Кондуктометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 09) (11) 3(51) 5 01 Ц 27/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЫТИЙОПИСДНИЕ ИЗ 0 ВГКтЕНия К АВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТ мма(22 18, 05. 8246) 23. 02. 84. Бюл.772) Р. А. Балакин1,71) Ордена Ленина АрКтический иАнтарктический научно-исследовательский институт53) 543.257 (088.8)56) 1,Электросолемер модели Айоой 8400, Проспект фирмы "СцРЗРЕ2,Патент США Р 4.118.663,кл. Ц 01 Н 27/02, опублик. 1978,размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, ко 1торые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор,разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, о т л и -ч а ю щ и й с я 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 кварцевая 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 усили.теля соединен с источником опорного напряжения, а выход операционного в усилителя соединен с первичной обмот кой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансфор матора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой - с пер вой клеммой резистора, другая кле заземлена.Изобретение относится к физикохимическому анализу и может быть использовано для точных измерений электропроводности морской воды в натурных условиях с помощью приборов зондирующего типа.5Известен кондуктометр, предназначенный для измерений электропроводности морской воды в лабораторныхусловиях. Ячейка кондуктометра содержит стеклянную или кварцевую трубку, 1 Озаполненную пробой воды, и закрепленные в ней на внутренней поверхностивдоль оси на фиксированных расстояниях четыре кольцевых электрода,крайние из которых являются токовыми, а средние потенциальными, Потенциальные электроды имеют несколькобольший диаметр и располагаются вуглубленньх канавках треугольногопрофиля сечения, что снижает градиент напряжения вблизи их контактнойповерхности и тем самым значительноувеличивает устойчивость ячейки кзагрязнениям и допуски на геометрические размеры электродов. С помощьюгерметизированных выводов через боковую поверхность трубки электродыподключаются к электронной схемеуправления. Токовые электроды подключаются к источнику питания переменного тока, а потенциальные - к измерителю напряжения с очень высоким входным сопротивлением, Электронная схема автоматически регулирует ток через ячейку таким образом, чтобы разность потенциалов между потенциальными электродами оставалась по 1 стоянной и равнялась заданной величине независимо от изменчивости электропроводности, Благодаря схеме регулирования компенсируется нестабиль.40 ность переходного сопротивления токовых электродов, а аналогичная нестабильность в потенциальных электродах исключается применением высокоомной измерительной цепи, в которой 45 последовательно включенное сопротивление электродов составляет пренебрежимо малую часть 1Недостатком данного кондуктометра ограничивающим область его примене ния,является невозможность использования его при полном погружении в воду,т.е. в натурных условиях. Причина ограниченного применения заключается в том,что при полном погружении ячейки в воду образуется второй путь для замыкания тока между токовыми электродами снаружи трубки, причем соотношения токов, протекающих внутри и снаружи,было бы недостаточно стабильным,о так как зависело бы от вариации переходного сопротивления токовых электродов,и,следовательно, результаты измерений не обладали бы достаточоой точностью. 65 Наиболее близким техническим решением к изобретению является кондуктометр, который содержит зонд с крышкой, на крышке зонда размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, электроды соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующийтрансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения 2Недостатками известного кондуктометра являются нестабильность "геометрической постоянной" под действием загрязняющих факторов внешней среды и вследствие этого недостаточно высокая точность измерений электропроводности, В данной конструкции погрешность от загрязнений и связанных с ними изменений переходного сопротивления всех четырех электродов компенсируется электронной схемой только в том случае, если загрязняющий слой имеет равномерное распределение. В этом случае "геометрическая постоянная" не изменяется, так как остаются неизмененными эффективные площади электродов и положение их геометрических центров. При неравномерном распределении загрязнений,что имеет место на практике, эффективная площадь электродов и положение центров участков, оставшихся чистыми,смещается, что вызывает существеннуюпогрешность измерения, Величина погрешности зависит от изменения потенциала электродов, которое в свою очередь определяется произведением величины смещения эффективного геометрического центра электрода на градиентнапряжения в прилегающем слое жидкости. Таким образом, погрешность отзагрязнения тем больше, чем большеградиент напряжения на границе потенциальных электродов и чем больше поперечные размеры электродов по отношению к расстоянию между их центрами,Цель изобретения - повышение точности измерений электропровдности морской воды за счет уменьшения погрешностей, связанных с загрязняющими факторами внешней среды.Поставленная цель достигается тем, что в кондуктометр, содержащий погружной зонд с крышкой, на которой размещена ячейка в виде изоляционного 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 напряжения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточ-ный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварцевая труб ка, 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 соеди-.нен с источником опорного напряжения, а выход операционного усилителя соединен с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторичная об мотка согласующего трансформатора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой - с первой клеммой резистора, а другая клемма резистора заземлена. 20Повыше ни е точности измерений достигается за счет следующих факторов, существенно ослабляющих влияние загрязнения электродов.Во в перв, благодаря выполнению 25 корпуса осевым каналом "геометрическая постоянная" ячейки перестает зависеть от площади токового электрода, а определяется сечением и длиной кварцевой трубки, ограничивающей измеряемый объем воды. Это объясняется тем, что сопротивление измеряемой части водяного 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 Ъ), поскольку его переходное сопротивление компенсируется электронной схемой управления, а конфигурация линий тока, формирующих про водящий канал, определяется не формой и размерами электрода, а стенками канала. Поэтому загрязнения токового электрода почти не влияют на погрешность измерения электропровод ности. Во-вторых, потенциальный электрод, помещенный в канале напротив электрода, оказывается в зоне очень малого градиента напряжения в воде. Малая величина градиента объясняется тем, что в этой точке линии тока разветвляются на два противоположных направления, а следовательно, и градиент напряжения изменяет знак на противоположный, проходя через нулевое значение, По этой причине возможные смещения центра потенциального электрода под действием загрязнений или технологических причин не вызы вают ощутимого изменения его потенциала относительно точки заземления, а следовательно, не снижают точности измерений. Тот Факт, что в данной схеме измеряется не разность потен циалов между двумя точками в воде, а потенциал в одной точке относительно заземленной поверхности крышки зонда, значения не имеет, так как у поверхности крышки скачок потенциала отсутствует.В-третьих, загрязнения второго токового электрода, в качестве которого используется проводящая поверхность крышки зонда, также не влияют на результат измерения, поскольку его площадь относительно велика в тысячу раз больше площади первого электрода), переходное сопротивление ничтожно мало и его вариациями под действием загрязнений можно пренебречь. По этой же нричине у поверхности заземленной крышки отсутствует скачок потенциала, Именно это обстоятельство позволяет отказаться от использования второго потенциального электрода и производить измерение напряжения на единственном потенциальном электроде относительно крышки зонда.В-четвертых, выходной сигнал ячейки измеряется вольтметром с заземленным входом, что обусловлено наличием заземленной клеммы у эталонного резистора в электронной схеме управления, По сравнению с известным устройством, где используется вольтметр с изолированным входом, это позволяет, повысить точность измерения и упростить общую схему прибора, концентрацию ячейки и электронную схему управления. По сравнению с известным кондукто метром из конструкции исключаются один потенциальный и фактически один токовый электрод и связанные с ними герметизированные токовводы внутрь зонда. В электронной схеме исключаются один операционный усилитель, эталонный резистор и разделительный конденсатор, что в конечном итоге повышает надежность работы ячейки. Взамен этого введены калибрующая кварцевая трубка и согласующий транс. форматор.В конструкции ячейки сохраняется зависимость точности измерений от загрязнений стенок проводящего канала, однако допустимая толщина слоя загрязнений во много раз больше,чем на поверхности электродов, поскольку в.этом случае "работает" не изолирующий эффект слоя, а лишь сокращение площади сечения канала. Вероятность заметного уменьшения просвета канала под действием загрязнений в приборах зондирующего типа весьма мала.На фиг. 1 приведена конструкция ячейки кондуктометра; на фиг. 2 электронная схема кондуктометра.Ячейка содержит цилиндрический корпус 1 из изоляционного материалас герметизирующим кольцевым уплотнением 2, устанавливаемый на заземленной проводящей поверхности крышки зонда 3. По оси корпуса имеется сквозной канал 4, проходящий от тор ца корпуса до двух радиальных выходов 5 у основания корпуса. Сквозной канал калиброван по размерам кварцевой трубки б. На внутренней поверхности канала диаметрально противоположно установлены токовый электрод 7 1 О и потенциальный электрод 8, От токового электрода 7 на кряаку зонда 3 замыкаются двумя путями через верхнее и нижнее отверстие канала линии тока, которые показаны на рисунке 15 стрелками. В зоне потенциального электрода 8 линии тока разветвляются на два противоположных направления, образуя область с близким к нулю градиентом напряжения. От электродов внутрь зонда к электронной схеме управления проходят герметизированные токовводы 9 и 10.Электронная схема состоит из операционного усилителя 11, источника 25 12 опорного напряжения, согласующего трансформатора 13, разделительного конденсатора 14 и эталонного резистора 15, На первый вход операционного усилителя 11 подключен потенциальный электрод 8 через разделительный конденсатор 14. Второй вход усилителя подключен к опорному источнику 12 напряжения. Выход опера. ционного усилителя нагружен первич" ной обмоткой трансформатора 13, а вторичная обмотка трансформатора одним концом подключена .к токовому электроду 7, а другим - к выходной клемме резистора 15. Вторая клемма резистора 15 подключена к шине за земления.Кондуктометр, погруженный в морскую воду, работает следующим образом.При включении источника 12 опорного напряжения на входе усилителя д 5 11 появляется сигнал, который усиливается и подается на первичную обмотку трансформатора 13. На выходной 1,обмотке трансформатора также появляется напряжение, которое приложено между токовым электродом 7 и крышкой зонда 3. Под действием приложенного напряжения через ячейку начинаеупротекать ток, который нарастает до тех пор, пока на потенциальном электроде 8 не появится напряжение, компенсирующее напряжение источника питания, Под действием цепи обратной связи от потенциального электрода ца вход операционного усилителя рост тока через ячейку прекращается и стабилизируется на таком уровне, при котором потенциал электрода 8 устанавливается почти равным напряжению опорного источника 12. Различие этих напряжений тем меньше, чем больше коэффициент усиления операционного усилителя. Разделительный конденсатор 14, включенный в цепь потенциального электрода, предотвращает попадание на вход усилителя сигнала постоянного тока, образующегося за счет поляризации электрода. Ток в цепи потенциального электрода отсутствует за счет высокоомности операционного усилителя, благодаря чему исключается влияние нестабильности переходного сопротивления этого электрода.В установившемся режиме величина тока в электроде 7 и последовательно включенном в цепь эталонном резисторе 15 оказывается прямо пропорциональной электропроводностиСледствие закона Ома в диффернциальой Форме :=Е,). Величина тока измеряется по падению напряжения в резисторе 15 с помощью внешнего вольтметра с заземленным входом.Согласующий трансформатор 13 выполняет в схеме функцию согласования относительно высокоомного выхода операционного усилителя с низкоомным сопротивлением ячейки. Кроме того, наличие этого трансформатора позволяет эталонный резистор 15 подключить к корпусу и тем самым .применить более простую и точную измерительную схему внешнего вольтметра с заземленным входом. Использование изобретения по сравнению с известным позволит повысить качество гидрологических исследований океанов и морей, в частности,за счет уменьшения погрешностей измерения, обусловленных загрязняющими Факторами внешней среды, и значительного снижения себестоимости производства изделия в связи с существенным упрощением конструкции.1075132 Составитель М.Криве Техред М,Тепер Корректор А.Тяско актор Т.Кугрыше Заказ 489 3 Подписно илиал ППП "Патентф, г.ужгород ул. Проектная,4 Тираж 823 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Раушсэщтета СССР открытий . ая наб., д.4/