Устройство для измерения удельной электрической проводимости жидкости

 

. Использование: в электроразведке, рыбном хозяйстве , океанографии и при проведении различных экологических исследований при измерении удельной проводимости жидкости Сущность: устройство содержит два измерительных электрода, размещенных в пазах корпуса, два излучающих электрода расположенных с внешней стороны корпуса, причем корпус выполнен в виде цилиндра с усеченными концами, пазы расположены симметрично относительно продольной оси, а длину h выбирают не . менее наибольшего размера а открытых частей паза . Устройство содержит генератор напряжения, согласующий трансформатор, регистрирующий прибор, три дифференциальных усилителя, фазовращатель , двойной дифференциальный усилитель, образцовое сопротивление, синхронный детектор. Оно позволяет повысить точность измерений путем исключения погрешности из-за влияния двоимого поляризационного слоя на поверхностях контакта электродов с жидкостью. 4 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ИАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам н товарным знакам (21) 4949025/21 (22) 250691 (46) ЗОЛ 393 Еюп. Йа 43-44 (71) Московский энергетический институт (72) Акипова Нд; Зимин ЕФ.; Коробков О.В.; Собисевич АЙ (73) Московский энергетический институт (54) УСТРОЙСЯО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОй ЭЛЯКтРИЧЮСой ЛЕОВОДИЫОСтИ

ЖИДКОСТИ (87). Использование: в электроразведке, рыбном хозяйстве, океанографии и при проведении различных экологических исследований при измерении удельной проводимости жидкости Сущность: устройство .содержит два измерительных.электрода, разме(И) RRU U(11) 2003968 С1 (51) 5 GOIN27 07 GO1N 27 42

G01R27 22 щенных в пазах корпуса, два излучающих электрода, расположенных с внешней стороны корпуса, причем корпус выполнен в виде цилиндра с усеченными концами, пазы расположены симметрично относительно продольной оси, а длину h выбирают не . менее наибольшего размера а открытых частей паза. Устройство содержит генератор напряжения, согласующий трансформатор, регистрирующий прибор, три дифференциальных усилителя, фазовращатель, двойной дифференциальный усилитель,. образцовое сопротивление, синхронный детектор.

Оно позволяет повысить точность измерений путем исключения погрешности из-за влияния двойного поляризационного слоя на поверхностях контакта электродов с жидкостью. 4 иа

2003968 го поля у приемных электродов их двойного электрического. слоя, использованиеэлектродов иэ драгметаллов, что повышает стоимостЬ устройства. Крестообразная конструкция датчика неудобна s эксплуатации, особенно при буксировке, наличие гидроканалов в кор: пусе датчика для сообщения внешних и внутренних электродов не увеличивает, а уменьшает быстродействие устройства.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Изобретение относится к области электрофизических измерений, в частности к устройствам для измерения удельной проводимости жидкости, и может быть использовано в инженерно-физическйх и геофизических исследованиях, в том числе в электроразведке, рыбном хозяйстве, океанографии и при проведении различных экологических исследований. 10

Известно. устройство для измерения электропроводимости жидкости Я электродная система которого образует измерительный мост, питаемый напряжением и ром ы шлен ной частоты, а показывающий 15 прибор включен в измерительную диагональ моста. Иедостатком этого устройства являешься большая погрешность измерений из-за наличия двойного электрического слоя как у передающих, так и у приемных 2g . электродов.

Известно автокомпенсационное устройство для измерения электропроводимости жидкости (2), в котором эа счет азедения обратных связей повышена точность изме- 25 рений, но погрешность из-за наличия двойного электрического слоя электродов не устранена.

Наиболее близким к заявляемому является устройство измерения электропрово- Зо димости жидкости (3), в котором в качестве первичного преобразователя используется четырехэлектродная система с двумя внешними и двумя внутренними электродами, размещенными симметрично иа внутрен- З5 ней и внешней поверхностях полого Т-образного диэлектрического корпуса. электронная часть содержит последова-, тельно соединенные генератор напряжения, согласующий трансформатор. щ регистрирующий прибор, где точность измерения повышена за счет введения в электронную часть устройства обратных связей, Такая конструкция первичного преобразователя повышает быстродействие и про- 5 странстве нное разрешение. Существенными недостатками устройства-прототипа являются наличие погрешности из-за влияния на распределение возбуждающего злектрическоЦель достигается тем, что в устройстве для измерения удельной электрической проводимости жидкости, содержащем диэлектрический корпус с размещенными на нем двумя измерительными и двумя излучающими электродами, генератор напряжения, согласующий трансформатор, регистрирующий прибор, согласно изобретению корпус выполнен в виде цилиндра с усеченными концами, измерительные электроды установлены в пазах, выполненных s корпусе, причем пазы расположены симметрично относительно продольной оси, а их длину h выбирают не менее наибольшего размера а открытых частей паза; Ь а.

Кроме того, устройство снабжено тремя дифференциальными усилителями переменного тока, двойным дифференциальным усилителем, фазовращателем, синхронным детектором, причем выход генератора соединен с первым входом фазовращателя и инвертирующим входом двойного дифференциального усилителя, выходы которого через разделительные конденсаторы соединены с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторичные обмотки которого соединены с излучающими электродами первичного преобразователя и с входами третьего дифференциального усилителя, параллельно которым подсоединено образцовое сопротивление, выход третьего дифференциального усилителя соединен с вторым входом синхронного детектора и с входом аттенюатора цепи обратной связи, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а выход — с неинвертирующим входом двойного дифференциального усилителя, входы второго дифференциального усилителя, соединены с измерительными эаектродами первичного преобразователя, выход фазовращателя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с регистрирующим прибором.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение создает положительный эффект, Благодаря изменению в конструкции повышается удобство эксплуатации датчика, благодаря сокращению гидраканалов повышается быстродействие устройства.

Предлагаемое техническое решение имеет новые признаки: выполнение корпуса в виде цилиндра с усеченными концами, наличие. пазов, их расположение, соотношение размеров паза, поэтому и соответствует критерию "новизна". Анализ известных тех2003968

15

25

35

40 нических решений (аналогов) в области геофизики и смежных областях (технической физике, электроизмерительной технике и т,д.) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое устройство от прототипа, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия

На фиг.1 показам первичный преобразователь и его сечения; на фиг.2 — схема электронной части устройства; на фиг.3— полная электрическая схема замещения первичного преобразователя; на фиг.4 — упрощенная электрическая схема первичного преобразователя.

Первичный преобразователь устройства (фиг.1) содержит полость 1 для соединения кабеля и .выводов от электродов в диэлектрическом корпусе 2, измерительные электроды 3, размещенные в пазах 4, излучающие электроды 5, расположенные с внешней стороны корпуса, пластины 6, 7, используемые для стабилизации движения датчика при буксировке. Пластины 6 могут выполняться как из диэлектрика, так и проводящими, В последнем случае они выполняют функцию излучающих электродов.

Пластины 7 изготовляются из диэлектрика, они кроме стабилизации движения изменяют масштаб осреднения..

Электронная часть устройства (фиг.2) содержит генератор 8 напряжения, согласующий трансформатор 9, регистрирующий прибор 10, дифференциальные усилители

11. 12, 13, фазовращатель 14, двойной дифференциальный усилитель 75; образцовое сопротивление 16, синхронный детектор 77, выводы излучающих электродов А, В первичного преобразователя 18 и выводы измерительных электродов M, N, аттенюатор 19 обратной связи (R1, и ). Выход генератора 8 соединен с первым входом фазавращатепя

14 и инвертирующим входом двойного дифференциального усилителя 15, выходы которого через разделительные конденсаторы соединвны с первичной обмоткой согласующего трансформатора 9. Вторичные обмотки последнего соединены с излучающими электродами А и В первичного преобразователя 18.и с входами третьего дифференциального усилителя 13, параллельно которым подсоединено образцовое сопротивление 16. Выход третьего дифференциального усилителя 13 соединен с вторым входом синхронного детектора 77 и с входам аттемюатара 19 обратной связи, выход катарога соединен е неин вертирую щим входам первого дифферен циал ьнаго усилителя 11. Инвертируюший вход усилителя 11 соединен с выходом второгодифференциального усилителя 12, а выход — с неинвертирующим входом двойного дифференциального усилителя 15. Входы второго дифференциального усилителя 12 соединены с измерительными электродами первичного преобразователя 18, выход фазовращатепя

74 соединен с первым входам синхронного детектора 17, Выход которого соединен с регистрирующим прибором 10, Для пояснения работы устройства на фиг.3 приведена эквивалентная схема, где А и  — излучающие электроды, M u N — приемные электроды, 2пА, 2пв, Епм, Ели — сопротивления поляризационных двойных слоев электродов, R7, R>, R2 . Rg — сопра} и тивления слоя жидкости от излучающих электродов до открытых торцов пазов приемных электродов, R. R — сопротивления

И слоя жидкости между открытым торцами пазов измерительных электродов; и гм, R м, 1 I

R гдЯ (N — сопротивление слоя жидкости в пазов измерительных электродов, Излучающие электроды питаются от источника тока с внутренним сопротивлением.

Учитывая симметрию первичного преобразователя,можнозаписать Р1 =R> =йг ! II

= R2 = 2R7 = 202; R = R = 2R; Вгм = Ргм

=йги = Кги = 2йгм = 2йги = 2йг.

При этих условиях эквивалентная электрическая схема первичного преобразователя (фиг,3) преобразуется в эквивалентную электрическую схему, приведенную на фиг.4, Напряжение Оьцц. снимаемое с измерительных электродов М и й, подается на входной усилитель. Если входное сопротив. ление усилителя много больше 2Яг + Zap +

+ZOOM, напряжение Омм пропорционально сопротивлению R, включенному между пазами измерительных электродов. В общем случае величина R зависит ат конструкции первичного преобразователя и от проводимости окружающей среды. Уровень сигнала

Оми зависит и ат величины тока! возбуждающих электродов А, В, Поэтому к стабип ьности тока источника тока возбуждающих электродов предьявляются жесткие требования. На величину сопротивления R большое влияние оказывает глубина h пазов измерительных электродов. В общем случае для определения R необходимо решать соответствующую полевую задачу. Как показали расчеты, при прочих постоянных величинах (канструктивных размерах, проводимости среды и т.п.) величина сопротивления R может изменяться íà 72% при изменении глубины паза ат h = 0 до h = а, где а-ширина паза, вдоль которого изменяется электрическое папе возбуждающих электродов. Дальнейшее увеличение глубины па2003968 за пракгически не оказывает никакого влияния на изменение R. Поэтому если выбрать глубину паза h>a, та практически можно считать R =- const. Обьяснить такие изменения

R можно следующим образам. Наличие металла в проводящей среде приводит к уменьшению эквивалентного сопротивления между двумя любыми точками в пространстве. Поэтому при 1) = О, когда весь паз заполнен приемным электродом при отсутствии двойного слоя, R будет наименьшим, При наличии двойного слоя R будет наибольшим, На так как двойной слой на границе металл — жидкость является нестабильным, то нестабильным является и значение R, а следовательно, и величина напряжения 0м)ч. Если приемные электроды заглубить на глубину h>a, то значение сопротивления не зависит от двойного поляризационного слоя приемных электродов и строго пропорционально удельному сопротивлению жидкости.

Указанные утверждения справедливы только при питании возбуждающих электродов источником тока. Высокую стабильность источника тока обеспечить трудно.

Более зффективным являются источники напряжения, их стабильность обеспечить легче. Устранение указанного недостатка и обеспечивает схема устройства, приведенная на фиг.2. С учетом принятых на схеме обозначений определяют выходное напряжение, которому пропорциональны показания регистрирующего прибора.

Так 1о, протекающий через излучающие электроды А и В, можно определить при помощи выражения

Одвх Ur — 01

ZABZ ZAB Х где UAB, — напряжение холостого хада на зажимах А и В;

U> — выходное напряжение генератора;

ZABX= R вых+ Ro+ RABBK+ Лй+ jhX— суммарное сопротивление в цепи электродов А, В при настройке в резонанс на частоте fr цепи первичной обмотки согласующего трансфо )матора.

Йвых = Ввых — приведенное к вторичп2 ной обмотке выходное сопротивление двой. ного дифференциального усилителя;

RABsx — активная составляющая входного сопротивления первичного преобразователя са стороны электродов А, В;

hR u hx — отклонение входного сопротивления от среднего значения при изменении 0 окружающей среды;

Ко-Кд О.п. где Кд — коэффициент усиления двойного лифференциальнога усилителя;

Q — добротность контура первичной цепи согласующего трансформатора; и — коэффициент трансформации согласующего трансформатора.

5 Для напряжения 01 можно записать

Ui= Kt (0ми K2 P Кзй.1.)=

= К11о(—. — Р Кз Ro ), (2)

Кр

0 1э где учтено что напряжение с измерительных

10 электродов М, N можно представить в виде

0м)ч = I/0 1э: P = —, R1 г(2 (3) где Ь вЂ” эквивалентная длина первичного преобразователя.

Подставив уравнение(2) в выражение(1) и решив последнее относительно Ur, получают

K) Кг ZABZ

Ur = Ip(—.— + -P K) Кз йо ) (4)

О 1э Ко

При выполнении условия

1 р K K R 1 вых + АВвх + о (5)

Ко можно записать

25 0 1(К К2 z R+JAX) . (6)

О 1э Ко

Из выражения (6) следует, чта при

Kz Kz Ka»af,.V(BR) +(Х)

ЗО что легко выполнимо, ток в цепи излучающих электродов прямо пропорционален проводимости жидкости; К К

0 *1э (7)

К К2

С учетом выражения (7) для выходного напряжения на индикаторе имеют

U.<д = М 1э Ro

Кз К К

К1 К2

40 где Кд — коэффициент передачи синхронного детектора;

Кр — коэффициент передачи регистрирующего прибора.

Таким образом, напряжение на выходе

45 рассматриваемой схемы пропорционально удельной электропроводности жидкости, причем величина и стабильность коэффициента пропорциональности определяются параметрами напряжения генератора (Щ.

50 образцового резистора (Rp), эквивалентной длины первичного преобразователя (!э) и коэффициентами передачи узлов электронной схемы (K>, Kp, Кз, Кд, Кр), высокий уровень стабильности которых легко обеспечить, 55 Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет принципиально исключить. погрешность измерений удельной электрической проводимости жидкости за счет исключения влияния двойного электрического слоя излучающих и приемных злек2003968

10 тродов, 3То позволяет повысить точность измерений на-10 — 15 j и использовать при измерениях электроды из дешевого материала. а не из драгметаллов. Использование предлагаемото электронного устройства, 5 более дешевого и более стабильного по сравнению с известными, приводит к снижению стоимости устройства в целом.

10 двойного дифференциального усилителя, выходы которого через разделительные конденсаторы соединены с первичной обмоткой согласующего трансформатора, 15 первые выводы вторичной обмотки которого соединены с излучающими электродами первичного преобразователя, а вторые - с входами третьего дифференциального усилителя, параллельно которым подсоедине20 но образцовое сопротивление, выход третьего дифференциального усилителя соединен с вторым входом синхронного детектора и с входом аттенюатора цепи

25 обратной связи, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а выход — с неинвертирующим входом двойного дифференциального усилителя, входы второго дифференциального усилителя соединены с измерительными электродами первичного преобразователя, выход фазовращателя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с регистрирующим прибором, формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ. ЖИДКОСТИ. содержащее диэлектрический корпус с размещенными на нем двумя измерительными и двумя излучающими электродами, генератор напряжения, согласующий трансформатор, регистрирующий прибор, отличающееся тем. что. с целью повышения точности измерений путем исключения влияния двойного поляризационного слоя на поверхностях контакта электродов с жидкостью, корпус выполнен в виде цилиндра с усеченными концами, измерительные электроды установлены в пазах, выполненных в корпусе, причем пазы расположены симметрично относительно продольной оси, а их длину h выбирают не менее наибольшего размера а открытых частей паза

h а, кроме того, оно снабжено тремя дифференциальными усилителями переменного тока, двойным дифференциальным усилителем, фазовращателем, синхронным детектором, причем выход генератора соединен с первый входом фаэовращателя и инвертирующим входом (56) Патент США М 3745459, кл. 6 01 N

27/42, 1973.

Шауб Ю.Б, Новые методы электрометрии в морских исследованиях, M.: Наука, 1985. с.216.

Патент США hh 3926056, кл. G 01 9/04, 1976.

2003968

2003968

2003968

Редактор Т.Юрчикова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101

Заказ 3323

Составитель H.Aêèëîâà

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишиней

Тираж Подписное {ПО " Поиск Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5