Устройство для измерения удельного сопротивления жидких сред и грунта

Устройство для измерения удельного сопротивления жидких сред и грунта

Реферат

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерения технологических параметров, и может быть использовано для измерения удельного сопротивления жидких сред в пищевой, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, металлургической и других видах промышленности. Сущность: устройство содержит кондуктометрическую ячейку и блок измерений, содержащий генератор прямоугольных импульсов, счетчик-делитель частоты, инвертор, источник опорного тока, мостовой коммутатор опорного тока, мостовой коммутатор измеряемого напряжения и измеритель постоянного напряжения. Выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом счетчика-делителя частоты, первый выход которого соединен с инвертором, а второй - с входом мостового коммутатора опорного тока, выход источника опорного тока подключен ко второму входу мостового коммутатора опорного тока, третий вход мостового коммутатора опорного тока соединен с инвертором, а выход мостового коммутатора опорного тока соединен с электродами кондуктометрической ячейки, входы мостового коммутатора измеряемого напряжения соединены с выходом счетчика-делителя частоты, инвертором, электродами кондуктометрической ячейки, а выход мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с измерителем постоянного напряжения. Технический результат - повышение точности измерений. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно - к области измерения технологических параметров, и может быть использовано для измерения удельного сопротивления жидких сред в пищевой, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, металлургической и других видах промышленности, а также - для измерения удельного сопротивления грунта при диагностических измерениях объектов техносферы и для лабораторных измерений.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидкости (SU, авторское свидетельство 857838, G 01 N 27/02, 1981), содержащее цилиндрический корпус, расположенные в нем два основных электрода, подключенные к источнику питания, измерительный электрод, вольтметр и амперметр.

Недостатком известного устройства следует признать поляризацию электродов в процессе измерения и обусловленную этим несистематическую погрешность измерений.

Известно также устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред (RU, патент 2063023, G 01 N 27/02, 1996). Известное устройство содержит корпус, два основных электрода, два токовых электрода, измерительный электрод, диэлектрический экран, диэлектрическую прокладку, амперметр, вольтметр, переменный резистор, выключатель, источник питания. При этом основные электроды соединены между собой через переменный резистор, выключатель и источник питания, токовые электроды соединены между собой через вольтметр, а измерительный электрод соединен с ближайшим токовым электродом через вольтметр.

Известное устройство работает следующим образом. Первоначально измеряют силу тока в цепи и напряжение, затем с использованием переменного резистора изменяют силу тока в цепи до величины 0,05-0,1 А, что позволяет уменьшить поляризацию электродов. Повторно измеряют в цепи силу тока и напряжение и рассчитывают удельную электропроводность с использованием измеренных значений.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность значительного устранения поляризации электродов при длительных измерениях.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения можно признать устройство для измерения электропроводности жидких сред (SU, авторское свидетельство 1698722, G 01 N 27/02, 1991). Известное устройство содержит источник переменного напряжения, контактную кондуктометрическую ячейку и блок обработки сигнала кондуктометрической ячейки, включающий формирователь переменного напряжения прямоугольной формы, формирователь импульсов вырезок, преобразователь ток - напряжение, синхронный детектор и регистратор, причем синхронный детектор содержит первый и второй управляющие входы и состоит из блока ключей, последовательно соединенных с фильтром нижних частот, а формирователь импульсов вырезок содержит счетчик - делитель и два логических блока.

Известное устройство работает следующим образом. Сигнал с генератора переменного напряжения поступает на формирователь переменного напряжения прямоугольной формы и на формирователь импульсов вырезок. Частота генератора переменного напряжения выше рабочей частоты кондуктометрической ячейки. На выходе формирователя переменного напряжения прямоугольной формы формируют переменное напряжение со скважностью, равной двум. Сигнал с формирователя переменного напряжения прямоугольной формы поступает на кондуктометрическую ячейку и на формирователь импульсов вырезок. Формирователь импульсов вырезок вырабатывает два сигнала, поступающих на синхронный детектор, на который также поступает сигнал с выхода кондуктометрической ячейки, прошедший через преобразователь ток - напряжение. Синхронный детектор преобразует полученный сигнал и передает результаты преобразования в регистратор. Использование устройства позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения случайных погрешностей, а также температурного и временного дрейфа сигнала. Однако оно является сложным и не позволяет устранить поляризацию электродов, приводящую к появлению несистематической ошибки.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного изобретения, состоит в разработке устройства, позволяющего в процессе измерений уменьшить поляризацию измерительных электродов.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в повышении точности измерений.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство для измерения удельного сопротивления жидких сред и грунта, содержащее кондуктометрическую ячейку и блок измерения, причем блок измерений содержит генератор прямоугольных импульсов, счетчик-делитель частоты, инвертор, источник опорного тока, мостовой коммутатор опорного тока, мостовой коммутатор измеряемого напряжения и измеритель постоянного напряжения, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом счетчика-делителя частоты, первый выход которого соединен с инвертором, а второй - с входом мостового коммутатора опорного тока, выход источника опорного тока подключен ко второму входу мостового коммутатора опорного тока, третий вход мостового коммутатора опорного тока соединен с инвертором, а выход мостового коммутатора опорного тока соединен с электродами кондуктометрической ячейки, входы мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с выходом счетчика-делителя частоты, инвертором, электродами кондуктометрической ячейки, а выход мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с измерителем постоянного напряжения. Генератор прямоугольных импульсов может быть выполнен на таймере К1006ВИ1. В этом случае двухтактный выход таймера К1006ВИ1 совместно с выпрямителями предназначен для преобразования питающего напряжения цепей источника опорного тока и коммутаторов, а выход с открытым коллектором предназначен для подключения счетчика-делителя частоты. Счетчик-делитель частоты предпочтительно выполнен с возможностью понижения частоты и обеспечивает получение выходного сигнала в форме меандра. Источник опорного тока предпочтительно включен в цепь измерения, содержащую последовательно соединенные мостовой коммутатор опорного тока, первый электрод кондуктометрической ячейки, исследуемую среду, второй электрод кондуктометрической ячейки, при этом в состав источника опорного тока входят стабилизатор напряжения и резисторный делитель напряжения с возможностью подстройки. Предпочтительно мостовой коммутатор опорного тока и мостовой коммутатор измеряемого напряжения выполнены на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой происходит от счетчика-делителя частоты напрямую, а другой парой - через инвертор. Кондуктометрическая ячейка может содержать два электрода, соединенных с мостовым коммутатором опорного тока и с мостовым коммутатором измеряемого напряжения. Однако кондуктометрическая ячейка может содержать и четыре электрода, два из которых соединены с мостовым коммутатором опорного тока, а два других с мостовым коммутатором измеряемого напряжения.

Структурная схема устройства в базовом варианте приведена на фиг.1, при этом использованы следующие обозначения: кондуктометрическая ячейка 1, генератор 2 прямоугольных импульсов, счетчик-делитель 3 частоты, инвертор 4, источник 5 опорного тока, мостовой коммутатор 6 опорного тока, мостовой коммутатор 7 измеряемого напряжения и измеритель 8 постоянного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов на выходах элементов измерительной схемы. На фиг.3 приведены условные схемы конструкций кондуктометрических ячеек двухэлектродного и четырехэлектродного типов. В конструкции ячейки двухэлектродного типа электроды 9 и 10 являются токовыми и одновременно потенциальными. В конструкции ячейки четырехэлектродного типа электроды 11 и 12 являются токовыми, а электроды 13 и 14 являются потенциальными.

Устройство работает следующим образом. Кондуктометрическая ячейка 1 выполнена с возможностью погружения в слой жидкости или в грунт. Генератор прямоугольных импульсов 2 выдает импульсы, форма которых приведена на фиг.2 А.

Импульсы от генератора 2 поступают на счетчик-делитель частоты 3, который понижает частоту до нескольких сотен герц и выдает импульсы в виде меандра (фиг. 2, Б), что позволяет исключить емкостную составляющую тока в кондуктометрической ячейке. Одновременно импульсы от счетчика-делителя частоты 3 поступают на инвертор 4, который выдает импульсы в паузах между импульсами счетчика-делителя частоты (фиг. 2,В). Источник опорного тока 5 позволяет устанавливать и регулировать в режиме генератора тока необходимый постоянный ток (фиг.2,Г) порядка 0,1-1 мА. В состав источника опорного тока 5 предпочтительно входят стабилизатор напряжения, резисторный делитель напряжения с возможностью подстройки (калибровки). Ток поступает на мостовой коммутатор тока 6. Последний выполнен на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой ключей происходит от счетчика-делителя частоты 3 напрямую, а управление другой парой осуществляют через инвертор 4. В итоге токовые контакты кондуктометрической ячейки попеременно подключают к положительному и отрицательному полюсу источника тока, т.е. через электроды кондуктометрической ячейки проходит переменный ток. К электродам кондуктометрической ячейки подключен также мостовой коммутатор измеряемого напряжения 7, выход которого подключен к измерителю постоянного напряжения 8. Мостовой коммутатор измеряемого напряжения 7 выполнен и работает аналогично мостовому коммутатору опорного тока 6.

В предложенном устройстве задают и регулируют постоянный ток, измеряя при этом постоянное напряжение, что обеспечивает высокую точность измерений, одновременно через кондуктометрическую ячейку пропускают переменный ток, что исключает ошибки за счет поляризации электродов.

При использовании двухэлектродной кондуктометрической ячейки блоки 6 и 7 подсоединены к одним и тем же электродам 9 и 10 на фиг.3. При использовании четырехэлектродной кондуктометрической ячейки мостовой коммутатор опорного тока 6 соединен с токовыми электродами 11 и 12 ячейки, а мостовой коммутатор измеряемого напряжения соединен с потенциальными электродами 13 и 14 кондуктометрической ячейки.

Удельное сопротивление жидких сред рассчитывают по формуле =KR, где R - измеренное сопротивление, а К - множитель, имеющий размерность "м". Этот множитель зависит от конструкции кондуктометрической ячейки и может быть определен при измерении жидкости с известным удельным сопротивлением.

Макет устройства был опробован при измерении удельного сопротивления воды с разным удельным сопротивление. Так измерения водопроводной воды показали, что ее сопротивление в разных точках города Москвы может изменяться. При добавлении раствора поваренной соли к водопроводной воде ее сопротивление уменьшалось на один - два порядка величины. Исследование удельного сопротивления различных типов вод ГУП "Мосгортепло" показало, что макет прибора, изготовленный по указанной выше схеме, позволяет четко различать различные типы воды (подаваемой, обратной, циркуляционной и т.д.) а также - определять температурную зависимость удельного сопротивления воды.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения относительно устройства, использованного в качестве ближайшего аналога на 16-18%.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения удельного сопротивления жидких сред и грунта, содержащее кондуктометрическую ячейку и блок измерения, отличающееся тем, что блок измерений содержит генератор прямоугольных импульсов, счетчик-делитель частоты, инвертор, источник опорного тока, мостовой коммутатор опорного тока, мостовой коммутатор измеряемого напряжения и измеритель постоянного напряжения, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом счетчика-делителя частоты, первый выход которого соединен с инвертором, а второй - с входом мостового коммутатора опорного тока, выход источника опорного тока подключен ко второму входу мостового коммутатора опорного тока, третий вход мостового коммутатора опорного тока соединен с инвертором, а выход мостового коммутатора опорного тока соединен с электродами кондуктометрической ячейки, входы мостового коммутатора измеряемого напряжения соединены с выходом счетчика-делителя частоты, инвертором, электродами кондуктометрической ячейки, а выход мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с измерителем постоянного напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор прямоугольных импульсов выполнен на таймере К1006ВИ1.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что двухтактный выход таймера К1006ВИ1 совместно с выпрямителями предназначен для преобразования питающего напряжения цепей источника опорного тока и коммутаторов, а выход с открытым коллектором предназначен для подключения счетчика-делителя частоты.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что счетчик-делитель частоты выполнен с возможностью понижения частоты и обеспечивает получение выходного сигнала в форме меандра.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник опорного тока включен в цепь измерения, содержащую последовательно соединенные мостовой коммутатор опорного тока, первый электрод кондуктометрической ячейки, исследуемую среду, второй электрод кондуктометрической ячейки, при этом в состав источника опорного тока входят стабилизатор напряжения и резисторный делитель напряжения, выполненный с возможностью подстройки.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мостовой коммутатор опорного тока выполнен на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой происходит от счетчика-делителя частоты напрямую, а другой парой - через инвертор.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мостовой коммутатор измеряемого напряжения выполнен на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой происходит от счетчика-делителя частоты напрямую, а другой парой - через инвертор.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кондуктометрическая ячейка содержит два электрода, соединенных с мостовым коммутатором опорного тока и с мостовым коммутатором измеряемого напряжения.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кондуктометрическая ячейка содержит четыре электрода, два из которых соединены с мостовым коммутатором опорного тока, а два других с мостовым коммутатором измеряемого напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3