RU2216726C2

RU2216726C2 - Facility measuring specific resistance of liquid media and ground

Info

Publication number: RU2216726C2
Application number: RU2002133877A
Authority: RU
Inventors: В.К. Шухостанов; Ю.А. Концевой; Б.Л. Гуськов
Original assignee: Шухостанов Владимир Кистуевич
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2003-11-20

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of technological parameters. SUBSTANCE: facility can be employed to measure specific resistance of liquid media in food, chemical, petrochemical, wood-pulp and paper industries, in metallurgy. Given device includes conductometric cell and measurement unit incorporating generator of rectangular pulses, counter-frequency divider, inverter, source of reference current, bridge commutator of reference current, bridge commutator of measured voltage and D C voltage meter. Output of generator of rectangular pulses is connected to input of counter-frequency divider which first output is connected to inverter and which second output is coupled to input of bridge commutator of reference current. Output of source of reference current is connected to second input of bridge commutator of reference current. Third input of bridge commutator of reference current is connected to inverter and output of bridge commutator of reference current is connected to electrodes of conductometric cell. Input of bridge commutator of measured voltage is connected to output of counterfrequency divider, inverter and electrodes of conductometric cell. Output of bridge commutator of measured voltage is connected to D C voltage meter. EFFECT: raised measurement accuracy. 8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно - к области измерения технологических параметров, и может быть использовано для измерения удельного сопротивления жидких сред в пищевой, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, металлургической и других видах промышленности, а также - для измерения удельного сопротивления грунта при диагностических измерениях объектов техносферы и для лабораторных измерений. The invention relates to the field of measuring equipment, namely to the field of measuring technological parameters, and can be used to measure the resistivity of liquid media in the food, chemical, petrochemical, pulp and paper, metallurgical and other industries, as well as to measure resistivity soil for diagnostic measurements of technosphere objects and for laboratory measurements.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидкости (SU, авторское свидетельство 857838, G 01 N 27/02, 1981), содержащее цилиндрический корпус, расположенные в нем два основных электрода, подключенные к источнику питания, измерительный электрод, вольтметр и амперметр. A device is known for measuring the electrical conductivity of a liquid (SU, copyright certificate 857838, G 01 N 27/02, 1981), comprising a cylindrical body, two main electrodes located therein, connected to a power source, a measuring electrode, a voltmeter and an ammeter.

Недостатком известного устройства следует признать поляризацию электродов в процессе измерения и обусловленную этим несистематическую погрешность измерений. A disadvantage of the known device should be recognized as the polarization of the electrodes during the measurement process and the resulting non-systematic measurement error.

Известно также устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред (RU, патент 2063023, G 01 N 27/02, 1996). Известное устройство содержит корпус, два основных электрода, два токовых электрода, измерительный электрод, диэлектрический экран, диэлектрическую прокладку, амперметр, вольтметр, переменный резистор, выключатель, источник питания. При этом основные электроды соединены между собой через переменный резистор, выключатель и источник питания, токовые электроды соединены между собой через вольтметр, а измерительный электрод соединен с ближайшим токовым электродом через вольтметр. A device for measuring the electrical conductivity of liquid media is also known (RU, patent 2063023, G 01 N 27/02, 1996). The known device comprises a housing, two main electrodes, two current electrodes, a measuring electrode, a dielectric screen, a dielectric gasket, an ammeter, a voltmeter, a variable resistor, a switch, a power source. In this case, the main electrodes are interconnected via a variable resistor, a switch and a power source, the current electrodes are interconnected via a voltmeter, and the measuring electrode is connected to the nearest current electrode through a voltmeter.

Известное устройство работает следующим образом. Первоначально измеряют силу тока в цепи и напряжение, затем с использованием переменного резистора изменяют силу тока в цепи до величины 0,05-0,1 А, что позволяет уменьшить поляризацию электродов. Повторно измеряют в цепи силу тока и напряжение и рассчитывают удельную электропроводность с использованием измеренных значений. The known device operates as follows. Initially, the amperage in the circuit and the voltage are measured, then using a variable resistor, the amperage in the circuit is changed to 0.05-0.1 A, which reduces the polarization of the electrodes. The current strength and voltage are re-measured in the circuit and the electrical conductivity is calculated using the measured values.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность значительного устранения поляризации электродов при длительных измерениях. A disadvantage of the known device should be recognized the impossibility of significantly eliminating the polarization of the electrodes during long-term measurements.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения можно признать устройство для измерения электропроводности жидких сред (SU, авторское свидетельство 1698722, G 01 N 27/02, 1991). Известное устройство содержит источник переменного напряжения, контактную кондуктометрическую ячейку и блок обработки сигнала кондуктометрической ячейки, включающий формирователь переменного напряжения прямоугольной формы, формирователь импульсов вырезок, преобразователь ток - напряжение, синхронный детектор и регистратор, причем синхронный детектор содержит первый и второй управляющие входы и состоит из блока ключей, последовательно соединенных с фильтром нижних частот, а формирователь импульсов вырезок содержит счетчик - делитель и два логических блока. The closest analogue of the invention can be recognized as a device for measuring the electrical conductivity of liquid media (SU, copyright certificate 1698722, G 01 N 27/02, 1991). The known device comprises an AC voltage source, a contact conductivity cell and a conductivity cell signal processing unit, including a rectangular voltage shaper, cut-out pulse shaper, a current-voltage converter, a synchronous detector and a recorder, the synchronous detector containing the first and second control inputs and consists of a block of keys connected in series with a low-pass filter, and the clipper pulse shaper contains a counter - divides l, two logical blocks.

Известное устройство работает следующим образом. Сигнал с генератора переменного напряжения поступает на формирователь переменного напряжения прямоугольной формы и на формирователь импульсов вырезок. Частота генератора переменного напряжения выше рабочей частоты кондуктометрической ячейки. На выходе формирователя переменного напряжения прямоугольной формы формируют переменное напряжение со скважностью, равной двум. Сигнал с формирователя переменного напряжения прямоугольной формы поступает на кондуктометрическую ячейку и на формирователь импульсов вырезок. Формирователь импульсов вырезок вырабатывает два сигнала, поступающих на синхронный детектор, на который также поступает сигнал с выхода кондуктометрической ячейки, прошедший через преобразователь ток - напряжение. Синхронный детектор преобразует полученный сигнал и передает результаты преобразования в регистратор. Использование устройства позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения случайных погрешностей, а также температурного и временного дрейфа сигнала. Однако оно является сложным и не позволяет устранить поляризацию электродов, приводящую к появлению несистематической ошибки. The known device operates as follows. The signal from the alternating voltage generator is supplied to a rectangular voltage shaper and to a notch pulse shaper. The frequency of the alternating voltage generator is higher than the operating frequency of the conductivity cell. At the output of the rectangular voltage alternator, an alternating voltage is generated with a duty cycle equal to two. The signal from the square-wave alternator is supplied to the conductivity cell and to the notch pulse shaper. The notch pulse generator generates two signals arriving at the synchronous detector, which also receives the signal from the output of the conductivity cell passing through the current-voltage converter. The synchronous detector converts the received signal and transmits the conversion results to the recorder. Using the device allows to increase the measurement accuracy by reducing random errors, as well as temperature and time drift of the signal. However, it is complex and does not allow to eliminate the polarization of the electrodes, which leads to the appearance of an unsystematic error.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного изобретения, состоит в разработке устройства, позволяющего в процессе измерений уменьшить поляризацию измерительных электродов. The technical problem solved by the proposed invention is to develop a device that allows the measurement process to reduce the polarization of the measuring electrodes.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в повышении точности измерений. The technical result obtained by the implementation of the invention is to increase the accuracy of measurements.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство для измерения удельного сопротивления жидких сред и грунта, содержащее кондуктометрическую ячейку и блок измерения, причем блок измерений содержит генератор прямоугольных импульсов, счетчик-делитель частоты, инвертор, источник опорного тока, мостовой коммутатор опорного тока, мостовой коммутатор измеряемого напряжения и измеритель постоянного напряжения, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом счетчика-делителя частоты, первый выход которого соединен с инвертором, а второй - с входом мостового коммутатора опорного тока, выход источника опорного тока подключен ко второму входу мостового коммутатора опорного тока, третий вход мостового коммутатора опорного тока соединен с инвертором, а выход мостового коммутатора опорного тока соединен с электродами кондуктометрической ячейки, входы мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с выходом счетчика-делителя частоты, инвертором, электродами кондуктометрической ячейки, а выход мостового коммутатора измеряемого напряжения соединен с измерителем постоянного напряжения. Генератор прямоугольных импульсов может быть выполнен на таймере К1006ВИ1. В этом случае двухтактный выход таймера К1006ВИ1 совместно с выпрямителями предназначен для преобразования питающего напряжения цепей источника опорного тока и коммутаторов, а выход с открытым коллектором предназначен для подключения счетчика-делителя частоты. Счетчик-делитель частоты предпочтительно выполнен с возможностью понижения частоты и обеспечивает получение выходного сигнала в форме меандра. Источник опорного тока предпочтительно включен в цепь измерения, содержащую последовательно соединенные мостовой коммутатор опорного тока, первый электрод кондуктометрической ячейки, исследуемую среду, второй электрод кондуктометрической ячейки, при этом в состав источника опорного тока входят стабилизатор напряжения и резисторный делитель напряжения с возможностью подстройки. Предпочтительно мостовой коммутатор опорного тока и мостовой коммутатор измеряемого напряжения выполнены на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой происходит от счетчика-делителя частоты напрямую, а другой парой - через инвертор. Кондуктометрическая ячейка может содержать два электрода, соединенных с мостовым коммутатором опорного тока и с мостовым коммутатором измеряемого напряжения. Однако кондуктометрическая ячейка может содержать и четыре электрода, два из которых соединены с мостовым коммутатором опорного тока, а два других с мостовым коммутатором измеряемого напряжения. To achieve the technical result, it is proposed to use a device for measuring the resistivity of liquid media and soil, containing a conductivity cell and a measurement unit, the measurement unit comprising a rectangular pulse generator, a frequency counter-divider, an inverter, a reference current source, a reference current bridge switch, a bridge switch the measured voltage and a constant voltage meter, while the output of the rectangular pulse generator is connected to the input of the counter-divider s, the first output of which is connected to the inverter and the second to the input of the bridge reference current switch, the output of the reference current source is connected to the second input of the bridge reference current switch, the third input of the bridge reference current switch is connected to the inverter, and the output of the bridge reference current switch is connected to electrodes of the conductivity cell, the inputs of the bridge switch of the measured voltage is connected to the output of the counter-frequency divider, an inverter, the electrodes of the conductivity cell, and the output of the bridge comm Ator measured voltage is connected to a DC voltage meter. The rectangular pulse generator can be performed on the timer K1006VI1. In this case, the push-pull output of the K1006VI1 timer, together with the rectifiers, is designed to convert the supply voltage of the reference current source circuits and switches, and the open collector output is used to connect a frequency divider counter. The counter frequency divider is preferably configured to lower the frequency and provides an output signal in the form of a meander. The reference current source is preferably included in the measurement circuit comprising a series-connected bridge switch of the reference current, a first electrode of the conductivity cell, a test medium, a second electrode of the conductivity cell, wherein the voltage source and the voltage divider are adjustable as part of the reference current source. Preferably, the bridge switch of the reference current and the bridge switch of the measured voltage are made on four keys working in pairs, and one pair is controlled directly from the frequency divider counterpart, and the other pair through the inverter. The conductivity cell may contain two electrodes connected to the bridge switch of the reference current and to the bridge switch of the measured voltage. However, the conductivity cell may contain four electrodes, two of which are connected to the bridge switch of the reference current, and two others to the bridge switch of the measured voltage.

Структурная схема устройства в базовом варианте приведена на фиг.1, при этом использованы следующие обозначения: кондуктометрическая ячейка 1, генератор 2 прямоугольных импульсов, счетчик-делитель 3 частоты, инвертор 4, источник 5 опорного тока, мостовой коммутатор 6 опорного тока, мостовой коммутатор 7 измеряемого напряжения и измеритель 8 постоянного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов на выходах элементов измерительной схемы. На фиг.3 приведены условные схемы конструкций кондуктометрических ячеек двухэлектродного и четырехэлектродного типов. В конструкции ячейки двухэлектродного типа электроды 9 и 10 являются токовыми и одновременно потенциальными. В конструкции ячейки четырехэлектродного типа электроды 11 и 12 являются токовыми, а электроды 13 и 14 являются потенциальными. The block diagram of the device in the basic version is shown in FIG. 1, with the following notation used: conductivity cell 1, square-wave pulse generator 2, frequency counter-divider 3, inverter 4, reference current source 5, reference bridge 6, bridge 7 the measured voltage and the meter 8 constant voltage. In FIG. 2 shows the timing diagrams of the signals at the outputs of the elements of the measuring circuit. Figure 3 shows the conditional diagrams of the designs of conductometric cells of the two-electrode and four-electrode types. In the design of a two-electrode type cell, the electrodes 9 and 10 are current and potential at the same time. In a four-electrode type cell design, electrodes 11 and 12 are current, and electrodes 13 and 14 are potential.

Устройство работает следующим образом. Кондуктометрическая ячейка 1 выполнена с возможностью погружения в слой жидкости или в грунт. Генератор прямоугольных импульсов 2 выдает импульсы, форма которых приведена на фиг.2 А. The device operates as follows. The conductivity cell 1 is configured to be immersed in a liquid layer or in the ground. The rectangular pulse generator 2 generates pulses, the shape of which is shown in figure 2 A.

Импульсы от генератора 2 поступают на счетчик-делитель частоты 3, который понижает частоту до нескольких сотен герц и выдает импульсы в виде меандра (фиг. 2, Б), что позволяет исключить емкостную составляющую тока в кондуктометрической ячейке. Одновременно импульсы от счетчика-делителя частоты 3 поступают на инвертор 4, который выдает импульсы в паузах между импульсами счетчика-делителя частоты (фиг. 2,В). Источник опорного тока 5 позволяет устанавливать и регулировать в режиме генератора тока необходимый постоянный ток (фиг.2,Г) порядка 0,1-1 мА. В состав источника опорного тока 5 предпочтительно входят стабилизатор напряжения, резисторный делитель напряжения с возможностью подстройки (калибровки). Ток поступает на мостовой коммутатор тока 6. Последний выполнен на четырех ключах, работающих попарно, причем управление одной парой ключей происходит от счетчика-делителя частоты 3 напрямую, а управление другой парой осуществляют через инвертор 4. В итоге токовые контакты кондуктометрической ячейки попеременно подключают к положительному и отрицательному полюсу источника тока, т.е. через электроды кондуктометрической ячейки проходит переменный ток. К электродам кондуктометрической ячейки подключен также мостовой коммутатор измеряемого напряжения 7, выход которого подключен к измерителю постоянного напряжения 8. Мостовой коммутатор измеряемого напряжения 7 выполнен и работает аналогично мостовому коммутатору опорного тока 6. The pulses from the generator 2 are fed to the counter-divider frequency 3, which reduces the frequency to several hundred hertz and generates pulses in the form of a meander (Fig. 2, B), which eliminates the capacitive component of the current in the conductivity cell. At the same time, pulses from the counter-frequency divider 3 are supplied to the inverter 4, which gives pulses in the pauses between the pulses of the counter-frequency divider (Fig. 2, B). The reference current source 5 allows you to set and adjust in the mode of the current generator the necessary direct current (Fig.2, G) of the order of 0.1-1 mA. The composition of the reference current source 5 preferably includes a voltage stabilizer, a resistor voltage divider with the possibility of adjustment (calibration). The current flows to the bridge current switch 6. The latter is made on four keys working in pairs, and one key pair is controlled directly from the frequency divider 3, and the other pair is controlled via inverter 4. As a result, the current contacts of the conductivity cell are alternately connected to the positive and the negative pole of the current source, i.e. alternating current passes through the electrodes of the conductivity cell. The bridge of the measured voltage 7 is connected to the electrodes of the conductivity cell, the output of which is connected to a constant voltage meter 8. The bridge of the measured voltage 7 is made and works similarly to the bridge of the reference current 6.

В предложенном устройстве задают и регулируют постоянный ток, измеряя при этом постоянное напряжение, что обеспечивает высокую точность измерений, одновременно через кондуктометрическую ячейку пропускают переменный ток, что исключает ошибки за счет поляризации электродов. In the proposed device, a direct current is set and regulated, while measuring a constant voltage, which ensures high accuracy of measurements, at the same time an alternating current is passed through the conductivity cell, which eliminates errors due to polarization of the electrodes.

При использовании двухэлектродной кондуктометрической ячейки блоки 6 и 7 подсоединены к одним и тем же электродам 9 и 10 на фиг.3. При использовании четырехэлектродной кондуктометрической ячейки мостовой коммутатор опорного тока 6 соединен с токовыми электродами 11 и 12 ячейки, а мостовой коммутатор измеряемого напряжения соединен с потенциальными электродами 13 и 14 кондуктометрической ячейки. When using a two-electrode conductometric cell, the blocks 6 and 7 are connected to the same electrodes 9 and 10 in FIG. 3. When using a four-electrode conductivity cell, the bridge reference current switch 6 is connected to the current electrodes 11 and 12 of the cell, and the bridge of the measured voltage is connected to the potential electrodes 13 and 14 of the conductivity cell.

Удельное сопротивление ρ жидких сред рассчитывают по формуле ρ=KR, где R - измеренное сопротивление, а К - множитель, имеющий размерность "м". Этот множитель зависит от конструкции кондуктометрической ячейки и может быть определен при измерении жидкости с известным удельным сопротивлением. The resistivity ρ of liquid media is calculated by the formula ρ = KR, where R is the measured resistance, and K is the factor having the dimension "m". This factor depends on the design of the conductivity cell and can be determined by measuring a fluid with a known resistivity.

Макет устройства был опробован при измерении удельного сопротивления воды с разным удельным сопротивление. Так измерения водопроводной воды показали, что ее сопротивление в разных точках города Москвы может изменяться. При добавлении раствора поваренной соли к водопроводной воде ее сопротивление уменьшалось на один - два порядка величины. Исследование удельного сопротивления различных типов вод ГУП "Мосгортепло" показало, что макет прибора, изготовленный по указанной выше схеме, позволяет четко различать различные типы воды (подаваемой, обратной, циркуляционной и т.д.) а также - определять температурную зависимость удельного сопротивления воды. The layout of the device was tested when measuring the resistivity of water with different resistivities. So the measurements of tap water showed that its resistance at different points in the city of Moscow can vary. When a solution of table salt was added to tap water, its resistance decreased by one to two orders of magnitude. The study of the resistivity of various types of water of GUP "Mosgorteplo" showed that the model of the device, made according to the above scheme, allows you to clearly distinguish between different types of water (feed, return, circulation, etc.) and also to determine the temperature dependence of the specific resistance of water.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения относительно устройства, использованного в качестве ближайшего аналога на 16-18%. The proposed device allows to increase the measurement accuracy relative to the device used as the closest analogue by 16-18%.

Claims

1. A device for measuring the resistivity of liquid media and soil, containing a conductivity cell and a measurement unit, characterized in that the measurement unit comprises a rectangular pulse generator, a frequency counter-divider, an inverter, a reference current source, a bridge reference current switch, a bridge switch for the measured voltage and a DC voltage meter, the output of the square-wave pulse generator connected to the input of the counter-frequency divider, the first output of which is connected to the inverter, and the second to input reference current bridge switch house, the reference current source output is connected to the second input of the reference current bridge switch, the third input of the reference current bridge switch is connected to the inverter, and the output of the bridge reference current switch is connected to the electrodes of the conductivity cell, the inputs of the measured voltage bridge switch are connected to the counter output frequency divider, inverter, electrodes of the conductivity cell, and the output of the bridge switch of the measured voltage is connected to the meter Foot stress.

2. The device according to p. 1, characterized in that the rectangular pulse generator is made on a timer K1006VI1.

3. The device according to claim 2, characterized in that the push-pull output of the timer K1006VI1 together with rectifiers is designed to convert the supply voltage of the reference current source circuits and switches, and the output with an open collector is used to connect a frequency divider counter.

4. The device according to p. 1, characterized in that the counter-divider frequency is configured to lower the frequency and provides an output signal in the form of a meander.

5. The device according to p. 1, characterized in that the reference current source is included in the measurement circuit containing a series-connected bridge switch of the reference current, the first electrode of the conductivity cell, the test medium, the second electrode of the conductivity cell, while the stabilizer contains a reference current source voltage and resistor voltage divider made with the possibility of adjustment.

6. The device according to p. 1, characterized in that the bridge switch of the reference current is made on four keys working in pairs, and one pair is controlled directly from the frequency divider counterpart, and the other pair through the inverter.

7. The device according to p. 1, characterized in that the bridge switch of the measured voltage is made on four keys working in pairs, and one pair is controlled directly from the frequency divider counterpart, and the other pair through the inverter.

8. The device according to claim 1, characterized in that the conductivity cell contains two electrodes connected to a bridge switch of the reference current and to the bridge switch of the measured voltage.

9. The device according to claim 1, characterized in that the conductivity cell contains four electrodes, two of which are connected to the bridge switch of the reference current, and two others to the bridge switch of the measured voltage.