RU2024885C1

RU2024885C1 - Device for measuring conductance

Info

Publication number: RU2024885C1
Authority: RU
Inventors: Роберт Айкович Симонян; Хачик Владимирович Григорян; Арпат Санджанович Аванесян
Original assignee: Институт радиофизики и электроники АН Армении
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device for measuring the conductance has a controlled oscillator of sine-shaped voltage, two terminals, a capacitor, a resistor, a lower-pass filter. An alternating voltage amplifier, a shaper of antiphase square voltage pulses from the sine-shaped ones, a synchronous detector with a synchronous filter are introduced into the device. The stabilized source of the sine-shaped voltage creates current flow through series connected measuring two-electrode cell and resistor. The voltage on the resistor is proportional to the conductance value. It is amplified, filtered from the noise of the amplification first stage, from interferences and adjustments, is converted into the constant voltage and is measured by the constant voltage recorder. EFFECT: enhanced accuracy of measurement and control of electric parameters. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения средних значений электрической проводимости и может быть использовано для измерения и контроля параметров различных электропроводящих сред. The invention relates to measuring equipment, is intended to measure the average values of electrical conductivity and can be used to measure and control the parameters of various electrically conductive media.

Известно устройство для измерения средних значений электропроводимости, использующее способ непосредственного преобразования проводимости в выходной сигнал. В этом устройстве напряжение источника переменного напряжения модулируется по амплитуде сопротивления контактной измерительной ячейки и после детектирования на выходе устройства появляется электрическое напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна измеряемой электрической проводимости [1]. A device for measuring average values of electrical conductivity using a method of directly converting conductivity into an output signal is known. In this device, the voltage of the AC voltage source is modulated by the amplitude of the resistance of the contact measuring cell, and after detection, a direct current voltage appears on the output of the device, the value of which is proportional to the measured electrical conductivity [1].

Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная изменением режима работы устройства при изменении средних значений проводимости в широком диапазоне. A disadvantage of the known device is the limited accuracy of the measurements, due to a change in the operating mode of the device when changing the average conductivity in a wide range.

Известно также устройство для измерения проводимости жидкости, которое содержит генератор синусоидального напряжения, подключенный через цепь температурной компенсации к неинвертирующему входу операционного усилителя, двухэлектродную измерительную ячейку, соединенную одним электродом с общим проводом устройства, а вторым электродом через разделительный конденсатор с инвертирующим входом операционного усилителя, выход усилителя соединен со своим инвертирующим входом через параллельно включенные резистор и конденсатор, выход операционного усилителя соединен с последовательно включенным амплитудным детектором и фильтром низких частот, выход фильтра соединен с регистратором [2] . Аналогичное решение применено в выпускаемом в промышленности Венгрии кондуктомере ОК-104 [3]. A device for measuring the conductivity of a liquid is also known, which contains a sinusoidal voltage generator connected through a temperature compensation circuit to a non-inverting input of the operational amplifier, a two-electrode measuring cell connected by one electrode to the device’s common wire, and the second electrode through an isolation capacitor with an inverting input of the operational amplifier, the output the amplifier is connected to its inverting input through a parallel-connected resistor and capacitor, the output is ope a radiation amplifier is connected to a series-connected amplitude detector and a low-pass filter, the filter output is connected to a recorder [2]. A similar solution was used in the OK-104 conductivity meter manufactured in Hungary [3].

Недостатками известного устройства являются малая точность измерения, плохая помехоустойчивость. The disadvantages of the known devices are low measurement accuracy, poor noise immunity.

Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерений. The purpose of the invention is to improve the accuracy and noise immunity of measurements.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения проводимости, содержащее стабилизированный генератор синусоидального напряжения, две клеммы для подключения измерительной ячейки, конденсатор, резистор, фильтр нижних частот, к выходу которого соединен регистратор, введены усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор с синхронным фильтром и формирователь 2-х противофазных прямоугольных импульсов напряжения с синусоидального, при этом выход генератора соединен с входом формирователя импульсов непосредственно и через конденсатор с первой клеммой, вторая клемма соединена с входом усилителя переменного тока непосредственно и через резистор с общим проводом, выход усилителя напряжения переменного тока соединен с входом фильтра нижних частот через синхронный детектор с синхронным фильтром, а входы управления синхронного фильтра с синхронным детектором соединены с выходами формирователя импульсов. The goal is achieved by the fact that in the device for measuring conductivity, containing a stabilized sinusoidal voltage generator, two terminals for connecting the measuring cell, a capacitor, a resistor, a low-pass filter, to the output of which a recorder is connected, an AC voltage amplifier, a synchronous detector with a synchronous filter and a shaper of 2 antiphase rectangular voltage pulses with a sinusoidal one, while the output of the generator is connected to the input of the pulse shaper directly and through a capacitor with a first terminal, a second terminal connected to the input of the AC amplifier directly and through a resistor with a common wire, the output of the AC voltage amplifier is connected to the input of the low-pass filter through a synchronous detector with a synchronous filter, and the control inputs of the synchronous filter with a synchronous detector are connected to the outputs pulse shaper.

Применение в устройстве малошумящего усилителя напряжения переменного тока повышает точность измерения за счет исключения влияния самонагрева, так как измерения проводятся в микромощностных режимах. Повышение точности измерения обеспечивается еще тем, что на результат измерения не влияют емкостная составляющая измеряемой ячейки, а также паразитная емкость соединительных проводов, благодаря применению фазочувствительного каскада - синхронного фильтра с детектором. Применение синхронного фильтра с синхронным детектором в цепи обработки сигнала приводит также к повышению помехоустойчивости. The use of a low-noise AC voltage amplifier in the device increases the accuracy of the measurement by eliminating the influence of self-heating, since the measurements are carried out in micropower modes. Improving the measurement accuracy is also ensured by the fact that the capacitive component of the measured cell, as well as the stray capacitance of the connecting wires, are not affected by the measurement result due to the use of a phase-sensitive cascade - a synchronous filter with a detector. The use of a synchronous filter with a synchronous detector in the signal processing circuit also leads to increased noise immunity.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения электрической проводимости. The drawing shows a functional diagram of a device for measuring electrical conductivity.

Устройство содержит две клеммы 1 и 2 для подключения измерительной ячейки, резистор 3, усилитель напряжения переменного тока 4, синхронный детектор с синхронным фильтром (СДСФ) 5, фильтр нижних частот 6, регистратор 7, стабилизированный генератор синусоидального напряжения (СГСН) 8, формирователь 2-х противофазных прямоугольных напряжений с синусоидального 9, и конденсатор 10. 2-х электродная измерительная ячейка соединяется к клеммам 1 и 2. Первая клемма через конденсатор 10 соединена с выходом СГСН 8, а клемма 2 соединена с выходом усилителя 4, а также с общим проводом через резистор 3. Усилитель напряжения 4 выходом соединен с входом регистратора 7 через последовательно включенные СФСД 5 и фильтр нижних частот 6. Выход СГСН 8 соединен также с выходом формирователя импульсов 9, противофазные выходы которого соединены с входами управления СФСД 5. The device contains two terminals 1 and 2 for connecting a measuring cell, a resistor 3, an AC voltage amplifier 4, a synchronous detector with a synchronous filter (SDSF) 5, a low-pass filter 6, a recorder 7, a stabilized sinusoidal voltage generator (SGBF) 8, a shaper 2 -phase-phase rectangular voltages with a sinusoidal 9, and a capacitor 10. A 2-electrode measuring cell is connected to terminals 1 and 2. The first terminal is connected through the capacitor 10 to the output of the SGSN 8, and terminal 2 is connected to the output of the amplifier 4, and that the same is grounded via the resistor 3. The voltage amplifier 4 output is connected to the input of recorder 7 via a series connection SFSD 5 and a lowpass filter 6. The output SGSN 8 is further connected with the output of the pulse shaper 9, antiphase outputs are connected to control inputs SFSD 5.

Работа устройства поясняется на примере измерения параметров электропроводящей жидкости. Двухэлектродная измерительная ячейка с измеряемой жидкостью соединяется с клеммами 1 и 2. Синусоидальное напряжение с выхода генератора 8 через конденсатор 10 прилагается к клемме 1. Образованный ток проходит через измерительную ячейку, резистор 3 к общему проводу. Падение напряжения на резисторе 3 будет иметь следующую величину. The operation of the device is illustrated by measuring the parameters of a conductive fluid. A two-electrode measuring cell with the measured liquid is connected to terminals 1 and 2. A sinusoidal voltage from the output of the generator 8 through the capacitor 10 is applied to terminal 1. The generated current passes through the measuring cell, the resistor 3 to the common wire. The voltage drop across the resistor 3 will have the following value.

U_RЗ=

, где U_R3 - падение напряжения на резисторе 3;
U_г - величина напряжения на выходе СГСН 8;
R_г - выходное сопротивление СГСН 8;
R_я - величина сопротивления измеряемой ячейки;
R₃ - величина сопротивления резистора 3. Обычно R_я >> R_г (величина сопротивления ячеек обычно составляет десятки или сотни килоом тогда, как выходное сопротивление генераторов составляет несколько ом и меньше).U _RЗ =

where U _R3 is the voltage drop across the resistor 3;
U _g - the voltage at the output of the SGSN 8;
R _g - output impedance SGSN 8;
R _i - the resistance value of the measured cell;
R ₃ is the resistance value of resistor 3. Usually R _i >> R _g (the resistance value of the cells is usually tens or hundreds of kilo-ohms, while the output resistance of the generators is several ohms or less).

Кроме того, величина сопротивления 3 подбирается так, чтобы выполнялось условие R₃ << R_я, тогда U_RЗ=

= U_Г·R_З·G_Я , где G_Я=

- величина проводимости измерительной ячейки.In addition, the resistance value 3 is selected so that the condition R ₃ << R _{i is} satisfied, then U _RЗ =

= U _Г · R _З · G _Я , where G _Я =

- the value of the conductivity of the measuring cell.

Отсюда видно, что падение напряжения на резисторе 3 пропорционально величине проводимости ячейки. From this it can be seen that the voltage drop across the resistor 3 is proportional to the value of the cell conductivity.

После усиления усилителем 4 переменного тока напряжение фильтруется от шумов первого каскада усилителя 4, от напряжения наводок и помех и преобразуется в напряжение постоянного тока в синхронном детекторе с синхронным фильтром 5. After amplification by the AC amplifier 4, the voltage is filtered from the noise of the first stage of the amplifier 4, from the interference voltage and interference, and converted into a DC voltage in a synchronous detector with a synchronous filter 5.

Так как СДСФ 5 является фазоизбирательной системой, а величина фазового сдвига между входом и выходом формирователя импульсов 9 нулевая, то напряжение на выходе СДСФ 5 пропорционально активной составляющей проводимости ячейки, так как эта составляющая вызывает ток через резистор 3 с нулевым фазовым сдвигом. Since SDSF 5 is a phase-selective system, and the phase shift between the input and output of the pulse shaper 9 is zero, the voltage at the output of SDSF 5 is proportional to the active component of the cell conductivity, since this component causes a current through the resistor 3 with zero phase shift.

Емкостная составляющая проводимости измерительной ячейки, а также паразитная емкость соединительных проводов создают ток через резистор 3, сдвинутый по фазе на 90^о. Вызванная этим составляющая напряжение после усилителя 4 ослабляется до нулевой величины на выходе СДСФ 5 и в конечном итоге не влияет на результат измерения.The capacitive component of the conductivity of the measuring cell, as well as the stray capacitance of the connecting wires create a current through the resistor 3, phase shifted by 90 ^about . The resulting component voltage after the amplifier 4 is attenuated to zero at the output of the SDSF 5 and ultimately does not affect the measurement result.

Выходное напряжение СДСФ 5 фильтруется от коммутационных помех электронных ключей СДСФ 5 фильтром нижних частот 6 и измеряется регистратором напряжения постоянного тока 7. The output voltage of the SDSF 5 is filtered from switching interference of electronic keys SDSF 5 low-pass filter 6 and is measured by the DC voltage recorder 7.

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока измеряется регистратором 7, оно пропорционально величине активной проводимости ячейки и с учетом постоянной ячейки пропорционально проводимости измеряемой жидкости. Thus, the output DC voltage is measured by the recorder 7, it is proportional to the value of the active conductivity of the cell and taking into account the constant cell is proportional to the conductivity of the measured liquid.

В разработанном макете устройства для измерения электрической проводимости в качестве СГСН 8 использована схема низкочастотного генератора синусоидального напряжения согласно [4]. Выходной каскад генератора выполнен на операционном усилителе К157УД1А. Для формирования импульсов управления ключей СДСФ 5 применялся ФП на основе усилителя ограничителя на интегральном операционном усилителе с последующими формирователями однополярных противофазных импульсов на основе биполярных транзисторов. Для реализации СДСФ 5 использована схема, аналогичная по известному принципу работе схемой с двумя электронными ключами. Постоянная времени интегрирования для СДСФ 5 составляет 3 с. Фильтр нижних частот 6 представляет собой однозвенный интегратор с постоянной времени 0,1 с. Усилитель напряжения 4 реализован на операционных усилителях, при этом на входном каскаде применен малошумящий операционный усилитель серии К153УД4, а на выходной - К153УД6. В качестве регистратора применен щитовой цифровой вольтметр постоянного тока Ф216-1/2. При токе через измерительную ячейку до 10 мкА величина измеряемых проводимостей составила от 10^-2 до 10^-8 сим. Для калибровки устройства к клеммам 1 и 2 подключились высокоточные резисторы серии С2-14 или С2-29 и изменением коэффициента передачи усилителя 4 приводились показания регистратора 7 в соответствие с реальной величиной измеряемой проводимости (с учетом постоянной измерительной ячейки).In the developed model of the device for measuring electrical conductivity, the low-frequency generator of the sinusoidal voltage according to [4] is used as the SGSN 8. The output stage of the generator is made on the operational amplifier K157UD1A. To generate the control pulses of the SDSF 5 keys, an FP was used based on a limiter amplifier on an integrated operational amplifier with subsequent shapers of unipolar antiphase pulses based on bipolar transistors. To implement SDSF 5, a circuit is used that is similar to the well-known principle of working with a circuit with two electronic keys. The integration time constant for SDSF 5 is 3 s. The low-pass filter 6 is a single-link integrator with a time constant of 0.1 s. The voltage amplifier 4 is implemented on operational amplifiers, while the K153UD4 series low-noise operational amplifier is used on the input stage, and K153UD6 on the output stage. A digital panel voltmeter DC216-1 / 2 was used as a registrar. With a current through the measuring cell of up to 10 μA, the value of the measured conductivities ranged from 10 ^-2 to 10 ^-8 sim. To calibrate the device, high-precision resistors of the C2-14 or C2-29 series were connected to terminals 1 and 2 and the readings of the amplifier 4 were adjusted by changing the gain of the amplifier 4 in accordance with the real value of the measured conductivity (taking into account the constant measuring cell).

Таким образом, снижением тока через измеряемую ячейку обеспечивается микромощный режим измерения и тем самым обеспечивается высокая точность измерения. Применение сверхузкополосного фильтра и фазочувствительного детектора обеспечивает выделение измеряемого сигнала из смеси шумов первого каскада, наводок и помех и тем самым обеспечивается повышение помехоустойчивости измерения. Кроме этого применением фазочувствительного детектора устраняется влияние емкостной составляющей проводимости измерительной ячейки, а и паразитной емкости соединительных проводов на результат измерения, что также приводит к повышению точности измерения. Thus, by reducing the current through the measured cell, a micropowerful measurement mode is ensured, and thereby high measurement accuracy is ensured. The use of an ultra-narrow-band filter and a phase-sensitive detector provides the separation of the measured signal from a mixture of noise of the first stage, interference and interference, and thereby increases the noise immunity of the measurement. In addition, the use of a phase-sensitive detector eliminates the influence of the capacitive component of the conductivity of the measuring cell, as well as the stray capacitance of the connecting wires on the measurement result, which also leads to increased measurement accuracy.

Claims

DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL CONDUCTIVITY, containing a stabilized sinusoidal voltage generator, two terminals for connecting a measuring cell, a capacitor, a resistor, a low-pass filter, the output of which is connected to a recorder, characterized in that, in order to increase the accuracy and noise immunity of the measurement, a voltage amplifier is introduced into it alternating current, a synchronous detector with a synchronous filter and a shaper of two rectangular antiphase voltage pulses with a sinusoidal voltage, while the output is stable of the generated sinusoidal voltage generator is connected to the input of the shaper of two rectangular antiphase voltage pulses from the sinusoidal directly and through the capacitor to the first terminal for connecting the measuring cell, the second terminal for connecting the measuring cell is connected to the input of the AC voltage amplifier directly and through the resistor to the common bus, the output of the AC voltage amplifier is connected to the input of the low-pass filter through a synchronous detector with a synchronous filter set, the control inputs of the synchronous detector to the synchronous filter connected to the outputs of the pulse.