Способ и устройство для измерения удельной электропроводимости морской воды

Способ и устройство для измерения удельной электропроводимости морской воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области гидрофизических средств измерений и может быть использовано в лабораторных эталонных установках и в морских зондирующих приборах.

Известны устройства для измерения удельной электрической проводимости морской воды, основанные на использовании бесконтактной индуктивной ячейки, состоящей из двух тороидальных трансформаторов, связанных через виток воды (см. книгу Океанология. Средства и методы океанологических исследований, гл.2.2.2, Г.В.Смирнов, В.Н.Еремеев и др. - М.: Наука, 2005 с.511). Устройства отличаются друг от друга конструкцией, а с метрологической точки зрения - методом измерения выходного сигнала индуктивной ячейки, диапазоном и точностью измерения. Общим недостатком описанных в книге устройств является ограниченная точность измерения удельной электропроводимости морской воды, не удовлетворяющая современным требованиям. Недостатки обусловлены тем, что при использовании наиболее точного нулевого метода измерений тока в витке воды, пропорционального электропроводимости, компенсация цифровыми устройствами с пошаговым дискретом получается принципиально не полной - остается погрешность дискретности. В аналоговых схемах не достигается требуемый класс точности.

Известно устройство для измерения удельной электрической проводимости морской воды, содержащее генератор синусоидального сигнала, первичный измерительный преобразователь, выпрямители, делитель частоты, управляющие ключи. В этом устройстве автоматически уравновешивается выпрямленное выходное напряжение первичного преобразователя, которое далее преобразуется в выходную частоту измерителя (патент 2052827, опубл. 1996 г.). Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная тем, что компенсация выходного сигнала первичного преобразователя осуществляется не прямо, а лишь после его выпрямления. Таким образом, значительная погрешность выпрямителя входит в результат измерения.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения относительной электропроводимости морской воды, которое содержит генератор синусоидального сигнала для питания индуктивной ячейки с первым трансформатором, связанным через виток воды со вторым трансформатором, нуль-орган, подключенный к измерительной обмотке второго трансформатора, фазовые детекторы и делитель напряжения с цифровым управлением в цепи компенсации выходного сигнала индуктивной ячейки, управляемый реверсивным счетчиком (статья в книге Системы контроля окружающей среды, сборник научных трудов, В.И.Забурдаев и др. с.98, изд. Академии наук Украины, Севастополь, 2005 г.). Согласно данному устройству при измерении удельной электропроводимости воды обмотка возбуждения индуктивной ячейки запитывается переменным током синусоидальной формы. Благодаря индуктивной связи через виток воды в измерительной обмотке второго трансформатора ячейки наводится напряжение, пропорциональное измеряемой электропроводимости. Это напряжение приводится к нулю путем подачи противофазного компенсационного тока в отдельную компенсационную обмотку. Компенсационный ток вырабатывается цифровым делителем напряжения, который управляется по цепи обратной связи, составленной из нуль-органа, фазового детектора и реверсивного счетчика. Результат измерения в цифровом двоичном коде считывается из реверсивного счетчика. К недостаткам данного устройства можно отнести ограниченную точность измерения числом разрядов цифрового делителя. Недостаток обусловлен тем, что после компенсации тока в витке воды дискретными шагами цифрового делителя напряжения неизбежно остается некоторый недокомпенсированный остаток - так называемая погрешность дискретности. Число разрядов в известных типах цифровых делителей напряжения переменного тока (резистивных и трансформаторных) по технологическим причинам не может быть сделано более 14, в то время как современные требования к эталонным образцам техники составляют не меньше 20 двоичных разрядов.

Задача изобретения состоит в повышении точности измерения относительной электропроводимости морской воды до уровня не менее 20 двоичных разрядов.

Указанная цель достигается новым способом измерения и устройством, реализующим этот способ.

Способ отличается тем, что измерение удельной электропроводимости морской воды ячейкой индуктивного типа выполняют за два цикла. В первом цикле осуществляют цифровое дискретное измерение основной части электропроводимости воды путем ступенчатого уравновешивания тока в витке воды противофазным сигналом от эталонного цифрового делителя напряжения, а во втором цикле производят измерение остаточной части электропроводимости путем аналогового уравновешивания нулевым методом с последующим преобразованием из аналоговой в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и получением окончательного результата измерения суммированием цифровых отсчетов первого и второго циклов.

Устройство для измерения удельной электропроводимости морской воды, содержащее синусоидальный генератор, первый трансформатор индуктивной ячейки с обмоткой возбуждения, подключенной к синусоидальному генератору, и выходной обмоткой, второй трансформатор индуктивной ячейки, соединенный витком воды с первым трансформатором и имеющий выходную компенсационную обмотку, при этом выходные обмотки трансформаторов подключены к эталонному цифровому делителю напряжения, управляемому реверсивным счетчиком, и к нуль-органу с фазочувствительным детектором.

Технический результат достигается тем, что нуль-орган выполнен на базе операционного усилителя с цепью обратной связи, образованной точным резистором, в которой возникает компенсационный ток, устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, двухпороговый различитель уровня сигнала и суммирующий вычислитель, при этом один конец выходной компенсационной обмотки второго трансформатора заземлен, а второй конец подключен через точные резисторы к выходу эталонного делителя напряжения и входу нуль-органа, выходная обмотка первого трансформатора подключена двумя концами ко входу эталонного цифрового делителя и к управляющим входам фазочувствительного детектора, выход фазочувствительного детектора подключен ко входу двухпорогового различителя уровня сигнала и входу аналого-цифрового преобразователя, выходы различителя уровня сигнала подключены к счетному и знаковому входам реверсивного счетчика, а цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя и реверсивного счетчика соединены с входами суммирующего вычислителя.

2. Устройство по п.2 отличается тем, что двухпороговый различитель уровня сигнала построен из двух компараторов, резистивного делителя напряжения, логического элемента ИЛИ и мультивибратора, при этом минусовый вход первого компаратора и плюсовый вход второго компаратора подключены к резистивному делителю, задающему опорные напряжения, а два других входа компараторов соединены вместе и подключены к выходу фазочувствительного детектора.

3. Устройство по п.2 отличается тем, что разность пороговых уровней напряжения в двухпороговом различителе уровня сигнала равняется одному дискрету цифрового делителя напряжения и с некоторым запасом перекрывается диапазоном измерения аналого-цифрового преобразователя.

Существо изобретения поясняется чертежами, представленными на Фиг.1 и Фиг.2.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропроводимости воды. В состав схемы входят синусоидальный генератор 1, питающий индуктивную ячейку 2. Ячейка состоит из двух тороидальных трансформаторов ТР1 и ТР2, связанных между собой общим витком воды. Первый трансформатор содержит первичную питающую обмотку W1 и вторичную выходную обмотку W2. Второй трансформатор содержит компенсационную обмотку W3, которая одновременно выполняет функцию выходной обмотки, на которой контролируется выходной сигнал индуктивной ячейки.

В состав схемы входят также эталонный цифровой делитель напряжения 3, реверсивный счетчик 4, нуль-орган 5, фазочувствительный детектор 6, аналого-цифровой преобразователь 7, двухпороговый различитель уровня выходного сигнала 8 и суммирующий вычислитель 9.

Один вывод компенсационной обмотки W3 трансформатора ТР2 заземлен, а второй подключен ко входу нуль-органа 5 и к выходу эталонного делителя напряжения 3 через точный резистор R1. Выход нуль-органа 5 связан с его входом цепью обратной связи, образованной точным резистором R2.

На Фиг.2 представлена схема двухпорогового различителя уровня сигнала, пропорционального измеряемой электропроводимости воды. В состав схемы входят два компаратора 10 и 11, резистивный делитель из трех резисторов R3, R4, R5, элемент ИЛИ 13 и управляемый мультивибратор 12. Выход компаратора 10 подключен к знаковому входу реверсивного счетчика 4, а выход управляемого мультивибратора 12 подключен к счетному входу реверсивного счетчика.

Работа предлагаемого устройства измерения относительной электропроводимости морской воды Фиг.1 осуществляется следующим образом. При включении питания устройства сигнал синусоидальной формы от генератора 1 поступают в обмотку возбуждения W1 индуктивной ячейки, погруженной в морскую воду. В витке воды как во вторичной обмотке первого трансформатора ячейки возникает ток, пропорциональный удельной электропроводимости воды. Ток возбуждает выходное напряжение в компенсационной обмотке W3 второго трансформатора. Это напряжение усиливается нуль-органом 5, выпрямляется фазочувствительным детектором 6 и, поступая на вход двухпорогового различителя уровня сигнала 8, запускает счет реверсивного счетчика 4 в таком направлении, при котором происходит компенсация тока в витке воды. Сигнал компенсации вырабатывается эталонным цифровым делителем напряжения 3, который управляется цифровым кодом с выходов реверсивного счетчика 4. Величина тока в компенсационной обмотке W3 определяется напряжением на выходе цифрового делителя напряжения 3 и величиной сопротивления резистора R1. Счет реверсивного счетчика продолжается до того момента, когда напряжение на входе двухпорогового различителя уровня сигнала не снизится и попадает в зону нечувствительности между уровнями напряжения двухпорогового различителя 8. При этом реверсивный счетчик остановится и выдаст цифровой код результата измерения на сумматор 9. Но полная компенсация тока в витке воды еще не наступает, остается некоторый остаток, меньший или равный единице дискрета цифрового делителя напряжения. Далее в работу вступает аналоговый компенсатор тока, функцию которого выполняет нуль-орган 5. Компенсационный ток в нуль-органе 5, выполненном на базе операционного усилителя, возникает в цепи отрицательной обратной связи, образованной точным резистором R2. Этот усилитель включен в инверсном режиме при нулевом уровне сигнала на плюсовом входе. Свойство операционного усилителя в таком включении состоит в том, что на инвертирующем минусовом входе автоматически устанавливается уровень сигнала, повторяющий уровень плюсового входа за счет тока по цепи отрицательной обратной связи. Поскольку входное сопротивление операционного усилителя бесконечно велико, то весь ток цепи обратной связи через резистор R2 поступает в компенсационную обмотку W3 и поддерживает выходное напряжение на обмотке равным нулю, реализуя нулевой метод измерения. При этом на выходе нуль-органа 5 напряжение не равняется нулю, а представляет собой усиленный сигнал, равный по величине произведению тока в цепи обратной связи на сопротивление резистора R2. Усиленное таким образом напряжение переменного тока с выхода нуль-органа поступает на вход фазочувствительного детектора 6 и преобразуется в сигнал постоянного тока. Помимо выпрямления сигнала фазочувствительный детектор выполняет другую важную функцию - он подавляет помехи переменного тока других частот, а также сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно полезного сигнала, - так называемые квадратурные помехи.

На выходе фазочувствительного детектора сигнал постоянного тока разветвляется и поступает на входы двух элементов схемы. Первый элемент - это аналого-цифровой преобразователь 7, который преобразует сигнал постоянного тока фазочувствительного выпрямителя в цифровую форму, представляя результат измерения остатка от первого цикла измерения. Цифровой код от аналого-цифрового преобразователя 7 поступает на второй вход сумматора 9. После завершения двух циклов измерения цифровые результаты поступают на вход суммирующего вычислителя, на выходе которого получается итоговый результат измерения.

В первом цикле измерения эталонным цифровым делителем напряжения 3 достигается точность измерения, равная одному дискрету делителя. Второй цикл измеряет величину остатка от дискретизации и тем самым многократно уточняет итоговый результат.

Если в ходе работы устройства электропроводимость воды изменилась, то уровень сигнала на выходе фазочувствительного детектора 6 также изменяется и соответственно изменяется код аналого-цифрового преобразователя 7. При более значительном изменении сигнал на входе двухпорогового различителя уровня сигнала 8 выходит за пределы зоны нечувствительности и переходит за нижний или верхний пороги напряжения. В этом случае на выходе двухпорогового различителя уровня возникают сигналы управления по счетному и знаковому входам реверсивного счетчика 4. Счетчик отрабатывает нужное число дискретов в сторону уравновешивания и тем возвращает сигнал на выходе фазочувствительного детектора 6 в зону нечувствительности двухпорогового различителя уровня сигнала 8. После отработки реверсивного счетчика на его выходе устанавливается новое значение результата измерения. Во всех фазах уравновешивания тока в витке воды напряжение в компенсационной обмотке W3 поддерживается на нулевом уровне и тем самым выполняется главное условие нулевого метода измерений, при котором достигается высокая точность.

Работоспособность заявляемого устройства обеспечивается только при выполнении определенных требований к численным значениям параметров составных элементов. Требуется, чтобы диапазон измерения АЦП был несколько больше шага дискретности эталонного цифрового делителя напряжения, а разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала равнялась шагу дискретности эталонного цифрового делителя напряжения. При этом рабочий диапазон АЦП задается соответствующим выбором его параметров, а разность уровней двухпорогового различителя уровней задается величинами резисторов R3, R4, R5 резистивного делителя на Фиг.2.

Если установить разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала меньшей шага дискретности эталонного цифрового делителя напряжения, то при некоторых значениях измеряемой электропроводимости воды выходной сигнал не будет попадать в окно между верхним и нижним порогами и возникнут автоколебания реверсивного счетчика около точки равновесия, т.е. работа устройства нарушится.

Если наоборот, установить разность уровней двухпорогового различителя существенно больше шага дискретности, то при некоторых значениях измеряемой электропроводимости выходной сигнал будет выходить за пределы рабочего диапазона АЦП, не вызывая необходимого переключения реверсивного счетчика. Работа устройства также нарушится.

Для того чтобы обеспечить устойчивую работу устройства с необходимым запасом надежности рекомендуется выбирать запас по рабочему диапазону АЦП в пределах 10%, а разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала равной шагу дискретности эталонного цифрового делителя напряжения с допуском в пределах 1%. Больший запас по диапазону измерения АЦП соответственно снизит разрешающую способность и повысит погрешность измерения.

Для оценки характеристик предлагаемого способа и устройства измерения удельной электропроводимости морской воды были проведены экспериментальные исследования опытного образца изделия. В образце использовался 8-разрядный эталонный цифровой делитель напряжения трансформаторного типа и 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Вся электронная схема изделия за исключением индуктивной ячейки термостатировалась при температуре 32°С с допуском ±0,1°С для исключения влияния температурной зависимости опорных элементов схемы. Температура пробы воды в ячейке измерялась отдельно цифровым термометром с относительной погрешностью 0,001°С. Испытаниями образца подтверждена точность измерения относительной удельной электропроводимости морской воды на уровне 20 двоичных разрядов, а разрешающая способность - на уровне 22 двоичных разрядов, что соответствует требованиям к эталонным установкам.

1. Способ измерения удельной электропроводимости морской воды ячейкой индуктивного типа, при котором измерение выходного сигнала ячейки выполняются за два цикла, при этом в первом цикле осуществляют цифровое измерение основной части сигнала путем дискретного уравновешивания противофазным сигналом от эталонного делителя напряжения, а во втором цикле производят измерение остаточной части сигнала путем аналогового уравновешивания нулевым методом с последующим преобразованием из аналоговой формы в цифровую аналого-цифровым преобразователем и получением окончательного результата измерения суммированием цифровых отсчетов первого и второго циклов.

2. Устройство для измерения удельной электропроводимости морской воды, содержащее синусоидальный генератор, первый трансформатор индуктивной ячейки с обмоткой возбуждения, подключенной к синусоидальному генератору, и выходной обмоткой, второй трансформатор индуктивной ячейки, соединенный витком воды с первым трансформатором и имеющий выходную компенсационную обмотку, при этом выходные обмотки трансформаторов подключены к эталонному цифровому делителю напряжения, управляемому реверсивным счетчиком, и к нуль-органу с фазочувствительным детектором, отличающееся тем, что нуль-орган выполнен на базе операционного усилителя с цепью обратной связи, образованной точным резистором, в которой возникает компенсационный ток, устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, двухпороговый различителем уровня сигнала и суммирующий вычислитель, при этом один конец выходной компенсационной обмотки второго трансформатора заземлен, а второй конец подключен через точные резисторы к выходу эталонного цифрового делителя напряжения и входу нуль-органа, выходная обмотка первого трансформатора подключена двумя концами ко входу эталонного цифрового делителя и к управляющим входам фазочувствительного детектора, выход фазочувствительного детектора подключен ко входу двухпорогового различителя уровня сигнала и входу аналого-цифрового преобразователя, выходы различителя уровня сигнала подключены к счетному и знаковому входам реверсивного счетчика, а цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя и реверсивного счетчика соединены с входами суммирующего вычислителя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что двухпороговый различитель уровня сигнала построен из двух компараторов, резистивного делителя напряжения, логического элемента ИЛИ и управляемого мультивибратора, при этом на плюсовый и минусовый входы компараторов поданы опорные напряжения с резистивного делителя, свободные входы компараторов соединены вместе и подключены к выходному сигналу фазочувствительного детектора, выходы компараторов подключены ко входам логического элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ подключен к управляющему входу мультивибратора, а выход мультивибратора и выход первого компаратора подключены соответственно к счетному и знаковому входам реверсивного счетчика.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в двухпороговом различителе уровня сигнала разность задаваемых резистивным делителем пороговых напряжений равняется одному дискрету сигнала эталонного цифрового делителя напряжения, а диапазон измерения аналогового компенсатора с некоторым запасом перекрывает эту разность уровней.