кондуктометр

Формула изобретения

Кондуктометр, содержащий контактный датчик электропроводности, источник постоянного напряжения, генератор прямоугольных импульсов, четырехплечий мостовой коммутатор с управляемыми ключами в плечах, управляющие входы которых в противолежащих плечах попарно объединены и соединены с выходом генератора прямоугольных импульсов для первой пары непосредственно и для второй пары через инвертор, причем вторая вершина первой диагонали моста заземлена, последовательно включенные демодулятор, управляемый генератором прямоугольных импульсов, и фильтр низких частот, отличающийся тем, что он содержит контактный датчик электропроводности с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, источник опорного напряжения, выход которого подан на первый вход первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, эмиттер которого подан на первую вершину первой диагонали мостового коммутатора, вершины второй диагонали которого соединены с токовыми электродами датчика, потенциальные электроды датчика поданы на последовательно включенные демодулятор, фильтр низких частот и инструментальный усилитель, выход которого соединен со вторым входом первого операционного усилителя, коллектор транзистора через нагрузочный резистор соединен с выходом источника постоянного напряжения, выводы нагрузочного резистора поданы на входы второго операционного усилителя, выход которого является внешним выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения электрической проводимости жидкостей.

Оно может быть использовано в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды.

Известны измерители электропроводности жидкости, содержащие четырехэлектродные датчики, включенные в схемы вторичных измерительных преобразователей с питанием датчиков по токовым электродам постоянным или переменным током и съемом информативного сигнала напряжения с потенциальных электродов [1].

Измерители с питанием датчиков постоянным током имеют ограниченную точность из-за поляризации электродов и возникновения нестабильности пограничного слоя на электродах.

Измерители с питанием датчиков переменным током ограничены по точности из-за необходимости преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока перед регистрацией или аналого-цифровым преобразованием.

Другим недостатком всех устройств, в которых напряжение с потенциальных электродов прямо используется для определения электропроводности жидкости, является обратная функциональная зависимость результата измерения от проводимости, что приводит к потере чувствительности при больших проводимостях, например, характерных для морской воды.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому устройству является дифференциальный кондуктометр, содержащий четырехплечий мост из ключей, к одной диагонали которого подключен источник постоянного напряжения, а к другой через конденсаторы подключены эталонная и измерительная двухэлектродные ячейки, выходы которых поданы на сумматор тока, выход которого подключен к демодулятору и фильтру низких частот [2]. В этом устройстве питание двух двухэлектродных датчиков осуществляется в противофазе знакопеременным постоянным напряжением (меандром) и токи через датчики (ячейки) пропорциональны проводимостям жидкостей. Однако нестабильность сопротивления переходного слоя на жидких электродах ограничивает точность устройства.

Прототип содержит следующие признаки, совпадающие с существенными признаками заявленного изобретения: контактный датчик электропроводности, источник постоянного напряжения, генератор прямоугольных импульсов, четырехплечий мостовой коммутатор с управляемыми ключами в плечах, управляющие входы которых в противолежащих ключах попарно объединены и соединены с входом генератора прямоугольных импульсов для первой пары непосредственно и для второй пары через инвертор, причем вторая вершина первой диагонали моста заземлена, последовательно включенные демодулятор, управляемый генератором прямоугольных импульсов, и фильтр низких частот.

В основу изобретения поставлена задача создания кондуктометра, в котором за счет совместного применения четырехэлектродного датчика, питаемого знакопеременным током, и преобразователя проводимости жидкости между потенциальными электродами в постоянный ток и далее в постоянное напряжение обеспечивается технический результат - обеспечение пропорциональной зависимости выходного сигнала кондуктометра от проводимости жидкости и повышение точности.

Поставленная задача решается тем, что кондуктометр с четырехэлектродным датчиком выполнен по схеме управляемого генератора тока на транзисторе и содержит источник опорного напряжения, выход которого подан на первый вход первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, коллектор которого через нагрузочный резистор соединен с выходом источника постоянного напряжения, а эмиттер через четырехплечий мостовой коммутатор и токовые электроды датчика соединен с общей шиной, потенциальные электроды датчика соединены с последовательно включенными демодулятором, фильтром низких частот и инструментальным усилителем, выход которого подан на второй вход первого операционного усилителя, управляющие входы ключей в противолежащих плечах моста попарно объединены, генератор прямоугольных импульсов, выход которого подан на управляющие входы демодулятора и первой пары ключей и через инвертор - на управляющие входы второй пары ключей, выходы нагрузочного резистора поданы на входы второго операционного усилителя, выход которого является внешним выходом устройства.

Структурная схема устройства представлена на чертеже. Устройство содержит четырехэлектродный датчик 1 с токовыми Т и потенциальными П электродами, четырехплечий мостовой коммутатор 2 направления тока через датчик с ключами 2₁, 2₂, 2 ₃ и 2₄ в плечах, транзистор 3, коллектор которого через нагрузочный резистор 4 соединен с выходом источника постоянного напряжения (ИПН) 5, а эмиттер соединен с первой вершиной первой диагонали мостового коммутатора 2, вторая вершина которой заземлена. Потенциальные электроды датчика соединены с входами демодулятора (ДМ) 6, выход которого подан на последовательное включенные фильтр низких частот (ФНЧ) 7 и инструментальный усилитель 8, выход которого подан на второй вход операционного усилителя 9, первый вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения (ИОН) 10, а выход подан на базу транзистора 3.

Выход генератора прямоугольных импульсов 11 подан на управляющие входы демодулятора 6 и первой пары ключей 2₁ и 2₃ и через инвертор (ИН) 12 - на управляющие входы второй пары ключей 2₂ и 2 ₄. Выводы нагрузочного резистора 4 поданы на входы второго операционного усилителя 13, выход которого является внешним выходом устройства.

Транзистор 3 выполняет роль регулирующего в управляемом генераторе тока. Это может быть транзистор типа КТ361.

Токозадающую цепь генератора тока образуют датчик 1, включенный в эмиттерную цепь транзистора через четырехплечий мостовой коммутатор 2, служащий для изменения направления тока через токовые электроды датчика. В качестве ключей могут быть использованы электронные ключи типа 561 КТ3.

Цепь обратной связи генератора тока образуют последовательно включенные демодулятор 6, фильтр низких частот 7 и инструментальный усилитель 8. Демодулятор 6 предназначен для преобразования знакопеременного напряжения квазипостоянной амплитуды в постоянное. В качестве демодулятора 6 целесообразно использовать второй четырехплечий мостовой коммутатор, аналогичный коммутатору 2.

Фильтр низких частот 7 служит для сглаживания пульсаций от переходных процессов при переключении направления тока через датчик. Фильтром низких частот может быть RC- или LC-фильтр.

Инструментальный усилитель 8 предназначен для передачи и усиления в k раз сигнала обратной связи, снимаемого с потенциальных электродов датчика и прошедшего демодуляцию и сглаживание. В качестве инструментального усилителя может быть использована микросхема INA111.

Операционный усилитель 9 предназначен для сравнения (вычитания) опорного напряжения с выхода источника 10 и сигнала обратной связи. Эту задачу может решать операционный усилитель типа ОРА 137.

Генератор прямоугольных импульсов 11 служит для выдачи последовательности импульсов со скважностью 0,5 (типа меандр) на демодулятор 6 и на управляющие входы ключей 2₁ и 2₃ коммутатора 2, которые замыкаются на время импульса. Инвертор 12 служит для выработки импульсов на управляющие входы ключей 2₂ и 2₄, на время паузы в импульсной последовательности с выхода генератора 11.

В совокупности генератор 11 и инвертор 12 могут быть реализованы в составе генератора импульсов и счетного триггера, причем выход генератора соединен со счетным входом триггера, а выходы прямого и инверсного управляющих сигналов взяты с разных плеч триггера.

Управляющие сигналы на коммутатор могут быть поданы извне, например, от микроконтроллера.

Частота импульсов от генератора 11 устанавливается такой, чтобы переходные процессы после переключения направления тока в датчике, вызванные наличием емкости электролита, успевали бы завершиться. Эта частота устанавливается экспериментально для конкретного датчика и жидкости.

Операционный усилитель 13 служит для съема и привязки к "земле" напряжения с нагрузочного резистора 13. Эту задачу может решить микросхема ОРА 137.

Кондуктометр работает следующим образом.

Датчик электропроводности помещен в жидкость. Управляющим импульсом с генератора 11 ключи 2₁ и 2 ₃ замкнуты, а ключи 2₂ и 2 ₄ разомкнуты. Через транзистор 3, ключ 2 ₁, токовые электроды ТТ датчика 1, ключ 2 ₃ протекает ток I.

На потенциальных электродах ПП датчика 1 возникает постоянное напряжение

где G_x - электропроводность участка жидкости между потенциальными электродами.

Напряжение U_ПП через демодулятор 6, фильтр низких частот 7 поступает на вход инструментального усилителя 8, усиливается в "k₁" раз и подается на второй вход операционного усилителя 7 для сравнения с опорным напряжением U_ОП. Сигнал разбаланса поступает с выхода операционного усилителя 7 на базу транзистора 3 и в цепи транзистора автоматически устанавливается ток I, при котором

k ₁U_ПП=U_ОП,

следовательно, ,

При этом напряжение U на нагрузочном резисторе 4 сопротивлением R_H будет равно

Напряжение U поступает на вход операционного усилителя 13, усиливается при необходимости в k₂ раз и поступает на внешний выход устройства равным

где - постоянная, зависящая от параметров схемы устройства.

В следующем такте, во время паузы между импульсами от генератора 14 ключи 2₁ и 2₃ размыкаются, ключи 2₂ и 2 ₄ замыкаются, направление постоянного тока через токовые электроды ТТ датчика изменяется на противоположное, полярность напряжения на потенциальных электродах ПП после окончания переходного процесса изменяется на противоположную (-U_п ). Однако демодулятор 6, управляемый сигналом от генератора 11, восстанавливает исходную полярность постоянного напряжения (U_ПП), а фильтр низких частот 7 сглаживает помехи от переходных процессов.

На входе инструментального усилителя 8 сохраняется сигнал постоянного напряжения U _ПП без изменения полярности и устройство работает так же, как и в первом такте. Далее такты работы повторяются.

Таким образом, опрос четырехэлектродного датчика электропроводности осуществляется разнополярным постоянным током, а выходным информативным сигналом, пропорциональным электропроводности жидкости, является напряжение постоянного тока, которое легко преобразуется в код. Это позволяет исключить погрешности, присущие контактным датчикам при работе на постоянном токе, и исключить использование преобразователя переменного тока в код, необходимого при опросе датчика переменным током.

Источники информации

1. Степанок И.А. Океанологические измерительные преобразователи. М.: Гидрометеоиздат. - 270 с.

2. Патент РФ №2006844, 5 G01N 27/02. Дифференциальный кондуктометр. К.Д.Латария, С.М.Бениашвили, Г.Н.Сехниашвили, М.В.Гаприндашвили. БИ №2, 1994, с.131 - прототип.