SU1075132A1 - Кондуктометр - Google Patents

Abstract

КОНДУКТОМЕТР, содержащий .погружной зонд с крышкой,на которой .размещена  чейка в виде изол ционноiro цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой , размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напр жени , отличающийс  тем, что, с целью пов.иени  точности измерени , в корпусе  чейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийс  с двум  радиальными отверсти ми в стенке корпуса, в канале размещена кварце ва  трубка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом  вл етс  крышка зонда, котора  заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым входом операционного усилител , второй вход операционного усилител  соединен с источником опорного С S напр жени , а выход операционного усилител  соединен с первичной- обмотсл кой согласующего трансформатора, вторична  обмотка согласующего трансфорс: матора соединена с одной стороны с TOKOBicM электродом, с другой - с первой Ю1ем1.1ой резистора, друга  клемма S заземлена. :л 00

Description

Изобретение относитс  к физикохим1- ческому анализу и может быть ис пользовано дл  точных измерений эле тропроводности морской воды- в натурных услови х с nofioi bK приборов зондирующего типа. Известен ьюндуктометр, предназна ченный дл  измерений электропроводности морской воды в лабораторных услови х. Ячейка кондуктометра содер ыит стекл нную или кварцевую трубку заполненную пробой воды, и закрепле ные в ней на внутренней поверхности Бдоль оси на фиксированных рассто ни х четыре кольцевых электрода, крайние из которых  вл ютс  токовыми , а средние потенцигхльными. Потенциальные электроды имеют несколько больший диаметр и располагаютс  в углубленных канавках треугольного профил  сечени , что снижает гради- ент напр жени  вблизи их контактной поверхности и тем значительно увеличивает устойчивость  чейки k загр знени м и допуски на геометрические размеры электродов. С помощью герметизированных выводов через боковую поверхность трубки электроды подключаютс  к электронной схеме управлени . Токовые электроды подключаютс  к источнику Питани  переменного тока, а потенцис1льные - к измерителю напр жени  с очень высоки входньом сопротивлением. Электронна  схема автоматически регулирует ток через  чейку таким образом, чтобы разность, потенциалов между потенциальными электродами оставалась посто нной и равн лась заданной величине независимо от изменчивости элек тропроводности. Благодар  схеме регулировани  компенсируетс  нестабиль ность переходного сопротивлени  токовых электродов, а аналогична  нестабильность в потенциальных электро дах исключаетс  применением высокоом ной измерительной цепи, в которой последовательно включенное сопротивление электродов составл ет пренебре жимо малую часть t Недостатком данного кондуктометра ограничивающим область его применени , вл етс  невозможность использовани  его при полном погружении в во ду, т. е„ в натурных услови х,Причина ограниченного применени  заключаетс  в том,что при полном погружении  чей ки в воду образуетс  второй путь дл  замыкани  тока между токовыми электродами снаружи трубки,причем соотно шени  токов,протекающих внутри и сна ружи, было бы недостаточно стабильным так как зависело бы от вариации пере ходного сопротивлени  токовых электродов , и , следовательно, результаты измерений не обладали бы достаточ1«эй точностью, . Наиболее близким техническим ре1:1ением к изобретению  вл етс  кондуктометр , который содержит зонд с крышкой, на крышке зонда размещена  чейка в виде изол ционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, электроды соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напр жени  Г21 . Недостаткаг и известного кондуктометра  вл ютс  нестабильность геометрической посто нной под действием загр зн ющих факторов внешней среддл и вследствие этого недостаточно высока  точность измерений электропроводности . В данной конструкции погрешность от загр знений и св занных с ними изменений переходного сопротивлени  всех четырех электродов компенсируетс  электронной схемой только в.том случае, если загр зн ющий слой имеет равномерное распределение . В этом случае геометрическа  посто нна  не измен етс , так как остаютс  неизмененными эффективные площади .электродов и положение их геометрических центров. При неравномерном .распределении загр з нений, что имеет место на практике, эффективна  площадь электродов и положение центров участков, оставшихс  чистыми, смещаетс , что вызывает существенную погрешность измерени . Величина погрешности зависит от изменени  потенциала электродов, которое в свою очередь определ етс  произ.ведением величины смещени  эффективного геометрического центра электрода на градиент напр жени  в прилегающем слое жидкости . Таким образом, погрешность от загр знени  тем больше, чем больше градиент напр жени  на границе потенциальных электродов и чем больше поперечные размеры электродов по отношению к рассто нию между их центрами. Цель изобретени  - повышение точности измерений электропровдности морской воды за счет уменьшени  погрешностей , св занных с загр зн ющими факторами внешней среды. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в кондуктометр, содержащий погружной зонд с крышкой, на которой размещена  чейка в виде изол ционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой , размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напр жени , в корпусе  чейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийс  с двум  радиальныг1и отверсти ми в стенке корпу са, в канале размещена кварцева  тру ка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом  вл етс  крышка зонда котора  заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разде лительный конденсатор с первым входом операционного усилител , второй вход операционного усилител  соедит нен с источником опорного напр жени  а выход операционного усилител  соединен с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторична  обмотка согласующего трансформатора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой - с первой клем мой резистора, а друга  клеммарезис тора заземлена. Повышение точности измерений достигаетс  за счет следующих факторов существенно ослабл ющих вли ние загр знени  электродов. Во-первых, благодар  выполнению корпуса осевым каналом геометрическа  посто нна   чейки перестает зависеть от площади токового электрода а определ етс  сечением и длиной кварцевой трубки, ограничивающей измер емый объем воды. Это объ сн етс  тем,что-сопротивление измер емой части вод ного столба на участке от потенциального электрода вдоль канала и до крышки зонда почти не зависит от размеров и формы токового электрода, (с точностью около 0,01%), поскольку его переходное сопротивление компенсируетс  электронной схемой управлени , а конфигураци  линий тока,формирующих провод щий канал, определ етс  не формой и размерами электрода, а стенка ми канала. Поэтому загр знени  токо вого электрода почти не вли ют на погрешность измерени  электропровод ности. Во-вторых, потенциальный электрод помещенный в канале напротив электрода , оказываетс  в зоне очень малого градиента напр жени  в воде. Мала  величина градиента объ сн етс  тем, что в зтой точке линии тока разветвл ютс  на два противоположных направлени , а следовательно, и градиент напр жени  измен ет знак на противоположный, проход  через нулевое значение. По этой причине возмож ные смещени  центра потенциального электрода под действием загр знений или технологических причин не вызывают ощутимого изменени  его потенциала относительно точки зазелшени  а следовательно, не снижают точности измерений. Тот факт, что в данной схеме измер етс  не разность потенциалов между двум  точками в воде, а потенциал в одной точке относительно заземленной поверхности крышки зонда, значени  не имеет, так как у поверхности крышки скачок потенциала отсутствует. В-третьих, загр знени  второго токового электрода, в качестве которого используетс  провод ща  поверхность крышки зонда, также не вли ют на результат измерени , поскольку его площадь относительно велика (в тыс чу раз больше площади первого электрода), переходное сопротивление ничтожно мало и его вариаци ми под действием загр знений можно пренебречь. По этой же причине у поверхности заземленной крышки отсутствует скачок потенциала. Именно это обсто тельство позвол ет отказатьс  от использовани  второго потенциального электрода и производить измерение напр жени  на единственном потенциальном электроде относительно крышки,зонда. В-четвертых, выходной сигнал  чейки Измер етс  вольтметром с заземленным входом, что обусловлено наличием заземленной клеммы у эталонного резистора в электронной схеме управлени . По сравнению с известным устройством, где используетс  вольтметр с изолированным входом, это позвол ет .повысить точность измерени  и упростить общую cxet прибора, конце-нтрацию  чейки и электронную схему управлени . По сравнению с известным кондуктометром из конструкции исключаютс  один потенциальный и фактически один токовый электрод и св занные с ними герметизированные токовводы внутрь зонда. В электронной схеме исключаютс  один операционный усилитель, эталонный резистор и разделительный конденсатор, что в конечном итоге повышает надежность работы  чейки. Взамен этого введены калибрующа  кварцева  трубка и согласующий трансформатор . В конструкции  чейки сохран етс  зависимость точности измерений от загр знений стенок провод щего канала , однако допустима  толцщна сло  загр знений во много раз больше,чем на поверхности электродов, поскольку в. этом случае работает не изолирующий эффект сло , а лишь сокращение площади сечени  канала. Веро тность заметного уменьшени  просвета канала под действием загр знений в приборах зондирующего типа весьма мала. На фиг. 1 приведена конструкци   чейки кондуктометра; на фиг. 2 электронна  схема кондуктометра. Ячейка содержит цилиндрический корпус 1 из изол ционного материала

с герметизирующим кольцевым уплотнением 2, устанавливаемый на заземленной провод щей поверхности крьаики зонда 3. По оси корпуса имеетс  сквозной канал 4, проход щий от корпуса до двух радиальных выходов 5 у основани  корпуса. Сквозной канал калиброван по размерам кварцевой трубки 6. На внутренней поверхности канала диаметргшьно противоположно установлены токовый электрод 7 и потенцисшьный электрод 8, От токового электрода 7 на крыаку зонда 3 , замыкаютс  двум  пут г через верхнее и нижнее отверстие канала линии тока, которые показаны на рисунке стрелками. В зоне потенциального электрода 8 линии тока разветвл ютс  на два противоположных направлени , образу  область с близким к нулю градиентом напр жени . От электродов внутрь зонда к электронной схеме управлени  проход т герметизированные токовводы 9 и 10.

Электронна  схема состоит из операционного усилител  11, источника 12 опорного напр жени , согласующего трансформатора 13, разделительного конденсатора 14 и эталонного резистора 15. На первый вход операционного усилител  11 подключен потенциальный электрод 8 через разделительный конденсатор 14. Второй вход усилител  подключен к опорному источнику 12 напр жени . Выход операционного усилител  нагружен первичной обмоткой трансформатора 13, а вторична  обмотка трансформатора одним концом подключена -к токовому электроду 7, а другим - к выходной клемме резистора.15. Втора  клемиа резистора 15 подключена к шине заземлени .

Кондуктометр, погрух енный в морскую воду, работает следующим образом

При включении источника 12 опорного напр жени  на входе усилител  11 по вл етс  сигнал, который усиливаетс  и подаетс  на первичную обмотку трансформатора 13. На выходной (Обмотке трансформатора также по вл етс  напр жение, которое приложено между токовым электродом 7 и крышкой зонда 3. Под действием приложенного напр жени  через  чейку начинае: протекать ток, который нарастает

пор, пока на потенциальном электроде 8 не по витс  напр жение, компенсирующее напр жение источника питани . Под действием цепи обратной св зи от потенциального электрода ыа вход опе5 рационного усилител  рост тока через  чейку прекращаетс  и стабилизируетс  на таком уровне, при котором потенциал электрода 8 устанавливаетс  почти равным напр )сзнию опорного источни0 ка 12. Различие этих напр жений тем меньше, чем больше коэффициент усилени  операционного усилител . Разделительный конденсатор 14, включенный в цепь потенциального электрода, пре5 дотвращает попадание на вход усилител  сигнала посто нного тока, образующегос  за счет пол ризации электрода. Ток в цепи потенциального электрода отсутствует за счет высокоомности

0 операционного усилител , благодар  чему исключаетс  вли ние нестабильности переходного сопротивлени  этого электрода.

В установившемс  режиме величина

5 тока в электроде 7 и последовательно включенном в цепь эталонном резисторе 15 оказываетс  пр мо пропорпиональной электропроводности воды, (следствие закона Ома в диффернциальQ ной форме : J jji Е| . Величина тока измер етс  по падению напр жени  в резисторе 15 с помощью внешнего вольтметра с заземленным входом.

Согласуюкций трансформатор 13 выполн ет в схеме функцию согласовани  относительно высокоомного выхода операционного усилител  с низкоомным сопротивлением  чейки. Кроме того, наличие этого трансформатора позвол ет эталонный резистор 15 подключить

0 к корпусу и тем самым применить более простую и точную измерительную схему внешнего вольтметра с заземленным входом.

5 Использование изобретени  по сравнению с известным позволит повысить качество гидрологических исследований океанов и морей, в частности,за счет уменьшени  пограиностей измереQ НИН, обусловленных загр зн юпщ ш факторами внешней среды, и значительного -снижени  себестоимости проидводства издели  в св зи с существенным .упрощением конструкции.:

Claims (1)

1. КОНДУКТОМЕТР, содержащий .погружной зонд с крышкой,на которой .размещена ячейка в виде изоляционноiro цилиндрического корпуса с токовы:ми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, отли чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварцё'вая трубка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда, которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым, входом операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соединен с источником опорного напряжения, а выход операционного <g усилителя соединен с первичной· обмоткой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансформатора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой - с первой клеммой резистора, другая клемма g заземлена.

   00 КО