП 3.

ЦАП 3 предназначен для преобразования цифрового кода в аналоговый эталонный сигнал.

Кондуктометрические ячейки 4 и 5, содержащие образцовый и измеряемый раствор, являются первичным измерительным преобразователем.

Компараторы 6 и 7 предназначены для сравнения аналогового эталонного сигнала с амплитудами напряжений ячеек 4 и 5.

Микропроцессор 8 осуществляет подсчет импульсов, поступивших с компараторов 6, 7, управление генератором 1, а также калибровку, нормировку и расчет характеристик электролита.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 1 высокочастотный сигнал, с постоянной частотой, амплитуды Uоп и длительностью импульсов tоп (фиг. 3а) облучает две последовательно соединенные кондуктометрические ячейки 4 и 5, содержащие образцовый и измеряемый раствор, облучающий сигнал модулируют по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью растворов. Генератор 1 управляет работой счетчика 2, с выхода которого линейно нарастающий цифровой код подается на вход ЦАП 3. Началу цикла измерения соответствует код N=0, а концу цикла код N=Nmax. На выходе ЦАП 3 формирует эталонный сигнал, изменяющийся по линейному закону (фиг. 3б) UЦАП = K1t.

Скорость нарастания напряжения K1 определяется опорным напряжением ЦАП 3 и частотой генератора 1. Если разрядность счетчика 2 равна n, то через 2n тактов на его выходе формируется код, равный 0, а на выходе ЦАП 3 установится нулевое напряжение и цикл повторяется (фиг. 3б). Эталонное пилообразное напряжение с ЦАП 3 сравнивают компараторами 6 и 7, с амплитудами промодулированных импульсных сигналов ячеек 4 и 5. На выходе компараторов 6 и 7 формируются импульсы (фиг. 3в-г) с частотой генератора 1 с момента начала цикла до момента равенства амплитуды сигнала с ЦАП 3 и мгновенных значений амплитуд измеряемых сигналов t1 и t2. Микропроцессор 8 подсчитывает импульсы, поступившие с компараторов 6 и 7 за период измерения. Количество импульсов пропорционально амплитуде напряжений с ячеек 4 и 5. Так как ячейки 4 и 5 включены последовательно, то амплитуда сигналов, поступающих с них на компараторы 7 и 6 соответственно равны U1 = Ux; U2 = U0 + Ux, где U0 - падение напряжения на образцовой ячейке; Ux - падение напряжения на измерительной ячейке.

Количество подсчитанных импульсов с компараторов 7 и 6 равно N1 = U1 = Ux; N2 = U2 = (U0+Ux), где Микропроцессор вычисляет соотношение Из (8) получаем Микропроцессор 8 подбирает диапазон измерений путем изменения частоты генератора 1, меняя коэффициент деления опорной частоты.

Докажем эффективность предлагаемого решения по отношению к прототипу.

Детектирование импульсного периодического сигнала с амплитудой A(t) в прототипе происходит интегрированием за интервал (0-T): В предлагаемом устройстве непосредственно измеряется амплитуда импульсного сигнала A(t): A2 = A(t).

Погрешность измерений по отношению к прототипу: В качестве функции A(t) выберем линейную функцию A(t) = Kt, тогда т. е. динамическая погрешность прототипа составляет 50%, тогда как в предлагаемых решениях динамическая погрешность за счет непосредственных измерений отсутствует.

Если A(t) = Kt2, тогда таким образом с возрастанием производной функции входного сигнала динамическая погрешность прототипа стремится к 100%, а у предлагаемого решения равна нулю.

Электропроводность в прототипе определяется косвенным образом через измерение частоты резонанса, в предлагаемом способе электропроводность вычисляется явным образом из полного сопротивления ячейки, что снижает погрешность измерений.

Реализация способа осуществлена в микропроцессорном кондуктометре на базе персонального компьютера "Сириус" с трехшинной архитектурой и микропроцессором Z-80. Генератор и счетчик выполнены на основе ИМС серии 1533. Кондуктометрическая емкостная ячейка с кольцевыми электродами из медной фольги: Диаметр ячейки D, мм - 24 Толщина стенок ячейки d, мм - 2 Высота электродов h, мм - 20 Результаты экспериментов, проведенных на модельных растворах NaCl с бесконтактной кондуктометрической ячейкой, представлены на фиг. 5.

Таким образом, измерение мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала с кондуктометрических ячеек при контроле электропроводности растворов электролитов, в отличии от известных решений, повышает достоверность измерений и устраняет динамическую погрешность.

Формула изобретения

1. Способ измерения электропроводности, состоящий в облучении двух кондуктометрических ячеек, содержащих образцовый и измеряемый растворы, сигналом высокой частоты с постоянными амплитудой и частотой, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, измерении амплитуды импульсного сигнала с ячеек, отличающийся тем, что амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным, в каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода, сравнивают амплитуды эталонного и промодулированных импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

2. Устройство для измерения электропроводности, состоящее из счетчика, компаратора и микропроцессора, соединенного с входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам, отличающееся тем, что ячейки включены последовательно с выходом генератора, к второму выходу которого подключен счетчик, выходы которого являются информационными входами цифроаналогового преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы подключены к микропроцессору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5