RU165612U1

RU165612U1 - DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF AQUEOUS SOLUTIONS WITH AN EXTENDED DYNAMIC RANGE

Info

Publication number: RU165612U1
Application number: RU2015155923/28U
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Сусляев; Виктор Алексеевич Журавлев; Евгений Юрьевич Коровин; Роман Владимирович Балдов
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-10-27

Abstract

1. Устройство для измерения удельной проводимости жидкостей с расширенным динамическим диапазоном, содержащее измерительные электроды, генератор, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что в качестве источника зондирующего сигнала использован генератор знакопеременных прямоугольных импульсов, подключенный через устройство, выделяющее положительную полярность зондирующих импульсов, к входу триггера Шмитта.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор прямоугольных импульсов выполнен на операционном усилителе с большим входным сопротивлением.1. A device for measuring the conductivity of liquids with an extended dynamic range, containing measuring electrodes, a generator, a recording device, characterized in that a source of alternating rectangular pulses is used as the source of the probing signal, connected through a device that emits the positive polarity of the probe pulses to the trigger input Schmitt. 2. The device according to claim 1, characterized in that the rectangular pulse generator is made on an operational amplifier with a large input impedance.

Description

Полезная модель относится к способам и устройствам измерения удельной электропроводности водных растворов, конкретней - к кондуктометрическим системам на основе переменного тока.The utility model relates to methods and devices for measuring the electrical conductivity of aqueous solutions, and more particularly, to conductometric systems based on alternating current.

На сегодняшний день измерение удельной электропроводности водных сред можно разделить на два класса: на постоянном токе и переменном токе низкой частоты.Today, the measurement of the electrical conductivity of aqueous media can be divided into two classes: direct current and alternating current of low frequency.

В основе кондуктометрических устройств, работающих на постоянном токе, лежат двухэлектродные датчики. Их основным недостатком является относительно высокая погрешность, связанная с поляризацией двойных слоев жидкости у электродов, а так же возникающие токи утечки. Для устранения данных недостатков применяют трех и четырех электродные системы (Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений Издательство «Ленинград гидрометеоиздат» М: 1991 С. 35-44), а также электроды специальной формы (RU 2392613, ЕР 1621876).The basis of conductive devices operating on direct current, are two-electrode sensors. Their main disadvantage is the relatively high error associated with the polarization of the double layers of liquid at the electrodes, as well as the occurring leakage currents. To eliminate these shortcomings, three and four electrode systems are used (IS Kovchin. Autonomous oceanographic measuring instruments, Leningrad Gidrometeoizdat Publishing House M: 1991 S. 35-44), as well as special-shaped electrodes (RU 2392613, EP 1621876).

Основной задачей кондуктометров, работающих на переменном токе, является устранение эффекта поляризации двойных слоев жидкости у измерительных электродов. Существенным недостатком данных устройств является необходимость применения нескольких узкодиапазонных кондуктометров с различным типом измерительных ячеек, либо существенное усложнение измерительной схемы для снижения погрешности. Такие проблемы, в частности, возникают при измерении больших значений удельной проводимости, например, при исследовании морской воды (RU 2312331).The main task of conductometers operating on alternating current is to eliminate the polarization effect of double layers of liquid in the measuring electrodes. A significant drawback of these devices is the need to use several narrow-band conductometers with various types of measuring cells, or a significant complication of the measuring circuit to reduce the error. Such problems, in particular, arise when measuring large values of conductivity, for example, in the study of sea water (RU 2312331).

Известно техническое решение (RU 132892), в котором в качестве знакопеременного сигнала используются импульсы напряжения треугольной формы. Недостатком технического решения является относительная сложность схемы. Кроме того, измерители с питанием датчиков переменным током ограничены по точности из-за необходимости применения преобразователя ток-напряжение перед регистрацией или аналого-цифровым преобразованием, который вносит дополнительную погрешность тока.A technical solution is known (RU 132892), in which triangular voltage pulses are used as an alternating signal. The disadvantage of the technical solution is the relative complexity of the circuit. In addition, meters with sensors powered by alternating current are limited in accuracy due to the need to use a current-voltage converter before registration or analog-to-digital conversion, which introduces an additional current error.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является высокопроизводительное устройство с пульсирующим датчиком для мониторинга проводимости (P. Sahoo, N. Malathi, К. Praveen, R. Ananthanarayanan, A.D. Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci. Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063/1.3449552). Принято за прототип.Closest to the proposed technical solution is a high-performance device with a pulsating sensor for monitoring conductivity (P. Sahoo, N. Malathi, K. Praveen, R. Ananthanarayanan, AD Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063 / 1.3449552). Taken as a prototype.

Согласно прототипу, устройство содержит измерительные электроды, включенные в частотозадающую цепь генератора однополярных прямоугольных импульсов на логических элементах, и регистрирующее устройство.According to the prototype, the device contains measuring electrodes included in the frequency-setting circuit of a generator of unipolar rectangular pulses on logic elements, and a recording device.

Устройство работает следующим образом: при погружении электродов в исследуемую жидкость изменяется сопротивление в частотозадающей цепи генератора. При этом частота прямоугольных импульсов обратно пропорциональна сопротивлению исследуемой жидкости и прямо пропорциональна ее проводимости. Полученный сигнал без дополнительной обработки подается на регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов, порт персонального компьютера.The device operates as follows: when the electrodes are immersed in the test liquid, the resistance in the frequency-setting circuit of the generator changes. In this case, the frequency of rectangular pulses is inversely proportional to the resistance of the investigated fluid and is directly proportional to its conductivity. The received signal without additional processing is fed to a recording device, which can be a frequency meter, oscilloscope, pulse counter, port of a personal computer.

Результатом данного технического решения является простота исполнения электронной части схемы, не требующая дополнительных преобразований сигнала для передачи в устройство регистрации и индикации.The result of this technical solution is the ease of execution of the electronic part of the circuit, which does not require additional signal transformations for transmission to the registration and indication device.

Основными недостатками данного технического решения является высокая погрешность измерений в случае близости сопротивления измеряемой жидкости к входному сопротивлению одновибратора за счет применения однополярных импульсов и образования двойного электрического слоя. Образование двойного электрического слоя вызвано тем, что на электродах существует постоянная составляющая напряжения, и среднее значение тока через измерительные электроды за период повторения импульсов отлично от нуля.The main disadvantages of this technical solution is the high measurement error in the case of proximity of the resistance of the measured fluid to the input resistance of a univibrator due to the use of unipolar pulses and the formation of a double electric layer. The formation of a double electric layer is caused by the fact that a constant voltage component exists on the electrodes, and the average value of the current through the measuring electrodes during the pulse repetition period is nonzero.

Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерений удельной проводимости жидкостей путем устранения эффекта поляризации двойных слоев жидкости у электродов и повышения входного сопротивления автогенератора.The objective of this utility model is to increase the accuracy and expand the measurement range of the conductivity of liquids by eliminating the polarization effect of double layers of liquid at the electrodes and increasing the input resistance of the oscillator.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения удельной проводимости жидкостей, как в прототипе, содержит измерительные электроды, генератор, регистрирующее устройство, но отличается тем, что в качестве источника генерируемого сигнала использован генератор знакопеременных прямоугольных импульсов с последующим выделением положительной полярности и подачей сигнала на вход триггера Шмитта, который обеспечивает сохранение формы импульса. Генератор может быть выполнен на операционном усилителе с большим входным сопротивлением.The solution to this problem is achieved in that the device for measuring the conductivity of liquids, as in the prototype, contains measuring electrodes, a generator, a recording device, but differs in that a generator of alternating rectangular pulses is used as a source of the generated signal, followed by isolation of the positive polarity and signal to the input of the Schmitt trigger, which ensures the preservation of the pulse shape. The generator can be performed on an operational amplifier with a large input impedance.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для измерения удельной электропроводности водных растворов с расширенным динамическим диапазоном. Здесь 1 - измерительные электроды; 2 - генератор разнополярных прямоугольных импульсов (ГРПИ); 3 - устройство, выделяющее положительную полярность зондирующих импульсов, в качестве которого может выступать диод; 4 - триггер Шмитта; 5 - регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов, или сигнал может сразу подаваться на порт компьютера.In FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring the electrical conductivity of aqueous solutions with an extended dynamic range. Here 1 - measuring electrodes; 2 - a generator of bipolar rectangular pulses (GRPI); 3 - a device that emits the positive polarity of the probe pulses, which can be a diode; 4 - Schmitt trigger; 5 - a recording device, which can be a frequency meter, oscilloscope, pulse counter, or a signal can be immediately fed to a computer port.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При погружении электродов в исследуемую жидкость изменяется сопротивление в частотозадающей цепи генератора разнополярных прямоугольных импульсов. При этом частота импульсов обратно пропорциональна сопротивлению исследуемой жидкости и прямо пропорциональна ее проводимости. Применение прямоугольных знакопеременных импульсов позволяет устранить эффект поляризации двойных слоев жидкости у электродов. Далее на устройстве выделения положительной полярности происходит обрезание отрицательной полярности. После этого зондирующий сигнал попадает на вход триггера Шмитта, который служит для предотвращения возможных искажений формы импульса, причем частота генерируемых импульсов не изменяется. Полученный сигнал подается на регистрирующее устройство, в качестве которого может выступать частотомер, осциллограф, счетчик импульсов или порт персонального компьютера. Применение операционного усилителя с большим входным сопротивлением приводит к дополнительному расширению динамического диапазона.When the electrodes are immersed in the test liquid, the resistance in the frequency-setting circuit of a generator of bipolar rectangular pulses changes. In this case, the pulse frequency is inversely proportional to the resistance of the investigated fluid and is directly proportional to its conductivity. The use of rectangular alternating pulses eliminates the polarization effect of the double layers of liquid at the electrodes. Next, the negative polarity is cut off on the positive polarity isolation device. After that, the probe signal enters the input of the Schmitt trigger, which serves to prevent possible distortion of the pulse shape, and the frequency of the generated pulses does not change. The received signal is fed to a recording device, which can be a frequency meter, an oscilloscope, a pulse counter, or a personal computer port. The use of an operational amplifier with a large input impedance leads to an additional expansion of the dynamic range.

Принципиальная схема устройства представлена на фиг. 2.A schematic diagram of the device is shown in FIG. 2.

Как видно из схемы, здесь в качестве источника генерируемого сигнала использован генератор знакопеременных прямоугольных импульсов 2 с выделением положительной полярности на диоде 3. Сигналы подаются на вход триггера Шмитта 4. Триггер Шмитта обеспечивает сохранение формы импульса. При этом генератор выполнен на операционном усилителе с большим входным сопротивлением. Полученные сигналы с выхода 5 подаются на регистрирующее устройство, например, на персональный компьютер.As can be seen from the diagram, here, an alternating rectangular pulse generator 2 with positive polarity on diode 3 is used as the source of the generated signal. The signals are fed to the input of the Schmitt trigger 4. The Schmitt trigger ensures the preservation of the pulse shape. In this case, the generator is made on an operational amplifier with a large input impedance. The received signals from output 5 are fed to a recording device, for example, to a personal computer.

Для проверки предложенной полезной модели проведены измерения удельной электропроводности приготовленных стандартных образцов жидкостей по методике, описанной в ГОСТ Р 50.2.021 Эталонные растворы удельной электрической проводимости жидкостей: Методика приготовления и первичной проверки. / ГП «ВНИИФТРИ», - М.: Госстандарт России. - 2002. - 10 с.To verify the proposed utility model, we measured the electrical conductivity of the prepared standard samples of liquids according to the method described in GOST R 50.2.021 Reference solutions of the specific electrical conductivity of liquids: Methods of preparation and initial verification. / SE "VNIIFTRI", - M .: Gosstandart of Russia. - 2002. - 10 s.

Результаты представлены на фиг. 3. Из полученных зависимостей для удельной проводимости видно, что динамический диапазон прототипа ограничен величиной, равной 1,2 мСм/см, тогда как у заявленной полезной модели величина удельной проводимости достигает 70 мСм/см.The results are shown in FIG. 3. From the obtained dependences for the specific conductivity it is seen that the dynamic range of the prototype is limited to a value of 1.2 mS / cm, while the claimed utility model has a specific conductivity of up to 70 mS / cm.

Для оценки погрешности измерений были приготовлены стандартные растворы проводимостей по методике, описанной в ГОСТ Р 50.2.021 Эталонные растворы удельной электрической проводимости жидкостей: Методика приготовления и первичной проверки. / ГП «ВНИИФТРИ», - М.: Госстандарт России. - 2002. - 10 с. Полученные результаты представлены в табл. 1, из которой видно, что оцененная относительная погрешность не превышает 2%.To assess the measurement error, standard conductivity solutions were prepared according to the procedure described in GOST R 50.2.021 Reference solutions for the specific electrical conductivity of liquids: Methods of preparation and initial verification. / SE "VNIIFTRI", - M .: Gosstandart of Russia. - 2002. - 10 s. The results are presented in table. 1, from which it can be seen that the estimated relative error does not exceed 2%.

Технический результат - повышение точности и расширение диапазона измерений удельной проводимости жидкостей путем устранения эффекта поляризации двойных слоев жидкости у электродов и повышения входного сопротивления автогенератора.EFFECT: increased accuracy and expansion of the range of measurements of the specific conductivity of liquids by eliminating the polarization effect of double layers of liquid at the electrodes and increasing the input resistance of the oscillator.

Библиография:Bibliography:

1. Ковчин И.С.Автономные океанографические средства измерений Издательство «Ленинград гидрометеоиздат» М: 1991 С. 35-44.1. Kovchin I. S. Autonomous oceanographic measuring instruments. Publishing house “Leningrad gidrometeoizdat” M: 1991 S. 35-44.

2. RU 2392613.2. RU 2392613.

3. ЕР 1621876.3. EP 1621876.

4. RU 2312331 С.4. RU 2312331 S.

5. RU 132892 U.5. RU 132892 U.

6. P. Sahoo, N. Malathi, K. Praveen, R. Ananthanarayanan, A.D. Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci. Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063/1.3449552 (прототип).6. P. Sahoo, N. Malathi, K. Praveen, R. Ananthanarayanan, A.D. Arun et al. High performance conductivity monitoring instrument with pulsating sensor // Rev. Sci. Instrum. 81, 065109 (2010); doi: 10.1063 / 1.3449552 (prototype).

Claims

1. A device for measuring the conductivity of liquids with an extended dynamic range, containing measuring electrodes, a generator, a recording device, characterized in that a source of alternating rectangular pulses is used as a probe signal source, connected through a device emitting a positive polarity of the probe pulses to the trigger input Schmitt.

2. The device according to p. 1, characterized in that the rectangular pulse generator is made on an operational amplifier with a large input impedance.