измеритель удельной электрической проводимости морской воды

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ, содержащий генератор синусоидального сигнала, первичный измерительный преобразователь, компаратор, последовательно соединенные интегратор, преобразователь напряжения в частоту и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены последовательно соединенные делитель частоты, подключенный входом к выходу преобразователя напряжения в частоту, распределитель импульсов и управляемый RS-триггер, подключенный выходом к входу интегратора, источник переменного тока, соединенный входом с выходом генератора, а выходом - с входом первичного измерительного преобразователя, выход которого через выпрямитель соединен с первым входом компаратора, подключенного выходом к S-входу RS-триггера, последовательно соединенные второй выпрямитель, соединенный входом с выходом генератора, источник постоянного тока, первый и второй управляемые ключи и времязадающий конденсатор, другой вывод которого, соединенный с выходом второго ключа, подключен к общей шине питания, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым и первым выходами распределителя, третий выход которого подключен к третьему входу управляемого RS-триггера, четвертый выход распределителя соединен со своим вторым входом, второй вывод времязадающего конденсатора соединен с объединенными выходом первого ключа и вторым входом компаратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидрофизических исследованиях для измерения удельной электрической проводимости морской воды.

Известен кондуктометр с трехэлектродной ячейкой, содержащий операционный усилитель, согласующий трансформатор с эталонным резистором во вторичной обмотке и источник питания. Принцип действия кондуктометра состоит в автоматическом уравновешивании токов в токовом электроде трехэлектродной ячейки и в цепи эталонного резистора. Величина тока, измеряемая по падению напряжения на эталонном резисторе, пропорциональна электрической проводимости жидкости, в которую погружается кондуктометрическая ячейка.

Недостатком такого кондуктометра является низкая помехоустойчивость аналогового выходного сигнала, а также его зависимость от нестабильности амплитуды переменного напряжения источника питания, что снижает точность измерения.

Известно устройство для измерения удельной электропроводимости жидкости, содержащее последовательно соединенные генератор синусоидального напряжения, первичный функциональный преобразователь и измеритель, второй вход функционального преобразователя подключен к выходу генератора; функциональный преобразователь выполнен в виде двухканального преобразователя напряжение-частота и содержит фазовращатель, два компаратора, источник опорного напряжения, логический блок, интегратор, преобразователи напряжение-частота и частота-напряжение. Принцип работы устройства заключается в уравновешивании длительностей ₀ и _х импульсов, формируемых компараторами их переменных напряжений U_o и U_x, поступающих с выходов генератора и первичного преобразователя соответственно. Напряжение U_x с помощью фазовращателя приводится в синфазность с напряжением U₀. На опорные входы компараторов подаются напряжения с выхода источника опорного напряжения (U₀) и по цепи обратной связи с выхода преобразователя частота-напряжение (U_x). В установившемся режиме работы ( ₀=Т_х) выходная частота устройства пропорциональна измеряемой электрической проводимости.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная наличием фазовращателя в измерительной цепи устройства и вносимой им погрешности синхронизации фаз переменных напряжений U₀ и U_х.

Наиболее близким к предлагаемому измерителю по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения удельной электрической проводимости морской воды, содержащее генератор синусоидального сигнала, выход которого соединен с первичным преобразователем и входом источника опорного напряжения, компаратор, выход которого соединен с последовательно соединенными интегратором, преобразователем напряжение-частота и регистратором; второй вход компаратора соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, а второй вход с выходом источника опорного напряжения. Принцип работы устройства заключается в автоматическом уравновешивании напряжений U_x и U_п, поступающих на входы компаратора с выходов первичного преобразователя и преобразователя частота-напряжение соответственно.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная нелинейностью синусоиды выходного напряжения генератора и нестабильностью опорного напряжения, а следовательно, нелинейностью зависимости выходного напряжения U_п преобразователя частота-напряжение от изменений амплитуды выходного напряжения генератора.

Цель изобретения повышение точности измерения посредством преобразования синусоидального напряжения генератора в зарядный ток времязадающего конденсатора.

Это достигается тем, что в измеритель удельной электрической проводимости морской воды, содержащий генератор синусоидального сигнала, первичный измерительный преобразователь, компаратор, последовательно соединенные интегратор, преобразователь напряжения в частоту и регистратор, дополнительно введены последовательно соединенные делитель частоты, подключенный входом к выходу преобразователя напряжения в частоту, распределитель импульсов и управляемый RS-триггер, подключенный выходом к входу интегратора, источник переменного тока, соединенный входом с выходом генератора, а выходом с входом первичного измерительного преобразователя, выход которого через выпрямитель соединен с входом компаратора, подключенного выходом к второму входу RS-триггера, последовательно соединенные второй выпрямитель, соединенный входом с выходом генератора, источник постоянного тока, первый, второй управляемые ключи и времязадающий конденсатор, управляющие входы первого, второго ключей соединены соответственно с вторым и первым выходами распределителя, третий выход которого подключен к третьему входу управляемого RS-триггера, четвертый выход распределителя соединен с его вторым входом, второй вывод времязадающего конденсатора соединен с объединенными выходом первого ключа и вторым входом компаратора, первый вывод конденсатора заземлен.

Достижение поставленной цели связано с преобразованием переменного напряжения генератора в зарядный ток времязадающего конденсатора, время заряда которого посредством коррекции частоты преобразователя напряжение-частота устанавливается кратным периоду выходной частоты; напряжение, накопленное конденсатором, компенсирует предварительно выпрямленное выходное напряжение первичного измерительного преобразователя.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 временные диаграммы сигналов, поясняющие работу измерителя.

Измеритель удельной электрической проводимости морской воды, содержит последовательно соединенные генератор 1 синусоидального сигнала, источник 2 переменного тока, первичный измерительный преобразователь (ПИП) 3, выпрямитель 4 и компаратор 5, последовательно соединенные второй выпрямитель 6, подключенный входом к выходу генератора 1, источник 7 постоянного тока, управляемые ключи 8, 9 и времязадающий конденсатор 10, подключенный вторым выводом к объединенным выходу ключа 8 и второму входу компаратора 5, первый вывод конденсатора 10 заземлен, последовательно соединенные управляемый RS-триггер 11, интегратор 12, преобразователь 13 напряжения в частоту, делитель 14 частоты, объединенный входом с входом регистратора 15, и распределитель 16 импульсов, подключенный первым выходом к R-входу триггера 11, второй S-вход которого соединен с выходом компаратора 5, вторые управляющие входы ключей 8 и 9 подсоединены соответственно к второму и первому выходам распределителя 16, третий выход которого подключен к третьему входу триггера 11, четвертый выход распределителя соединен со своим вторым R-входом.

Измеритель работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение U_г генератора 1 преобразуется источником 2 в переменный стабилизированный по амплитуде ток I_я, питающий трехэлектродную ячейку ПИП 3: I_я U_г/R_т2, где R_т2 сопротивление токозадающего резистора источника 2. На выходе ПИП 3 образуется синусоидальное напряжение кривая 17 (на фиг. 2), амплитуда которого обратно пропорциональна удельной электрической проводимости морской воды, в которую погружается ПИП 3. Выпрямитель 4 преобразует переменное напряжение с выхода ПИП 3 в постоянное напряжение U поступающее на первый вход компаратора 5:

U K₄I_я/

где К₄ коэффициент преобразования выпрямителя 4. На втором входе компаратора 5 при этом формируется компенсационное напряжение, накапливаемое времязадающим конденсатором 10 в течение длительности _ри выходного импульса распределителя 16.

Выходные импульсы преобразователя 13 (диаграмма 18 на фиг. 2), следующие с частотой f через делитель 14, уменьшающий частоту в К₁₄ раз, поступают на С-вход распределителя 16 (диаграмма 19 на фиг. 2), импульсы на выходах 1-4 которого представлены на диаграммах 20-23 на фиг. 2. Длительность _ри импульсов на выходах 1-3 распределителя 16 определяется следующим выражанием: _ри= . В течение длительности _ри импульса (диаграмма 21 на фиг. 2) с второго выхода распределителя 16, поступающего на управляющий V-вход ключа 8, времязадающий конденсатор 10 заряжается (диаграмма 24, фиг. 2) от источника 7 постоянного тока, управляемого через выпрямитель 6 синусоидальным напряжением U_г генератора 1. Ток заряда конденсатора 10 определяется следующим выражением: I₃= , где К₆ коэффициент преобразования выпрямителя 6, R_т7 сопротивление токозадающего резистора источника 7. Напряжение U_c на обкладках конденсатора определяется временем _з заряда, током заряда I_з и емкостью С: U_c= Максимальное значение напряжения U_cmax, до которого может зарядиться конденсатор 10, определяется длительностью _ри: U_{c max}= По окончании длительности импульса 21 заряд конденсатора 10 прекращается, а с началом следующего цикла работы распределителя 16 в течение длительности импульса (диаграмма 20 на фиг. 2) с его первого выхода, открывающего ключ 8, осуществляется разряд конденсатора 10 (диаграмма 28 на фиг. 2).

Компаратор 5, сравнивающий поступающие на его входы напряжения U_c и U_, срабатывает (диаграмма 24 на фиг. 2), если их равенство достигается в течение длительности импульса 21 (см. фиг. 2), т.е. _з < <_ри. Выходной импульс компаратора 5 (диаграмма 25 на фиг. 2) устанавливает триггер 11 в состояние лог. "1", которое действует на его выходе (диаграмма 26 на фиг. 2) в течение длительности импульса (диаграмма 22 на фиг. 2) с третьего выхода распределителя 16, поступающего на вход 3 управления триггера 11. Состояние лог. "1" на выходе триггера 11 вызывает увеличение выходного напряжения интегратора 12 (диаграмма 27, фиг. 2), что приводит к увеличению частоты f выходных импульсов генератора 13, а следовательно, к уменьшению длительности _риимпульса (диаграмма 21, фиг. 2) распределителя 16, т.е. к выравниванию длительностей _з и _ри(_ри_ _з).

Если же электрическая проводимость морской воды такова, что напряжение U остается недосягаемым для напряжения U_c в течение длительности _ри (диаграмма 28, фиг. 2), сигнал на выходе компаратора 5 будет отсутствовать. Сигнал лог. "0", действующий при этом на выходе триггера 11, вызовет уменьшение выходного напряжения (диаграмма 29 на фиг. 2) интегратора 12. Частота f преобразователя 13 уменьшится, длительность _ри возрастет, создавая возможность достижения равенства U U_c в течение длительности _ри.

Таким образом, в течение нескольких циклов работы распределителя 16 наступит установившийся режим, характеризующийся условием _{з ри}, т.е. достижением равенства напряжений U U_c на границе временного интервала _ри по его окончании. Установившемуся режиму будут соответствовать следующие соотношения: _{з ри} и U U_c.

U_c= U= (1)

_ри= (2) При идентичности токозадающих резисторов: R_т2 R_т7 и схем выпрямителей K₄=K₇.

(3)

f (4) выходная частота преобразователя пропорциональна удельной электропроводимости морской воды.

Предлагаемый измеритель имеет меньшую погрешность, а также более простую схему и высокую надежность. Лабораторные испытания подтверждают снижение относительной основной погрешности на 0,02% по сравнению с прототипом.