RU2312331C2 - Device for measuring conductivity - Google Patents
Device for measuring conductivity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2312331C2 RU2312331C2 RU2005121727/28A RU2005121727A RU2312331C2 RU 2312331 C2 RU2312331 C2 RU 2312331C2 RU 2005121727/28 A RU2005121727/28 A RU 2005121727/28A RU 2005121727 A RU2005121727 A RU 2005121727A RU 2312331 C2 RU2312331 C2 RU 2312331C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- diagonal
- current
- sensor
- demodulator
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения электрической проводимости жидкостей.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the electrical conductivity of liquids.
Оно может быть использовано в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды.It can be used in oceanography to measure the electrical conductivity of sea water.
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].Known meters of electrical conductivity of the liquid, containing four-electrode sensors included in the circuit of the secondary measuring transducers with sensors powered by current electrodes with direct or alternating current and removal of an informative voltage signal from potential electrodes [1].
Измерители с питанием датчиков постоянным током имеют ограниченную точность из-за поляризации электродов и возникновения нестабильности пограничного слоя на электродах.Meters powered by DC sensors have limited accuracy due to polarization of the electrodes and instability of the boundary layer on the electrodes.
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.Meters powered by AC sensors are limited in accuracy due to the need to convert AC voltage to DC voltage before recording or analog-to-digital conversion.
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.Another disadvantage of all devices in which the voltage from potential electrodes is directly used to determine the electrical conductivity of a liquid is the inverse functional dependence of the measurement result on conductivity, which leads to a loss of sensitivity at high conductivities, for example, characteristic of sea water.
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.The closest set of features to the proposed device is a differential conductometer containing a four-arm bridge made of keys, a DC voltage source connected to one diagonal, and a two-electrode reference and measuring cells connected to the other through the capacitors, the outputs of which are fed to the current adder, the output of which is connected to demodulator and low pass filter [2]. In this device, the power of two two-electrode sensors is carried out in antiphase by alternating constant voltage (meander) and the currents through the sensors (cells) are proportional to the conductivity of the liquids. However, the instability of the resistance of the transition layer on the liquid electrodes limits the accuracy of the device.
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.The prototype contains the following features that coincide with the essential features of the claimed invention: a contact sensor of electrical conductivity, a constant voltage source, a rectangular pulse generator, a four-arm bridge switch with controlled keys in the shoulders, the control inputs of which in opposite keys are paired and connected to the input of the square pulse generator for the first pairs directly and for the second pair through the inverter, and the second vertex of the first diagonal of the bridge is grounded, followed by no included demodulator controlled by the rectangular wave generator, and a low pass filter.
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.The basis of the invention is the task of creating a conductivity meter, in which due to the combined use of a four-electrode sensor, powered by alternating current, and a liquid conductivity transducer between potential electrodes into direct current and then into direct voltage, a technical result is provided - providing a proportional dependence of the conductivity output signal on liquid conductivity and increased accuracy.
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.The problem is solved in that the conductometer with a four-electrode sensor is made according to the scheme of a controlled current generator on a transistor and contains a reference voltage source, the output of which is fed to the first input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the base of the transistor, the collector of which is connected through the load resistor to the output of the source DC voltage, and the emitter is connected to a common bus via a four-arm bridge switch and current sensor electrodes, potential sensor electrodes are connected they are connected in series with a demodulator, a low-pass filter and an instrument amplifier, the output of which is fed to the second input of the first operational amplifier, the key control inputs on the opposite shoulders of the bridge are paired, the rectangular pulse generator, the output of which is fed to the control inputs of the demodulator and the first key pair, and through inverter - to the control inputs of the second key pair, the outputs of the load resistor are fed to the inputs of the second operational amplifier, the output of which is an external output device.
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, 23 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.The structural diagram of the device shown in the drawing. The device contains a four-electrode sensor 1 with current T and potential P electrodes, a four-arm bridge switch 2 current directions through a sensor with keys 2 1 , 2 2 , 2 3 and 2 4 in the shoulders, a transistor 3, the collector of which is connected through a load resistor 4 to the source output DC voltage 5, and the emitter is connected to the first peak of the first diagonal of the bridge switch 2, the second peak of which is grounded. Potential electrodes of the sensor are connected to the inputs of the demodulator (DM) 6, the output of which is supplied to the low-pass filter (LPF) 7 connected in series and the instrument amplifier 8, the output of which is supplied to the second input of the operational amplifier 9, the first input of which is connected to the output of the reference voltage source ( ION) 10, and the output is fed to the base of transistor 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 24. Выводы нагрузочного резистора 4 поданы на входы второго операционного усилителя 13, выход которого является внешним выходом устройства.The output of the rectangular pulse generator 11 is fed to the control inputs of the demodulator 6 and the first key pair 2 1 and 2 3 and through the inverter (ID) 12 to the control inputs of the second pair of keys 2 2 and 2 4 . The findings of the load resistor 4 are fed to the inputs of the second operational amplifier 13, the output of which is the external output of the device.
Транзистор 3 выполняет роль регулирующего в управляемом генераторе тока. Это может быть транзистор типа КТ361.The transistor 3 performs the role of a regulator in a controlled current generator. It can be a transistor type KT361.
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.The current-generating circuit of the current generator is formed by a sensor 1 included in the emitter circuit of the transistor through a four-arm bridge switch 2, which serves to change the direction of the current through the current electrodes of the sensor. As keys, electronic keys of type 561 KT3 can be used.
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.The feedback circuit of the current generator is formed by a series-connected demodulator 6, a low-pass filter 7 and an instrument amplifier 8. The demodulator 6 is designed to convert an alternating voltage of a quasi-constant amplitude to a constant. As a demodulator 6, it is advisable to use a second four-arm bridge switch, similar to switch 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.The low-pass filter 7 serves to smooth out ripples from transients when switching the direction of the current through the sensor. The low-pass filter can be an RC or LC filter.
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.Instrumentation amplifier 8 is designed to transmit and amplify by k times the feedback signal taken from potential electrodes of the sensor and subjected to demodulation and smoothing. As a tool amplifier, an INA111 chip can be used.
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.The operational amplifier 9 is designed to compare (subtract) the reference voltage from the output of the source 10 and the feedback signal. This problem can be solved by an operational amplifier such as OPA 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.The rectangular pulse generator 11 is used to issue a sequence of pulses with a duty cycle of 0.5 (such as a meander) to the demodulator 6 and to the control inputs of the keys 2 1 and 2 3 of the switch 2, which are closed for the duration of the pulse. The inverter 12 is used to generate pulses to the control inputs of the keys 2 2 and 2 4 , while pausing in the pulse sequence from the output of the generator 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.Together, the generator 11 and the inverter 12 can be implemented as part of a pulse generator and a counting trigger, and the output of the generator is connected to the counting input of the trigger, and the outputs of the direct and inverse control signals are taken from different shoulders of the trigger.
Управляющие сигналы на коммутатор могут быть поданы извне, например, от микроконтроллера.Control signals to the switch can be supplied externally, for example, from a microcontroller.
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.The frequency of the pulses from the generator 11 is set so that transients after switching the direction of the current in the sensor, caused by the presence of electrolyte capacity, have time to complete. This frequency is set experimentally for a specific sensor and fluid.
Операционный усилитель 13 служит для съема и привязки к "земле" напряжения с нагрузочного резистора 13. Эту задачу может решить микросхема ОРА 137.The operational amplifier 13 is used to remove and bind to the "earth" voltage from the load resistor 13. This chip can solve the chip OPA 137.
Кондуктометр работает следующим образом.The conductometer works as follows.
Датчик электропроводности помещен в жидкость. Управляющим импульсом с генератора 11 ключи 21 и 23 замкнуты, а ключи 22 и 24 разомкнуты. Через транзистор 3, ключ 21, токовые электроды ТТ датчика 1, ключ 23 протекает ток I.The conductivity sensor is placed in a liquid. The control pulse from the generator 11, the keys 2 1 and 2 3 are closed, and the keys 2 2 and 2 4 are open. Through the transistor 3, the key 2 1 , the current electrodes of the TT sensor 1, the key 2 3 current I flows.
На потенциальных электродах ПП датчика 1 возникает постоянное напряжениеOn potential electrodes of the sensor sensor 1, a constant voltage occurs
где Gx - электропроводность участка жидкости между потенциальными электродами.where G x is the electrical conductivity of the liquid section between the potential electrodes.
Напряжение UПП 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 UОП. Сигнал разбаланса поступает с выхода операционного усилителя 7 на базу транзистора 3 и в цепи транзистора автоматически устанавливается ток I, при которомThe voltage U PP through the demodulator 6, the low-pass filter 7 is fed to the input of the instrument amplifier 8, amplified by "k 1 " times and fed to the second input of the operational amplifier 7 for comparison with the reference voltage U OP . The unbalance signal comes from the output of the operational amplifier 7 to the base of the transistor 3 and the current I is automatically set in the transistor circuit at which
k1UПП=UОП,k 1 U PP = U OP ,
следовательно, 
При этом напряжение U на нагрузочном резисторе 4 сопротивлением RH будет равноIn this case, the voltage U at the load resistor 4 with the resistance R H will be equal to
Напряжение U поступает на вход операционного усилителя 13, усиливается при необходимости в k2 раз и поступает на внешний выход устройства равнымThe voltage U is supplied to the input of the operational amplifier 13, amplified, if necessary, by a factor of k 2 and is supplied to the external output of the device equal to
где 
В следующем такте, во время паузы между импульсами от генератора 14 ключи 21 и 23 размыкаются, ключи 22 и 24 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 (-Uпτ). Однако демодулятор 6, управляемый сигналом от генератора 11, восстанавливает исходную полярность постоянного напряжения (UПП), а фильтр низких частот 7 сглаживает помехи от переходных процессов.In the next step, during a pause between pulses from the generator 14, the keys 2 1 and 2 3 open, the keys 2 2 and 2 4 close, the direction of the direct current through the current electrodes of the CT sensor changes to the opposite, the voltage polarity on the potential electrodes of the PP after the end of the transition process reverses (-U pτ ). However, the demodulator 6, controlled by the signal from the generator 11, restores the original polarity of the constant voltage (U PP ), and the low-pass filter 7 smooths out the noise from transients.
На входе инструментального усилителя 8 сохраняется сигнал постоянного напряжения UПП без изменения полярности и устройство работает так же, как и в первом такте. Далее такты работы повторяются.At the input of the instrumentation amplifier 8, a constant voltage signal U PP is stored without changing the polarity, and the device operates in the same way as in the first cycle. Further, the measures are repeated.
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.Thus, the interrogation of the four-electrode conductivity sensor is carried out by a bipolar direct current, and the output informative signal proportional to the conductivity of the liquid is a direct current voltage, which is easily converted into a code. This eliminates the errors inherent in contact sensors when working on direct current, and eliminates the use of an AC-to-code converter, which is necessary when interrogating the sensor with alternating current.
Источники информацииInformation sources
1. Степанок И.А. Океанологические измерительные преобразователи. М.: Гидрометеоиздат. - 270 с.1. Stepanok I.A. Oceanological measuring transducers. M .: Gidrometeoizdat. - 270 p.
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.2. RF patent No. 20066844, 5 G01N 27/02. Differential conductivity meter. K.D. Lataria, S.M. Beniashvili, G.N. Sekhniashvili, M.V. Gaprindashvili. BI No. 2, 1994, p.131 - prototype.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA2004010143 | 2004-01-09 | ||
| UA2004010143A UA74900C2 (en) | 2004-01-09 | 2004-01-09 | Conductivity meter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005121727A RU2005121727A (en) | 2007-01-20 |
| RU2312331C2 true RU2312331C2 (en) | 2007-12-10 |
Family
ID=37455337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005121727/28A RU2312331C2 (en) | 2004-01-09 | 2005-06-30 | Device for measuring conductivity |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2312331C2 (en) |
| UA (1) | UA74900C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU212819U1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Current adjustable conductometer |
-
2004
- 2004-01-09 UA UA2004010143A patent/UA74900C2/en unknown
-
2005
- 2005-06-30 RU RU2005121727/28A patent/RU2312331C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU212819U1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Current adjustable conductometer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005121727A (en) | 2007-01-20 |
| UA74900C2 (en) | 2006-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101629924B (en) | Input circuit for measuring electromagnetic solution conductivity | |
| CN101663589A (en) | Measuring instrument for a resistive electric leakage current | |
| CN112834815A (en) | Fluxgate digital current sensor based on pulse amplitude detection method | |
| RU2312331C2 (en) | Device for measuring conductivity | |
| CN111650524A (en) | Alternating current impedance testing system and method for power battery | |
| US5248934A (en) | Method and apparatus for converting a conventional DC multimeter to an AC impedance meter | |
| CN1641365A (en) | Zero-flux current sensor circuit | |
| US3840805A (en) | Device for measuring parameters of resonant lc-circuit | |
| Tejaswini et al. | An auto-balancing signal conditioning scheme for non-contact measurement of conductivity of water | |
| CN107228886A (en) | The measurement apparatus and method of the electrical conductivity Resistivity testing of water | |
| CN204008813U (en) | A kind of magnetic modulation type current transformer | |
| CN102928476B (en) | Measuring sensor for gas content in water flow and detecting treatment method for gas content in water flow | |
| CN203244392U (en) | Vocal cord detecting device based on electric impedance analysis | |
| JP2000271101A (en) | Body impedance measuring device | |
| RU2316113C2 (en) | Method for measuring parameters of an underlying environment and device for realization of the method | |
| JPS5928369Y2 (en) | Interface potential measuring device | |
| RU72756U1 (en) | INTERFERENCE SIGNAL OF LIMIT RESISTANCE | |
| SU1756812A1 (en) | Device for measuring corrosion activity of soil | |
| Grachev et al. | Unifying converters of inductive sensors parameters for devices measuring the parameters of electrophysical properties of substances | |
| RU2173859C1 (en) | Device for measuring capacitor capacitance | |
| SU1531027A1 (en) | Digital instrument converter of fluid electric conductivity | |
| RU2029965C1 (en) | Capacitive sensor dielectric loss measuring device | |
| RU2024885C1 (en) | Device for measuring conductance | |
| RU2120623C1 (en) | Capacitance proximate moisture meter | |
| Yakunin | The capacitive proximity sensor based on transients in RC-circuits |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190701 |