SU883729A1 - Устройство дл измерени электроповодности жидкости - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к физико-химическим исследовани м и может быть использовано дл  измерени  электропроводности морской воды в гидрофизических исследовани х.

Известно устройство дл  измерени  проводимости, содержащее набор двухэлектродных  чеек 1.

Недостатком устройства  вл етс  низка  точность измерени , вследствие погрешностей прив зки измерений к пространственным координатам и изменени  профил  электропроводности во времени. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие и не позвол ет получить данные об измерении профил  электропроводности во времени .

Наиболее близким техническим решением  вл етс  устройство дл  измерени  электропроводности, содержащее чувствительный элемент в виде двухэлектродных  чеек и измерительного блока 2.

Недостатком устройства  вл етс  невысока  точность и чувствительность измерений.

Цель изобретени  - повышение точности и быстродействи  процесса измерени  электропроводности и расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации пол  электропроводности непосредственно датчиком.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что чувствительный элемент устройства выполнен в виде маски из нескольких двухэлектродных  чеек, распределенных и геометрически промодулированных вдоль измер емого профил , причем выходы  чеек поданы раздельно на входы измерительно-вычислительного блока.

На фиг. 1 показана структурна  схема устройства; на фиг. 2 - исполнение форм двухэлектродных  чеек по функци м тригонометрического р да Фурье; на фиг. 3 - то же, по функци м Уолша3 Адамара; на фиг. 4 - то же, по функци м Уолша; на фиг. 5 - то же, по функци м Хаара; на фиг. 6 - то же, по функци м Лежандра 1 рода; на фиг. 7 - то же, по импульсным весовым функци м фильтров низких пространственных частот; на фиг. 8 - то же по импульсным весовым функци м полосовых фильтров пространственных частот; на фиг. 9 - то же, по импульсным весовым функци м фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве. Устройство содержит (п + 1) парал лельно распределенных в пространстве вдоль траектории измер емого профил  попарно и симметрично промодулирован ных по константе К (по площади или по рассто нию L между электродами) двухэлектродных  чеек 1в-1,,1| - 1,. ..,1-l . При этом все электроды по даны раздельно на входы измерительно в 1числительного. блока 1. Двухэлектродные  чейки изготовлены так, что константы  чеек промодулиррваны по длине X и измен ютс  по закону . К, (X) Кгт,%-(Х) i 0,0 (1) где К - максимальна  константа двух электродной  чейки,: Pj - i-а  функци , вид которой зависит от целей из мерени . Константа К (Х) двухэлектродной электролитической  чейки определ етс из выражени  qi(x). Х| (X) f Kf(x)Xf{x) К)(Х) |.(х)(3 где q-, (X) - погонна  проводимость в точке X; Xj - удельна  электропроводность в точке X; К-, (Х) - рассто  ние между электродами в точке X; hi(Х) - высота электрода в точке X, при фиксированной ширине (вдоль оси X). . Модул ци  величины Kj (X) может осуществл тьс  изменением (X)h|{X) или обоих этих величин одновременно. Дл   чеек 1,-1,. ,,,,, Ы ин тегральна  проводимость определ етс  следующим выражением: Gi (X)«Pi(X)d; i O7n (4) Устройство может использоватьс  дл  измерени  профил  электропроводности вдоль траектории расположе и  чувствительного элемента в среде, а 9 также дл  измерени  пространственно отфильтрованных значений электропроводности в одной или нескольких точках среды. Рассмотрим варианты реализации устройства и его работу при выполнении измерений с этими цел ми . Если целью измерени   вл етс  получение профил  электропроводности вдоль неподвижного чувствительного элемента, в качестве р. (Х)| используетс  система ортонормированных на отрезке СО,Х функций, образующих базис обобщенного р да Фурье 5-9. В этом случае G(X) Z а, if,(X), (5) где коэффициенты, разложени  и определ ютс  из выражений , ±f X 0 Я-, ()f(X)dK f , I; - w -. где G,; - интервальна  измеренна  проводимость i-ой  чейки. При измерении профил  электропроводности устройство работает следующим образом. Под воздействием электропроводности среды  чейки 1о -Ifiti принимают электропроводность GIX в соответствии с зависимост ми (k). Измерительно-вычислительными блоками 1 производитс  измерение электропроводности Gjx i 0, вычисление коэффициентов а-, по формуле (6). Далее блоком 3 вычисл етс  профиль электропроводности G(X) на отрезке 0,Х по выражению (5) При использовании устройства дл  измерени  профилей электропроводности с борта научно-исследовательских судов и буйковых станций, положительный эффект, кроме повышени  точности, состоит такжег в отсутствии необходимости сканировани  среды и применении дистанционной апаратуры дл  телеметрии и в высоком быстродействии, ограниченном только инерционностью  чеек. Рассмотрим примеры использовани  различных систем функций при измерении профил . Если известно, что функци  G(X)  вл етс  периодической и кусочнонепрерывной на бтрезке 0,х, то эффективное среднеквадратическое приближение может быть получено при использовании системы тригонометрических функций р да Фурье. В этом случае используетс  (2+1)  чеек константы К{(X) и, соответственно, q,(X промодулированных по функци м профил  электропроводности по форму G(X) ., a, cosf sinl X j i;8) где коэффициенты Q,, b. определ ютс no формулам

Наиболее просто реализуютс  распределенные  чейки с модул цией погонной проводимости по системам функции Уолша.

В этом случае модул ци  проводимое-,, ФУНКЦИИ Уолша-Пэли по выражению ти может осуществл тьс  простым повторением идентичных  чеек. При этом кажда  пара электродов изготавливаетс  в соответствии одной из функций Уолша. Положительному значению функции (+t) соответствует наличие электродов , отрицательному (-1) -отсутствие (или наоборот). Поскольку дл  получени  коэффициентов разложени  а,- в р д Уолша необходима модул ци  положительными и отрицательными сойтавл ющими функции Уолша, то значени  коэффициентов qj определ ют из выражени  2Gf - G. . где G - интегральна  проводимость 0-ой  чейки. Из различных систем функции Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохран ютс  неизменными при произвольном увеличении пор дка. К ним относ тс  функции Уолша-Адамара (had (h,X)} и собственно Уолша (waW ),

qo(X) waf(0,X) q

(13) qvy(X) (w,X)

М

Claims (2)

1. где waf(w,X) paf (w,., Wt) :W. - двоичные разр ды номера w функции собственно Уолша; (р,К) - ( 10) При использовании функций УолшаАдамара had(h,X)} погонна  проводимость датчиков выражаетс  зависимост ми had(0,X)q qn,had(h,X) гдеп П CcosliXil hi -,(12) t - номер функции Уолша-АдамаXj «0 ,1 - i-ый разр д двоичного представлени  точки X на интерг вале О.Х. На фиг. 3 показаны графики модулирующих функций Уолша-Адамара дл  восьми  чеек. Блок 1 произ.водит измерение элект ропроводности  чеек, и вычисление профил  электропроводности G(X) по формуле (5) при подстановке «f; (X)had(i ,Х) и кoэффиjjlиeнтoв aj по формулам (10) при (,n). При использовании функций собственно Уолша (w,X) погонна  электропроводность  чеек выражаетс  зависимост ми (фиг. t) .P.П ( раПр.Х) Р - номер функции Уолша-Пэли. На фиг. показаны графики модулирующих функций собственно Уолша дл  восьми  чеек.. Блок 1 производит измерение электропроводности датчиков G, G;, G и вычисление профил  электропроводности по формуле (5) при .подставке f; (X) waf(i,X) и коэффи14иентов а-, по фо()мулам (10) при 1 0,п Дл  любых непрерывных профилей G(X) сход щеес  разложение может быть получено при использовании функций Хаара fxj, (X) В этом случае погонна  электропроводность выражаетс  зависимост ми (фиг. 5) qo(X) Х;(Х) q, , q:(X) q,«Xo(X) + qmA, . q.((X) (X)qmJ, где X коэффициент пропорциональности . ( 0) t/2, X () - VT при ХЕГ.,2Мх L - Х (X) , остальных точках п 0,1,2 К 1,2...2 На фиг. 5 показаны графики модулирующих функцией Хаари дл  восьми  чеек. Устройство содержит 2 ,2+ 1  чеек, одна из которых, 0-а , не модулирова на. Блок 3 производит измерение электропроводности и вычисление профил  электропроводности С; по формулам (5) при подстановке Р; (Х) и. коэффициентов а, по формулам 2G,- - GP а, -- при i и подстановке G кч При измерении некоторых профилей электропроводности в верхнем слое океана, типична  форма которых хорошо аппроксимируетс  малым числом членов некоторых полиномов, например полиномов Лежендра 1-г.о рода (рр(Х), целесообразно выполнить модул цию  ч ек по этим полиномам. 8 этом случае погонна  электропро водноств  чеек выражаетс  зависимост ми q, (X) Ро(Х) q ,оч q (X) ) q где р,(Х) ,--5Т (х-1) 0;(19 устройство содержит (п+1)  чеек. На фиг. 6 показаны графики модулирующих функций Лежендра 1 рода дл  восьми  чеек. Блок 3 производит изме Iрение электропроводности и вычисление профил  электропроводно.сти G(X) по формуле (5) при подстановке ЯР; р.,(Х) и коэффициентов а по формулам G,- Са 2 ..2 2 .,2 ,.- ) f - целью измерени   вл етс  получение значени  электропроводности в некоторой точке пол  Х, причем эт значение должно содержать только отфильтрованные заданным пространствен ным фильтром р; (V) составл ющие исходного ПОЛЯ электропроводности среды , то дл  I-и  чейки в качестве функции hi,(X-X) принимают нормированную импульсную, весовую функцию hi(X-Xo) заданного фильтра, причем h,.(x) -9iM , . Him где q;- (X) - импульсна  весова  функци ; ( q ;) -модуль максимального значени . Дл  проводимости  чеек в этом случае можем записать „ h,(X-Xo)q,(X)dX (22) h; (X-Xo)dX Поскольку член не.зависит -от измер емой электропроводности , а определ етс  только весовой . функцией hj(X) заданного фильтра, т.е. конструктивными параметрами, то /(X-Xo)dX Gn, const. (23) Отфильтрованное значение электропроводности очевидно будет G,j (Х). hj(X-XjQ(X)dX.(2i) о Следовательно, из результатов измерени  электропроводностей электропроG; ., (X) определитс  по форводность муле G,; (X) G; - Р Таким образом, при измерении электропроводности предложенным устройством возможно осуществл ть произвольную фильтрацию пространственных частот  чейкой электропроводности, если проводимость  чейки промодулировать в пространстве по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра. Рассмотрим примеры, иллюстрирующие измерение электропроводности с одновременной фильтрацией в  чейке. При реализации пр моугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированна  весова  функци  фильтра равна U v V 5Гп2УГ, (Х-Хо) Ь(Х-Хв) 29Fi (Х-Х,) При реализации полосового пространственного фильтра нормированна  весова  функци  фильтра равна sin2j|F (Х-Х) h,(X-X,) 25tF6(X-X.) Если требуетс  измерить пространственно отфильтрованные значени  электропроводности в точке Xoiii (Х,0 ( получить спектр), используетс  (п+1 распределенных  чеек, погонна  проводимость которых промодулирована по функци м q, (X) (X-Xo) Яг(Х) q,7, + qjb.(X-X,) 28 qn(X) ,(X-Xo) где hf(X) - нормированна  весова  функци  фильтра. На фиг. 7 показаны графики модули рующих проводимостей  чеек по выражению (26) дл  фильтра низких пространственных частот. Вычита  попарн сигналы с выходов таких  чеек можно получить широкий набор сигналов, отфильтрованных в определенных полосах На фиг. 8 показаны графики модули рующих функций по выражению (27) дл  полосовых фильтров пространственных частот. В этом случае устройство  вл етс  анализатором амплитудного про странственного спектра электропроводности . Во всех случа х вычисление отфиль рованных значений электропроводности G;(Xo) производитс  по формуле (25). Дл  получени  профил  отфильтрованных значений электропроводности Q, (X) ,X вдоль линии X, чувствительный элемент перемещают вдольлинии X. Если требуетс  одновременно измерить пространственные отфильтрованные значени  электропроводности GIJV (Хо) в m точках вдоль линии X, то в многоканальном устройстве используютс  т групп по п  чеек с моду лированными проводимост ми по функци м (фиг. 9 дл  ФНПЧ). :q,,(X) qn,qn,h, (X - ДХ) Яд (X) qn,(X - ДХ) Я,-п(Х) qmtqmhn:.(X - ДХ). Ча, (X) (X - 2ДХ) q;J(X) q, (X - JAX), где i i,n; j i,m Дх рассто ние между точками определени  электропроводности по оси. Блоком 1 производитс  измерение электропроводности G,,ji и вычисление электропроводности по формуле Gyi Gj - Goi - G Дл  получени  непрерывных профилей отфильтрованной электропроводности GK (Х) чувствительный элемент йеобходимо сканировать вдоль оси X в пределах АХ. Измерительно-вычислительный блок 1 производит измерение интегральных про .водимостей GJ  чеек, вычисление коэффициентов разложени  и восстановление профил  удельной электропроводности или отфильтрованных значений ее по приведенным выражени м. Таким образом, данное устройство позвол ет повысить точность и быстродействие измерени  профил  электропроводности жидкости. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  электропроводности жидкости, содержащее набор двухэлектродных  чеек, соединенных с измерительным устройством, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и быстродействи  процесса измерени , двухэлект (эодные  чейки геометрически промодулированы по площади электродов и рассто нию между ними по одной из систем обобщенных полиномов Фурье или по весовой функции заданного фильтра . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Вершинский А.В., Соловьев А.В. Зонд дл  исследовани  поверхностного сло  океана, Океанологи , т. XVII вып. 2, 1977. :
2. 2.Доценко С.В. Теоретические основы измерени  физических полей океана , Л. , Гидромет-еоиздат, 197, с. 99-110.

   ы IT

   Фиг.1

   1п

   1/«

   jj

   3-

   jj

   -1 J

   ;ь

   J

   -f

   w с

   Фне.3

   .,

   J -J

   1);

   ij.

   L

   it

   -:

   Ь

   /,

   Фиг.8

   J

   Фиг.З

   J

   In

   . 1 I Ч.