Устройство для измерения электрической проводимости

Устройство для измерения электрической проводимости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

С" 9 иФ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

«н775683

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 091078 (21) 2673800/18-25 (51)М (л с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

G N 27/02

Гасударственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 301080. Бюллетень № 40

Дата опубликования описания 301080 (53) УДК 543. 257, 088. 8) В.В.Туренко Н.П.Никифоров, П.А.Ергин и В.Н.Хажуев (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОВОДИМОСТИ

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей путем измерения средних и пульсационных значений удельной электрической проводимости (УЭП) жидкостей 5 и может быть использовано в экспериментальной гидродинамике, а также в тех отраслях промышленности, где требуется вести контроль параметров электропроводящих сред. 30

Известны устройства для измерения

УЭП жидкостей, использующие метод непосредственного преобразования

УЭП в электрический сигнал. Такие устройства содержат источник пере- 15 менного напряжения, датчик электрической проводимости и вторичный измерительный прибор, подключенный к датчику через цепи усиления и преобразования сигнала (11 . 20

Недостатком таких устройств является ограниченная точность измерения как средних, так и пульсационных значений УЭП из-за влияния квадратурной помехи, возникающей в результате 25 паразитных связей между источником переменного напряжения и измерительными цепями, подключенными к датчику. Указанный недостаток частично устраняется применением внешних ком- 30 пенсирующих цепей, электростатических и электромагнитных экранов, специальными конструкциями датчиков. Однако эти приемы громоздки, сложны и не всегда достаточно эффективны.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения электрической проводимости, которое содержит питающий и измерительный трансформаторы на ферромагнитных тороидальных сердечниках, установленные соосно, например, на изолированном трубопроводе, который служит каналом для протекания исследуемой жидкости. В процессе измерения связь между питающим и измерительным трансформатором осуществляется через замкнутый жидкостный виток с исследуемой жидкостью, охватывающий оба тороидальных сердечника трансформаторов.

Питающий трансформатор соединен с источником переменного напряжения, а измерительный трансформатор — с детектором, выходной сигнал которого пропорционален электрической проводимости исследуемой жидкости. Для уменьшения параэитных связей между питающим и измерительным трансформаторами, обмотки трансформаторов выполнены таким образом, что векторы как

775683 электростатического, так и электромагнитного поля направлены в противоположные стороны, что приводит к взаимной компенсации полей (2).

Недостатком этого устройства является то, что на практике удается осуществить только частичнув компенсацию паразнтных связей между питающим и измерительным трансформаторами. Особенно заметно снижение эффективности взаимной компенсации олей в малогабаритных устройствах, в которых питающий и измерительный трансформаторы, а также выводные концы обмоток расположены на близком расстоянии. При этом на выходе измерительного трансформатора возникает квадратурная помеха, которая приводит к уменьшению точности измерения и чувствительности к пульсациям УЭП. Влияние квадратурной помехи проявляется в виде искажения характеристики преобразования

УЗП в электрический сигнал н результате геометрического суммирования на выходе измерительного трансформатора полезного сигнала, обусловленного проводимостью жидкостного витка,и сигнала квадратурной помехи, возникающего в результате паразитных связей между питающим и измерительным трансформаторами.

Цель изобретения — повышение точности измерения и чувствительности за счет уменьшения влияния кнадратурной помехи. указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения УЗП жидкостей, содержащем источник переменного напряжения, питающий и измерительный трансформаторы, связанные между собой жидкостным витком, и детектор, подключенный к измерительному трансформатору, питающий и измерительный трансформаторы снабжены дополнительными обмотками, которые включены согласно по отношению к жидкостному витку и соединены между собой через резистор. При этом к выходной обмотке измерительного трансформатора протекает дополнительный ток неизменной амплитуды, фаза которого совпадает с фазой ток-, вызванного жидкостным витком. Увеличение соотношения между амплитудой тока. полезного сигнала и амплитудой тска квадратурной помехи вызывает уменьшение погрешности преобразования УЭП н выходной сигнал и повышает чувствительность устройства.

На фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг. 2 — векторные диаграммы токов н нагрузке измерительного трансформатора.

Предлагаемое устройство содержит источник 1 переменного напряжения (см. Фиг.1), подключенный к первич»ой обмотке 2, расположенной на ферромагнитном тороидальном сердечнике

3 пита|ощего трансформатора 4. Выходная обмотка 5, расположенная на ферромагнитном тороидальном сердечнике

6 измерительного трансформатора 7, подключена непосредственно или через усилитель 8 переменного тока к детектору 9. Питающий трансформатор

4 и измерительный трансформатор 7 связаны между собой жидкостным витком 10, охватывающим тороидальные сердечники 3 и б. Жидкостной ниток

10, образуется при измерении замкнутым пространственным контуром, заполненным исследуемой жидкостью, например, морской водой. жидкостный виток 10 на фиг. 1 показан условно ограниченным. В общем случае, например, при измерении в океане, грани-. цы жидкостного нитка неопределены, и в его образовании участвует весь объем жидкости, окружающей сердечники 3 и б. Питающий трансФорматор 4 и измерительный трансформатор 7 имевт кроме этого обмотки 11 и 12 соответственно, содержащие, например, но одному нитку. Обмотки 11 и 12 включены согласно по отношению к жидкостному нитку 10 и соединены между собой через резистор 13, то эти обмотки включены таким образом, что токи в обмотке 5, обусловленные током через резистор 13 и -.îêîì жидкостного витка, совпадают по фазе. Выход детектора 9 подключен к согласующему усилителю 14, ко второму входу которого подключен источник 15 компенсирующего напряжения.

На фиг. 2, изображающей некторные диаграммы токов в нагрузке измерительного трансформатора 7, введены следующие обозначения: 3, — вектор тока каадратурнсй помехи, Э„ — вектор тока полезного сигнала, 3 - вектор тока„ равный cóììå векторов Э и д, З, о„ вЂ” вектор дополнительного тока, обусловленного током через резистор 13, J„- — вектор тока, равный сумме векторов 5 и одоп, 3 > вектор тока, равный сумме векторов и Э,а 3 -разность между модулем вектора Jв и модулем вектора vc д — разность между модулем вектора

3, и модулем вектора Дс

Для понимания процессов в предлагаемом устройстве рассмотрим сначала его работу при отсутствии квадратурной помехи.Источник 1 переменного напряжения нырабатывает стабилизированное напряжение, например, синусоидальной формы, которое поступает на обмотку 2 питающего трансформатора 4. Питающий трансформатор

4 работает в режиме трансформатора напряжения и возбуждает в жидкостном витке 10 неизменное напряжение. Под действием этого напряжения в жидкостном витке 10 протекает электрический ток, величина которого прямо пропорциональна электрической про775683 водимости жидкостного витка, определяемой УЭП исследуемой жидкости.

Изменения тока в жидкостном витке определяются изменениями

УЭП жидкости, в результате чего в выходной обмотке 5 измерительного трансформатора 7, работающего в режиме трансформатора тока, возникает амплитудно-модулированный сигнал, который при отсутствии квадратурной помехи прямо пропорционален мгновенному значению проводимости жидкостного витка и, следовательно, УЭП исследуемой жидкости. Аналогичным образом под действием напряжения, приложенного к обмотке 2 питающего трансформатора 4, в обмотке 11 возбуждается неизменное напряжение, под действием которого через резистор 13 и обмотку 12 измерительного трансформатора 7 протекает ток. Величина этого тока при неизменном напряжении на обмотке 2 и фиксированном сопротивлении резистора 13 постоянна. Обмотка

12, так же, как и жидкостный виток

10, образует с обмоткой 5 трансформатор тока. Поэтому в выходной обмотке

5 измерительного трансформатора 7 протекает дополнительный ток неизменной амплитуды, фазу которого в первом приближении можно считать совпадающей с фазой -ока, вызв †нно жидкостным витком 10. H результате суммирования тока полезного сигнала с совпадающим по ф-. е дополнительным током в выходной сбмотке 5 измерительного трансформатора 7 протекает ток в виде амплитудно-модулированного сигнала.

Огибающая этого сигнала, пропорциональная пульсациям УЭП, равна огибающей амплитудной модулированного сигнала в обмотке 5 при отсу †ств дополнительного тока, а амплитуда несущей, пропорциональная среднему значению

УЭП, увеличена на Фиксированную величину, определяемую параметрами цепи, состоящей из обмоток 11, 12 и резистора 13. Выходной сигнал измерительного трансформатора 7 поступает далее через усилитель 8 на детектор 9, выходное напряжение которого содержит переменную составляющую, прямо пропорциональную пульсациям УЭП жидкостного витка и постоянную составляющую равную сумме напряжения, прямо пропорционального средним значениям УЭП и напряжения, обусловленного дополнительным тохом в обмотке 5.

Для получения прямо пропорциональной зависимости между средним значением

УЭЧ и выходным напряжением сигнал детектора поступает на выход устройства через согласующий усилитель 14, ко второму входу которого подключен источник 15 компенсирующего напряжения. Величина этого напряжения выбирается таким образом, чтобы ка выходе устройства происходила компенсация напряжения, вызванного допол»»тельным током в обмотке 5. Напряжение на выходе согласующего усилителя 14, прямо пропорциональное УЭП исследуемой жидкости, регистрируется вторичными измерительными приборами, например, интегрирующим вольтметром постоянного тока — для измерения средних значений УЭП, вольтметром эффективных значений, анализатором спектра частот и т.п. — для измерения параметра пульсационкых значений УЭП.

При реальных условиях эксплуатации в результате действия квадратурной помехи амплитуда тока на выходе измерительного трансформатора 7 получает приращение, следовательно, получает приращение и напряжение на выходе устройства, причем абсолютная величина этого приращения непостоянна по диапазону измерения и зависит как от абсолютной величины амплитуды тока квадратурной помехи, так и от ее соотношения с суммарной амплитудой тока полезного сиг»ала и тока, вызванного дополнительной цепью,. состоящей из обмоток 11, 12 и резистора 13.Это приводит к нарушению прямой пропорциональной зависимости между проводимостью жидко" òíîãî витка и выходным сигналом устройства.

На фиг. 2 приведены векторные диаграммы, поясняющие появление погрешности преобразования УЭП в амплитуду переменного тока на выходе измерительного трансфорг атора 7, а также наличие эффекта уменьшения этой погрешности. При отсутствии цепи, состоящей иэ обмоток 11, 12 и резистора 13, вектор . - тока полез-. ного сигнала складывается геометрически с вектором Ля тока квадратуро

»ой помехи, сдвинутым на 90 по отношению к вектору Д, и образует суммарный вектор 7, который является выходным "èãíàëñì измерительного трансформатора 7. Модуль этого вектора больше модуля вектора 3с на величну а 3. Эта разность является источником погрешности измерения средких значений УЭП. При уменьшении амплитуды тока полезного сигнала, т.е. прк уменьшении величины измеряемой УЭП, модуль суммарного вектора б. все в меньшей степени зависит от модуля вектора J< тока полезного сигнала, что приводит к увеличению погрешности измерения средних значений УЭП, уменьшению чувствительности к измененкям амглитуды полезного сигнала, и, как следствие, к увеличению погрешности измерения пульсаций УЭП.

При наличии цепи, состоящей из обмоток 11 12 и резистор- 13, вектор 3 тока полезного сигнала складывается с вектором „ дополнительного тока и образует вектор Э совпадающий по напр-влению с векто775683

Формула изобретения

Ц

Ч

l

1 ! !

Äèñ. 1

Рис. 2

Составитель М. Кривенко

Техред A.À÷

Редактор Н. Коляда

Корректор Н. Григорук

Заказ 7736/60 Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ром Эс . Модуль вектора э,равного сумме векторов Э и J больше модуля вектора J на величину ьЛ причем величина много меньше, чем величина ь 3 . Расчеты показывают, что введение дополнительной цепи, состоящей из обмоток 11, 12 и резистора 13, позволяет на один два порядка уменьшить влияние квадратурной помехи на погрешность измерения УЭП H чувствительность устройства. Степень уменьшения влияния квадратурной помехи зависит от соотношения амплитуд токов квадратурной помехи, полезного сигнала и дополнительного тока, создаваемого цепью иэ обмоток 11, 12 и резистора 13.

В зависимости от предъявленных требований амплитуда дополнительного тока может находиться в пределах

0,001-10 от амплитуды тока полезного сигнала. Причем большие значения 2О этого соотношения соответствуют более высоким требованиям к уменьшению влияния квадратурной помехи. Амплитуда дополнительного тока при выбранных остальных параметрах устройст- д ва зависит от числа витков в дополнительных обмотках 11, 12 и сопротивления резистора 13: с увеличением числа витков и уменьшением сопротивления амплитуда дополнительного тока возрас-З тает.

Таким образом, положительный эффект в устройстве для измерения УЭП жидкостей заключается в повышении точности измерения и чувствительности устройства за счет уменьшения влияния квадратурной помехи. Изобретение позволяет также при сохранении точности и чувствительности устройства исключить необходимость тщательного экранирования трансформаторов, сложного выполнения обмоток и уравновешивания квадратурной помехи при помощи внешней компенсационной схемы и упростить тем самым конструкцию и схему устройства.

Устройство для измерения электрической проводимости, содержащее источник переменного напряжения, питающий и измерительный трансформатор, свяэаэанные между собой жидкостным витком, и детектор, подключенный к измерительному трансформатору, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности измерения, питающий и измерительный трансформаторы снабжены дополнительными обмотками, соединенными между собой через резистор, причем обмотки включены согласно по отношению к жидкостному витку.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CIIIA 14 3607873, кл. 324-30, 1971.

2. Патент США М 3806798, кл. 324-30, 1974.