RU2366937C2

RU2366937C2 - Method and device for measurement of specific electric conductivity of sea water

Info

Publication number: RU2366937C2
Application number: RU2007124066/28A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Александрович Балакин (RU); Рудольф Александрович Балакин; Валерий Михайлович Тимец (RU); Валерий Михайлович Тимец
Original assignee: Государственное учреждение "Арктический и антрактический научно-исследовательский институт" (ГУ "ААНИИ")
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-09-10
Also published as: RU2007124066A

Abstract

FIELD: physics, measurements.

SUBSTANCE: invention is related to the field of hydrophysical measurement facilities and may be used in laboratory standard machines and sea probe instruments. Method consists in the fact that measurement of cell output signal is carried out in two cycles, moreover, in the first cycle digital measurement of the main part of signal is carried out by means of discrete balancing of antiphased signal from standard voltage divider, and in the second cycle measurement of residual signal part is carried out by means of analog balancing by zero method with further conversion from analog form into digital one with the help of analog-digital converter, and final result of measurement is produced by summation of digital counts of the first and second cycles. Also device is suggested for realiszation of this method.

EFFECT: improved accuracy of sea water relative electric conductivity measurement up to the level of at least 20 binary digits.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидрофизических средств измерений и может быть использовано в лабораторных эталонных установках и в морских зондирующих приборах.The invention relates to the field of hydrophysical measuring instruments and can be used in laboratory reference plants and in marine sounding devices.

Известны устройства для измерения удельной электрической проводимости морской воды, основанные на использовании бесконтактной индуктивной ячейки, состоящей из двух тороидальных трансформаторов, связанных через виток воды (см. книгу Океанология. Средства и методы океанологических исследований, гл.2.2.2, Г.В.Смирнов, В.Н.Еремеев и др. - М.: Наука, 2005 с.511). Устройства отличаются друг от друга конструкцией, а с метрологической точки зрения - методом измерения выходного сигнала индуктивной ячейки, диапазоном и точностью измерения. Общим недостатком описанных в книге устройств является ограниченная точность измерения удельной электропроводимости морской воды, не удовлетворяющая современным требованиям. Недостатки обусловлены тем, что при использовании наиболее точного нулевого метода измерений тока в витке воды, пропорционального электропроводимости, компенсация цифровыми устройствами с пошаговым дискретом получается принципиально не полной - остается погрешность дискретности. В аналоговых схемах не достигается требуемый класс точности.Known devices for measuring the electrical conductivity of sea water, based on the use of a contactless inductive cell consisting of two toroidal transformers connected through a water loop (see book Oceanology. Means and Methods of Oceanological Research, chap. 2.2.2, G.V.Smirnov , V.N. Yeremeyev et al. - M .: Nauka, 2005 p. 511). Devices differ from each other in design, and from a metrological point of view, by the method of measuring the output signal of the inductive cell, the range and accuracy of the measurement. A common drawback of the devices described in the book is the limited accuracy of measuring the electrical conductivity of sea water, which does not meet modern requirements. The disadvantages are due to the fact that when using the most accurate zero method of measuring current in a water circuit proportional to electrical conductivity, compensation by digital devices with step-by-step discretization is fundamentally incomplete - the discreteness error remains. In analog circuits, the required accuracy class is not achieved.

Известно устройство для измерения удельной электрической проводимости морской воды, содержащее генератор синусоидального сигнала, первичный измерительный преобразователь, выпрямители, делитель частоты, управляющие ключи. В этом устройстве автоматически уравновешивается выпрямленное выходное напряжение первичного преобразователя, которое далее преобразуется в выходную частоту измерителя (патент 2052827, опубл. 1996 г.). Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная тем, что компенсация выходного сигнала первичного преобразователя осуществляется не прямо, а лишь после его выпрямления. Таким образом, значительная погрешность выпрямителя входит в результат измерения.A device for measuring the electrical conductivity of sea water, comprising a sinusoidal signal generator, a primary measuring transducer, rectifiers, a frequency divider, control keys. In this device, the rectified output voltage of the primary converter is automatically balanced, which is then converted to the output frequency of the meter (patent 2052827, publ. 1996). The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the fact that the compensation of the output signal of the primary Converter is not carried out directly, but only after its rectification. Thus, a significant error of the rectifier is included in the measurement result.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения относительной электропроводимости морской воды, которое содержит генератор синусоидального сигнала для питания индуктивной ячейки с первым трансформатором, связанным через виток воды со вторым трансформатором, нуль-орган, подключенный к измерительной обмотке второго трансформатора, фазовые детекторы и делитель напряжения с цифровым управлением в цепи компенсации выходного сигнала индуктивной ячейки, управляемый реверсивным счетчиком (статья в книге Системы контроля окружающей среды, сборник научных трудов, В.И.Забурдаев и др. с.98, изд. Академии наук Украины, Севастополь, 2005 г.). Согласно данному устройству при измерении удельной электропроводимости воды обмотка возбуждения индуктивной ячейки запитывается переменным током синусоидальной формы. Благодаря индуктивной связи через виток воды в измерительной обмотке второго трансформатора ячейки наводится напряжение, пропорциональное измеряемой электропроводимости. Это напряжение приводится к нулю путем подачи противофазного компенсационного тока в отдельную компенсационную обмотку. Компенсационный ток вырабатывается цифровым делителем напряжения, который управляется по цепи обратной связи, составленной из нуль-органа, фазового детектора и реверсивного счетчика. Результат измерения в цифровом двоичном коде считывается из реверсивного счетчика. К недостаткам данного устройства можно отнести ограниченную точность измерения числом разрядов цифрового делителя. Недостаток обусловлен тем, что после компенсации тока в витке воды дискретными шагами цифрового делителя напряжения неизбежно остается некоторый недокомпенсированный остаток - так называемая погрешность дискретности. Число разрядов в известных типах цифровых делителей напряжения переменного тока (резистивных и трансформаторных) по технологическим причинам не может быть сделано более 14, в то время как современные требования к эталонным образцам техники составляют не меньше 20 двоичных разрядов.The closest technical solution to the claimed invention in terms of features is a device for measuring the relative electrical conductivity of sea water, which contains a sinusoidal signal generator for supplying an inductive cell with a first transformer connected through a water loop to a second transformer, a zero-organ connected to the measuring winding of the second transformer , phase detectors and a voltage divider with digital control in the compensation circuit of the output signal of the inductive cell, indicated by a reversible counter (article in the book Environmental Monitoring Systems, collection of scientific papers, V.I. Zaburdaev et al. p. 98, ed. of the Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2005). According to this device, when measuring the electrical conductivity of water, the excitation coil of the inductive cell is powered by an alternating sinusoidal current. Due to inductive coupling through a water loop, a voltage proportional to the measured electrical conductivity is induced in the measuring winding of the second cell transformer. This voltage is brought to zero by applying an antiphase compensation current to a separate compensation winding. Compensation current is generated by a digital voltage divider, which is controlled by a feedback circuit composed of a zero-organ, phase detector and a reversible counter. The measurement result in digital binary code is read from the reversible counter. The disadvantages of this device include the limited measurement accuracy by the number of bits of the digital divider. The disadvantage is due to the fact that after compensating for the current in the water loop by the discrete steps of the digital voltage divider, there will inevitably be some uncompensated remainder - the so-called discreteness error. The number of bits in the known types of digital AC voltage dividers (resistive and transformer) for technological reasons cannot be made more than 14, while modern requirements for the reference models of technology are at least 20 binary bits.

Задача изобретения состоит в повышении точности измерения относительной электропроводимости морской воды до уровня не менее 20 двоичных разрядов.The objective of the invention is to improve the accuracy of measuring the relative electrical conductivity of sea water to a level of at least 20 binary digits.

Указанная цель достигается новым способом измерения и устройством, реализующим этот способ.This goal is achieved by a new method of measurement and a device that implements this method.

Способ отличается тем, что измерение удельной электропроводимости морской воды ячейкой индуктивного типа выполняют за два цикла. В первом цикле осуществляют цифровое дискретное измерение основной части электропроводимости воды путем ступенчатого уравновешивания тока в витке воды противофазным сигналом от эталонного цифрового делителя напряжения, а во втором цикле производят измерение остаточной части электропроводимости путем аналогового уравновешивания нулевым методом с последующим преобразованием из аналоговой в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и получением окончательного результата измерения суммированием цифровых отсчетов первого и второго циклов.The method is characterized in that the measurement of the electrical conductivity of sea water by an inductive type cell is performed in two cycles. In the first cycle, digital discrete measurement of the main part of the electrical conductivity of water is carried out by stepwise balancing the current in the water loop with an out-of-phase signal from a reference digital voltage divider, and in the second cycle, the residual part of the electrical conductivity is measured by analogue zero balancing with the subsequent conversion from analog to digital form of analog- digital converter (ADC) and obtaining the final measurement result by summing the digital samples of the first second and second cycles.

Устройство для измерения удельной электропроводимости морской воды, содержащее синусоидальный генератор, первый трансформатор индуктивной ячейки с обмоткой возбуждения, подключенной к синусоидальному генератору, и выходной обмоткой, второй трансформатор индуктивной ячейки, соединенный витком воды с первым трансформатором и имеющий выходную компенсационную обмотку, при этом выходные обмотки трансформаторов подключены к эталонному цифровому делителю напряжения, управляемому реверсивным счетчиком, и к нуль-органу с фазочувствительным детектором.A device for measuring the electrical conductivity of sea water containing a sinusoidal generator, a first transformer of an inductive cell with an excitation winding connected to a sinusoidal generator, and an output winding, a second transformer of an inductive cell connected by a water loop to the first transformer and having an output compensation winding, while the output windings transformers are connected to a reference digital voltage divider controlled by a reversible counter, and to a zero-element with a phase sensor th detector.

Технический результат достигается тем, что нуль-орган выполнен на базе операционного усилителя с цепью обратной связи, образованной точным резистором, в которой возникает компенсационный ток, устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, двухпороговый различитель уровня сигнала и суммирующий вычислитель, при этом один конец выходной компенсационной обмотки второго трансформатора заземлен, а второй конец подключен через точные резисторы к выходу эталонного делителя напряжения и входу нуль-органа, выходная обмотка первого трансформатора подключена двумя концами ко входу эталонного цифрового делителя и к управляющим входам фазочувствительного детектора, выход фазочувствительного детектора подключен ко входу двухпорогового различителя уровня сигнала и входу аналого-цифрового преобразователя, выходы различителя уровня сигнала подключены к счетному и знаковому входам реверсивного счетчика, а цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя и реверсивного счетчика соединены с входами суммирующего вычислителя.The technical result is achieved by the fact that the null-organ is made on the basis of an operational amplifier with a feedback circuit formed by an accurate resistor in which a compensation current occurs, the device further comprises an analog-to-digital converter, a two-threshold signal level discriminator and a summing computer, with one output end the compensation winding of the second transformer is grounded, and the second end is connected through precision resistors to the output of the reference voltage divider and the input of the zero-organ, the output coil The first transformer is connected at two ends to the input of the reference digital divider and to the control inputs of the phase-sensitive detector, the output of the phase-sensitive detector is connected to the input of the two-threshold signal level discriminator and the input of the analog-to-digital converter, the outputs of the signal level discriminator are connected to the counting and sign inputs of the reversible counter, and digital the outputs of the analog-to-digital converter and the reversible counter are connected to the inputs of the summing computer.

2. Устройство по п.2 отличается тем, что двухпороговый различитель уровня сигнала построен из двух компараторов, резистивного делителя напряжения, логического элемента ИЛИ и мультивибратора, при этом минусовый вход первого компаратора и плюсовый вход второго компаратора подключены к резистивному делителю, задающему опорные напряжения, а два других входа компараторов соединены вместе и подключены к выходу фазочувствительного детектора.2. The device according to claim 2 is characterized in that the two-threshold signal level discriminator is built of two comparators, a resistive voltage divider, an OR logic element and a multivibrator, while the negative input of the first comparator and the positive input of the second comparator are connected to a resistive divider that sets the reference voltage, and the other two inputs of the comparators are connected together and connected to the output of the phase-sensitive detector.

3. Устройство по п.2 отличается тем, что разность пороговых уровней напряжения в двухпороговом различителе уровня сигнала равняется одному дискрету цифрового делителя напряжения и с некоторым запасом перекрывается диапазоном измерения аналого-цифрового преобразователя.3. The device according to claim 2 is characterized in that the difference in threshold voltage levels in a two-threshold signal level discriminator is equal to one discrete digital voltage divider and with some margin is covered by the measuring range of the analog-to-digital converter.

Существо изобретения поясняется чертежами, представленными на Фиг.1 и Фиг.2.The invention is illustrated by drawings, presented in figure 1 and figure 2.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропроводимости воды. В состав схемы входят синусоидальный генератор 1, питающий индуктивную ячейку 2. Ячейка состоит из двух тороидальных трансформаторов ТР1 и ТР2, связанных между собой общим витком воды. Первый трансформатор содержит первичную питающую обмотку W1 и вторичную выходную обмотку W2. Второй трансформатор содержит компенсационную обмотку W3, которая одновременно выполняет функцию выходной обмотки, на которой контролируется выходной сигнал индуктивной ячейки.Figure 1 presents a functional diagram of a device for measuring the electrical conductivity of water. The structure of the circuit includes a sinusoidal generator 1, which feeds the inductive cell 2. The cell consists of two toroidal transformers TP1 and TP2, connected by a common water loop. The first transformer comprises a primary supply winding W1 and a secondary output winding W2. The second transformer contains a compensation winding W3, which simultaneously performs the function of the output winding, on which the output signal of the inductive cell is controlled.

В состав схемы входят также эталонный цифровой делитель напряжения 3, реверсивный счетчик 4, нуль-орган 5, фазочувствительный детектор 6, аналого-цифровой преобразователь 7, двухпороговый различитель уровня выходного сигнала 8 и суммирующий вычислитель 9.The structure of the circuit also includes a reference digital voltage divider 3, a reversible counter 4, a zero-organ 5, a phase-sensitive detector 6, an analog-to-digital converter 7, a two-threshold output level discriminator 8 and an adder 9.

Один вывод компенсационной обмотки W3 трансформатора ТР2 заземлен, а второй подключен ко входу нуль-органа 5 и к выходу эталонного делителя напряжения 3 через точный резистор R1. Выход нуль-органа 5 связан с его входом цепью обратной связи, образованной точным резистором R2.One output of the compensation winding W3 of transformer TP2 is grounded, and the second is connected to the input of the zero-organ 5 and to the output of the reference voltage divider 3 through the exact resistor R1. The output of the null-organ 5 is connected to its input by a feedback circuit formed by the exact resistor R2.

На Фиг.2 представлена схема двухпорогового различителя уровня сигнала, пропорционального измеряемой электропроводимости воды. В состав схемы входят два компаратора 10 и 11, резистивный делитель из трех резисторов R3, R4, R5, элемент ИЛИ 13 и управляемый мультивибратор 12. Выход компаратора 10 подключен к знаковому входу реверсивного счетчика 4, а выход управляемого мультивибратора 12 подключен к счетному входу реверсивного счетчика.Figure 2 presents a diagram of a two-threshold signal level discriminator proportional to the measured electrical conductivity of water. The circuit includes two comparators 10 and 11, a resistive divider of three resistors R3, R4, R5, an OR element 13 and a controlled multivibrator 12. The output of the comparator 10 is connected to the sign input of the reversible counter 4, and the output of the controlled multivibrator 12 is connected to the counting input of the reverse counter.

Работа предлагаемого устройства измерения относительной электропроводимости морской воды Фиг.1 осуществляется следующим образом. При включении питания устройства сигнал синусоидальной формы от генератора 1 поступают в обмотку возбуждения W1 индуктивной ячейки, погруженной в морскую воду. В витке воды как во вторичной обмотке первого трансформатора ячейки возникает ток, пропорциональный удельной электропроводимости воды. Ток возбуждает выходное напряжение в компенсационной обмотке W3 второго трансформатора. Это напряжение усиливается нуль-органом 5, выпрямляется фазочувствительным детектором 6 и, поступая на вход двухпорогового различителя уровня сигнала 8, запускает счет реверсивного счетчика 4 в таком направлении, при котором происходит компенсация тока в витке воды. Сигнал компенсации вырабатывается эталонным цифровым делителем напряжения 3, который управляется цифровым кодом с выходов реверсивного счетчика 4. Величина тока в компенсационной обмотке W3 определяется напряжением на выходе цифрового делителя напряжения 3 и величиной сопротивления резистора R1. Счет реверсивного счетчика продолжается до того момента, когда напряжение на входе двухпорогового различителя уровня сигнала не снизится и попадает в зону нечувствительности между уровнями напряжения двухпорогового различителя 8. При этом реверсивный счетчик остановится и выдаст цифровой код результата измерения на сумматор 9. Но полная компенсация тока в витке воды еще не наступает, остается некоторый остаток, меньший или равный единице дискрета цифрового делителя напряжения. Далее в работу вступает аналоговый компенсатор тока, функцию которого выполняет нуль-орган 5. Компенсационный ток в нуль-органе 5, выполненном на базе операционного усилителя, возникает в цепи отрицательной обратной связи, образованной точным резистором R2. Этот усилитель включен в инверсном режиме при нулевом уровне сигнала на плюсовом входе. Свойство операционного усилителя в таком включении состоит в том, что на инвертирующем минусовом входе автоматически устанавливается уровень сигнала, повторяющий уровень плюсового входа за счет тока по цепи отрицательной обратной связи. Поскольку входное сопротивление операционного усилителя бесконечно велико, то весь ток цепи обратной связи через резистор R2 поступает в компенсационную обмотку W3 и поддерживает выходное напряжение на обмотке равным нулю, реализуя нулевой метод измерения. При этом на выходе нуль-органа 5 напряжение не равняется нулю, а представляет собой усиленный сигнал, равный по величине произведению тока в цепи обратной связи на сопротивление резистора R2. Усиленное таким образом напряжение переменного тока с выхода нуль-органа поступает на вход фазочувствительного детектора 6 и преобразуется в сигнал постоянного тока. Помимо выпрямления сигнала фазочувствительный детектор выполняет другую важную функцию - он подавляет помехи переменного тока других частот, а также сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно полезного сигнала, - так называемые квадратурные помехи.The work of the proposed device for measuring the relative electrical conductivity of sea water Figure 1 is as follows. When the device is turned on, a sinusoidal signal from the generator 1 enters the excitation winding W1 of the inductive cell immersed in sea water. In the water loop, as in the secondary winding of the first cell transformer, a current occurs proportional to the electrical conductivity of the water. The current drives the output voltage in the compensation winding W3 of the second transformer. This voltage is amplified by the null-organ 5, rectified by a phase-sensitive detector 6 and, entering the input of a two-threshold signal level discriminator 8, starts the counting counter 4 in the direction in which the current in the water loop is compensated. The compensation signal is generated by a reference digital voltage divider 3, which is controlled by a digital code from the outputs of the reverse counter 4. The current in the compensation winding W3 is determined by the voltage at the output of the digital voltage divider 3 and the resistance value of the resistor R1. The counting of the reverse counter continues until the voltage at the input of the two-threshold discriminator of the signal level does not decrease and falls into the dead zone between the voltage levels of the two-threshold discriminator 8. In this case, the reversing meter will stop and give a digital code of the measurement result to the adder 9. But the full current compensation in a turn of water has not yet begun, a certain remainder remains, less than or equal to the discrete unit of the digital voltage divider. Next, an analog current compensator comes into operation, the function of which is performed by the zero-organ 5. The compensation current in the zero-organ 5, based on the operational amplifier, occurs in the negative feedback circuit formed by the exact resistor R2. This amplifier is turned on in inverse mode with a zero signal level at the positive input. The property of the operational amplifier in this inclusion is that the signal level is automatically set at the inverting negative input, which repeats the level of the positive input due to the current through the negative feedback circuit. Since the input resistance of the operational amplifier is infinitely large, the entire feedback circuit current through the resistor R2 enters the compensation winding W3 and keeps the output voltage on the winding equal to zero, realizing a zero measurement method. At the same time, at the output of the null-organ 5, the voltage does not equal zero, but represents an amplified signal, equal in magnitude to the product of the current in the feedback circuit by the resistance of the resistor R2. The AC voltage amplified in this way from the output of the zero-organ goes to the input of the phase-sensitive detector 6 and is converted into a DC signal. In addition to rectifying the signal, the phase-sensitive detector performs another important function - it suppresses alternating current noise of other frequencies, as well as signals shifted in phase by 90 ° relative to the useful signal, the so-called quadrature interference.

На выходе фазочувствительного детектора сигнал постоянного тока разветвляется и поступает на входы двух элементов схемы. Первый элемент - это аналого-цифровой преобразователь 7, который преобразует сигнал постоянного тока фазочувствительного выпрямителя в цифровую форму, представляя результат измерения остатка от первого цикла измерения. Цифровой код от аналого-цифрового преобразователя 7 поступает на второй вход сумматора 9. После завершения двух циклов измерения цифровые результаты поступают на вход суммирующего вычислителя, на выходе которого получается итоговый результат измерения.At the output of the phase-sensitive detector, the DC signal branches out and enters the inputs of two circuit elements. The first element is an analog-to-digital converter 7, which converts the DC signal of the phase-sensitive rectifier into digital form, presenting the result of measuring the remainder of the first measurement cycle. The digital code from the analog-to-digital Converter 7 is fed to the second input of the adder 9. After the completion of two measurement cycles, the digital results are fed to the input of the adder, at the output of which the final measurement result is obtained.

В первом цикле измерения эталонным цифровым делителем напряжения 3 достигается точность измерения, равная одному дискрету делителя. Второй цикл измеряет величину остатка от дискретизации и тем самым многократно уточняет итоговый результат.In the first measurement cycle, the reference digital voltage divider 3 achieves a measurement accuracy equal to one discrete of the divider. The second cycle measures the value of the remainder of the discretization and thereby repeatedly clarifies the final result.

Если в ходе работы устройства электропроводимость воды изменилась, то уровень сигнала на выходе фазочувствительного детектора 6 также изменяется и соответственно изменяется код аналого-цифрового преобразователя 7. При более значительном изменении сигнал на входе двухпорогового различителя уровня сигнала 8 выходит за пределы зоны нечувствительности и переходит за нижний или верхний пороги напряжения. В этом случае на выходе двухпорогового различителя уровня возникают сигналы управления по счетному и знаковому входам реверсивного счетчика 4. Счетчик отрабатывает нужное число дискретов в сторону уравновешивания и тем возвращает сигнал на выходе фазочувствительного детектора 6 в зону нечувствительности двухпорогового различителя уровня сигнала 8. После отработки реверсивного счетчика на его выходе устанавливается новое значение результата измерения. Во всех фазах уравновешивания тока в витке воды напряжение в компенсационной обмотке W3 поддерживается на нулевом уровне и тем самым выполняется главное условие нулевого метода измерений, при котором достигается высокая точность.If during the operation of the device the electrical conductivity of the water has changed, the signal level at the output of the phase-sensitive detector 6 also changes and the code of the analog-to-digital converter 7 changes accordingly. With a more significant change, the signal at the input of the two-threshold signal level discriminator 8 goes beyond the dead band and goes to the lower or upper voltage thresholds. In this case, at the output of the two-threshold level discriminator, control signals occur at the counting and sign inputs of the reversible counter 4. The counter fulfills the required number of samples in the direction of balancing and thereby returns the signal at the output of the phase-sensitive detector 6 to the dead zone of the two-threshold discriminator of signal level 8. After working out the reversible counter at its output, a new value of the measurement result is set. In all phases of balancing the current in the water loop, the voltage in the compensation winding W3 is maintained at zero level and thereby the main condition of the zero measurement method is fulfilled, at which high accuracy is achieved.

Работоспособность заявляемого устройства обеспечивается только при выполнении определенных требований к численным значениям параметров составных элементов. Требуется, чтобы диапазон измерения АЦП был несколько больше шага дискретности эталонного цифрового делителя напряжения, а разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала равнялась шагу дискретности эталонного цифрового делителя напряжения. При этом рабочий диапазон АЦП задается соответствующим выбором его параметров, а разность уровней двухпорогового различителя уровней задается величинами резисторов R3, R4, R5 резистивного делителя на Фиг.2.The performance of the claimed device is ensured only if certain requirements for the numerical values of the parameters of the constituent elements are met. It is required that the ADC measurement range be slightly larger than the step of the discreteness of the reference digital voltage divider, and the difference in the levels of the two-threshold signal level discriminator is equal to the step of the discreteness of the reference digital voltage divider. In this case, the working range of the ADC is set by the appropriate choice of its parameters, and the level difference of the two-threshold level discriminator is set by the resistor values R3, R4, R5 of the resistive divider in FIG. 2.

Если установить разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала меньшей шага дискретности эталонного цифрового делителя напряжения, то при некоторых значениях измеряемой электропроводимости воды выходной сигнал не будет попадать в окно между верхним и нижним порогами и возникнут автоколебания реверсивного счетчика около точки равновесия, т.е. работа устройства нарушится.If you set the level difference of the two-threshold signal level discriminator smaller than the discrete step of the reference digital voltage divider, then at some values of the measured water conductivity, the output signal will not fall into the window between the upper and lower thresholds and self-oscillations of the reverse counter near the equilibrium point, i.e. the device will not work properly.

Если наоборот, установить разность уровней двухпорогового различителя существенно больше шага дискретности, то при некоторых значениях измеряемой электропроводимости выходной сигнал будет выходить за пределы рабочего диапазона АЦП, не вызывая необходимого переключения реверсивного счетчика. Работа устройства также нарушится.If, on the contrary, the difference in the levels of the two-threshold discriminator is significantly larger than the step of discreteness, then for some values of the measured conductivity the output signal will go beyond the working range of the ADC without causing the necessary switching of the reverse counter. The device will also malfunction.

Для того чтобы обеспечить устойчивую работу устройства с необходимым запасом надежности рекомендуется выбирать запас по рабочему диапазону АЦП в пределах 10%, а разность уровней двухпорогового различителя уровня сигнала равной шагу дискретности эталонного цифрового делителя напряжения с допуском в пределах 1%. Больший запас по диапазону измерения АЦП соответственно снизит разрешающую способность и повысит погрешность измерения.In order to ensure stable operation of the device with the necessary safety margin, it is recommended to select the margin for the ADC operating range within 10%, and the difference in the levels of the two-threshold signal level discriminator equal to the step of the discreteness of the reference digital voltage divider with a tolerance of 1%. A larger margin in the ADC measurement range will accordingly reduce the resolution and increase the measurement error.

Для оценки характеристик предлагаемого способа и устройства измерения удельной электропроводимости морской воды были проведены экспериментальные исследования опытного образца изделия. В образце использовался 8-разрядный эталонный цифровой делитель напряжения трансформаторного типа и 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Вся электронная схема изделия за исключением индуктивной ячейки термостатировалась при температуре 32°С с допуском ±0,1°С для исключения влияния температурной зависимости опорных элементов схемы. Температура пробы воды в ячейке измерялась отдельно цифровым термометром с относительной погрешностью 0,001°С. Испытаниями образца подтверждена точность измерения относительной удельной электропроводимости морской воды на уровне 20 двоичных разрядов, а разрешающая способность - на уровне 22 двоичных разрядов, что соответствует требованиям к эталонным установкам.To assess the characteristics of the proposed method and device for measuring the electrical conductivity of sea water, experimental studies of the prototype of the product were conducted. The sample used a transformer-type 8-bit reference digital voltage divider and a 16-bit analog-to-digital converter. The entire electronic circuit of the product, with the exception of the inductive cell, was thermostated at a temperature of 32 ° C with a tolerance of ± 0.1 ° C to exclude the influence of the temperature dependence of the supporting elements of the circuit. The temperature of the water sample in the cell was measured separately with a digital thermometer with a relative error of 0.001 ° C. Tests of the sample confirmed the accuracy of measuring the relative electrical conductivity of sea water at the level of 20 binary digits, and the resolution at the level of 22 binary digits, which corresponds to the requirements for the reference installations.

Claims

1. The method of measuring the electrical conductivity of sea water by an inductive type cell, in which the output signal of the cell is measured in two cycles, while in the first cycle, the main part of the signal is digitally measured by discrete balancing by the antiphase signal from the reference voltage divider, and in the second cycle, the measurement the residual part of the signal by analog balancing with the zero method, followed by conversion from analog form to digital, analog-to-digital conversion STUDIO and give the final result of measurement by summing the digital samples of the first and second cycles.

2. A device for measuring the electrical conductivity of sea water, containing a sinusoidal generator, a first transformer of an inductive cell with an excitation winding connected to a sinusoidal generator, and an output winding, a second transformer of an inductive cell connected by a water loop to the first transformer and having an output compensation winding, while the output windings of the transformers are connected to a reference digital voltage divider controlled by a reversible counter, and to a zero-organ with a phase sensor detector, characterized in that the zero-organ is made on the basis of an operational amplifier with a feedback circuit formed by an exact resistor in which a compensation current occurs, the device further comprises an analog-to-digital converter, a two-threshold signal level discriminator and a summing computer, with one end the output compensation winding of the second transformer is grounded, and the second end is connected through precision resistors to the output of the reference digital voltage divider and the input of the zero-organ output I the winding of the first transformer is connected at two ends to the input of the reference digital divider and to the control inputs of the phase-sensitive detector, the output of the phase-sensitive detector is connected to the input of the two-threshold signal level discriminator and the input of the analog-to-digital converter, the outputs of the signal level discriminator are connected to the counting and sign inputs of the reversible counter, and the digital outputs of the analog-to-digital converter and the reversible counter are connected to the inputs of the summing computer.

3. The device according to claim 2, characterized in that the two-threshold signal level discriminator is built of two comparators, a resistive voltage divider, an OR logic element and a controlled multivibrator, while the positive and negative inputs of the comparators are supplied with reference voltages from the resistive divider, free inputs of the comparators connected together and connected to the output signal of a phase-sensitive detector, the outputs of the comparators are connected to the inputs of the OR logic element, the output of the OR element is connected to the control input m ltivibratora, and the output of the multivibrator and the output of the first comparator are connected to the counting inputs landmark and down counter.

4. The device according to claim 2, characterized in that in a two-threshold signal level discriminator, the difference in the threshold voltages set by the resistive divider is equal to one discrete signal of the reference digital voltage divider, and the measurement range of the analog compensator with some margin covers this level difference.