Пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропроводності широкополосних кондуктометричних клітинок

Винахід має відношення до області контролю твердих, рідких та газових середовищ по частотній дисперсії електропровідності широкополосних контуктометричних клітинок, які містять середовище, яке досліджується, та може бути використано для вимірювання концентрації речовин у багатокомпонентних середовищах по частотним змінам електропровідності на різних частотах змінної напруги. Відомий пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропровідності широкополосних кондуктометричних клітинок [Грилехес М.С., Филановский Б.К. Контактная кондуктометрия: Теория и практика метода. - Л.: Химия, 1980, с. 136— 139], який містить мостову вимірювальну схему, кондуктометричну клітинку, яка підключена до одного з плечей мостової схеми, магазин безреактивних резисторів, які підключені до другого плеча мостивої схеми, генератор змінної напруги випробувальної частоти, підключений до діагоналі мостової схеми, підсилювач та індикатор, підключені до другої діагоналі мостової схеми. При зміні частоти випробувальної напруги мостову схему урівноважують встановленням відповідного значення опору магазину резисторів. По змінам урівноважуючого опору встановлюють частотні зміни електропровідності кондуктометричної клітинки. Однак, вплив електричних ємності та індуктивності, обумовлених конструктивними особливостями кондуктометричних клітинок, які не контролюються, не дають можливості провести повну компенсацію реактивної складової провідності клітинки, що викликає низьку точність вимірювання частотної дисперсії електропровідності. Відомий пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропровідності широкополосних кондуктометричних клітинок[Авт. св. СССР № 184511, кл. G 01 Ν 27/06, 1966], який містить мостову вимірювальну схему, кондуктометричну клітинку, ввімкнуту в одно з плечей мостової схеми, генератор випробувальної напруги прямокутних імпульсів, з'єднаний з діагоналлю живлення мостової схеми, послідовно з'єднані спрямовувач, Індикатор та вольтметр, підключені до вихідної діагоналі мостової схеми. Завдяки впливу на клітинку напруги прямокутної форми випробувальної частоти не потрібна додаткова компенсація реактивної складової, яка обумовлена ємністю та індуктивністю клітинки. Однак, порушення прямокутної форми напруги, особливо на високих частотах, несиметричність позитивної та негативної складових випробувальної напруги знижує точність вимірювання дисперсії електропровідності у широкому діапазоні частот. Відомий також пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропровідності широкополосних кондуктометричних клітинок [Авт. св. СССР Ns 1402905, кл. G 01 № 27/04, 1988], який містить генератор опорної частоти та генератор випробувальної частоти, які через атенюатори та керуємий перемикач з'єднані з внутрішнім електродом коаксіальної проточної клітинки, зовнішній електрод котрої з'єднаний Із входом широкополосного перетворювача струм-напруга, ви хід перетворювача з'єднаний з сигнальним входом синхронного детектора, керуємий вхід котрого з'єднаний з виходом керуємого перемикача, до виходу синхронного детектору підключені послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, фазочутливий спрямовувач та фільтр низьких частот, вихід котрого з'єднаний з керуючим входом одного з атенюаторів, другі послідовно з'єднані підсилювач низької частоти,, фазочутливий спрямовувач та фільтр низьких частот, виходом з'єднаний з входом реєстратора, стрічкопротягувальний механізм котрого з'єднаний з блоком регулювання частоти генератора випробувальної частоти. Внутрішній електрод коаксіальної проточної клітинки з'єднаний з лінійним амплітудним детектором та логарифматором, вихід котрого з'єднаний з входом другого підсилювача низької частоти, керуємий вхід перемикача та керуючі входи фазочутливих спрямовувачів підключені до генератора імпульсів прямокутної напруги. У результаті перенастроювання частоти випробувальної напруги, яке прямує на кондуктометричну клітинку, та залежності її електропровідності від частоти, змінюється струм, а також вихідна спрямована напруга, яка регіструється та відображує дисперсійну характеристику клітинки. Проте, у відомому пристрої не повністю виключається вплив непостійності амплітуд генераторів опорної та випробувальної частот, порушення форми кривої змінних напруг І хиб, які є на вході керуємого перемикача. Це пояснюється тим, що логарифматор є нелінійним блоком з нестабільною перетворювальною характеристикою, операція логарифмування тільки приблизно відтворює сигнал, пропорційний відносній частотній зміні електропровідності клітинки. Амплітудний детектор, який має лінійну характеристику, не зменшує вплив ви щи х гармонік та завад, на значення спрямованих напруг. У результаті цього виникають великі хиби, котрі знижують точність вимірювання активної складової провідності вимірювальної клітинки у широкому діапазоні частот. До основи винаходу покладена задача створити такий пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропровідності широкополосних кондуктометричних клітинок, введення нових елементів та зв'язків у якому дало 6 можливість зменшити вплив непостійності амплітуди генератора випробувальної частоти на результат вимірювання значень частотної дисперсії, особливо на високих частота х, завдяки чому підвищилась би точність реєстрації частотно-дисперсних характеристик клітинки. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій для вимірювання частотної дисперсії електропровідності широкополосних кондуктометричних клітинок, який містить генератор опорної частоти та генератор випробувальної частоти, які через атенюатори та керуємий перемикач з'єднані з внутрішнім електродом коаксіальної проточної клітинки, зовнішній електрод котрої з'єднаний із входом широкополосного перетворювача струм-напруга, ви хід перетворювача з'єднаний з сигнальним входом синхронного детектора, керуємий вхід котрого з'єднаний з виходом керуємого перемикача, до виходу синхронного детектора підключені послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, фазочутливий спрямовувач та фільтр низьких частот, ви хід котрого з'єднаний з керуючим входом одного з атенюаторів, другі послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, фазочутливий спрямовувач та фільтр низьких частот, ви ходом з'єднаний з входом реєстратора, стрічкопротягувальний механізм котрого з'єднаний з блоком регулювання частоти генератора випробувальної частоти, згідно з винаходом введені другий синхронний детектор, широкополосний підсилювач з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення, диференційний підсилювач, джерело постійної напруги, розподілювач частоти та інтегратор, вихід котрого з'єднаний з керуючим входом широкополосного підсилювача з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення, сигнальним входом з'єднаний з виходом другого синхронного детектора, входи котрого підключені до виходу керуємого перемикача, вихід широкополосного підсилювача з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення з'єднаний з другим входом підсилювача низь* кої частоти та одним із входів диференційного підсилювача, другий вхід котрого з'єднаний з виходом джерела постійної напруги, ви хід диференційного підсилювача з'єднаний з входом Інтегратора, вхід розподілювача частоти підключений до виходу генератора опорної частоти, а вихід розподілювача частоти з'єднаний з керуємими входами фазочутливих спрямовувачів та керуємого перемикача. Введення другого синхронного детектора, широкополосного підсилювача з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення, диференційного підсилювача, джерела постійної напруги І Інтегратора дозволяє отримати напругу, пропорціональну відносному значенню частотної дисперсії електропровідності кондуктометричної клітинки незалежно від рівня змін амплітуд генераторів опорної та випробувальної частот І діапазону частотних змін електропровідності, а також виключати непостійність чутливості синхронного детектора, коефіцієнтів підсилення підсилювачів, коефіцієнта передавання фазочутливого спрямовувача. Вказані розбіжності забезпечують підвищення точності реєстрації частотно-дисперсійної характеристики кондуктометричних клітинок у широкому діапазоні частот. Вказані різниці дозволяють вирішити поставлену задачу на винахідницькому рівні. Схема запропонованого пристрою показана на малюнку. Пристрій містить генератор 1 опорної частоти та генератор 2 випробувальної частоти, які через атенюатори 3, 4 та керуємий перемикач 5 з'єднані з внутрішнім електродом 6 коаксіальної проточної клітинки 7, зовнішній електрод 8 котрої з'єднаний із входом широкополосного перетворювача струм-напруга 9. Вихід перетворювача 9 з'єднаний з сигнальним входом синхронного детектора 10, керуємий вхід котрого з'єднаний з виходом керуємого перемикача 5. До виходу синхронного детектора 10 підключені послідовно з'єднані підсилювач 11 низької частоти, фазочутливий спрямовувач 12 та фільтр 13 низьких частот, ви хід котрого з'єднаний з керуючим входом атенюатора 3. Внутрішній електрод 6 клітинки 7з'єднаний також з сигнальним входом другого синхронного детектора 14 і його керуючим входом. До виходу синхронного детектора 14 через широкополосний підсилювач 15 з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення підключені другі послідовно з'єднані підсилювач 16 низької частоти, фазочутливий спрямовувач 17 та фільтр 18 низьких частот, ви ходом з'єднаний з входом реєстратора 19. Джерело 20 постійної напруги з'єднано з одним Із входів диференційного підсилювача 21, другий вхід котрого підключений до входу широкополосного підсилювача 15. Вихід диференційного підсилювача 21 через Інтегратор 22 з'єднаний з керуючим входом широкополосного підсилювача 15. Стрічкопротягувальний механізм реєстратора 23 кінематично з'єднаний з блоком 24 регулювання частоти генератора 2 випробувальної частоти. Розподілювач 25 підключений до виходу генератора 1 опорної частоти, а вихід розподілювача частоти 25 з'єднаний з керуючими входами перемикача 5 та фазочутливи х спрямовувачів 12117. Пристрій працює таким чином. Змінна напруга U1=Um1sin(w1t + φ1) генератора 1 опорної частоти та змінна напруга U2=Um2sin(w1t + φ1) генератора 2 випробувальної частоти прямують через атенюатори 3,4 на входи керуємого перемикача В. Частоту випробувальної напруги w2=Var вибирають в діапазоні частотної дисперсії досліджуваного середовища, а частоту опорної напруги ω1 = const на початковій (плоскій) ділянці дисперсійної характеристики. Частоту комутації Ω керуємого перемикача 5 вибирають як мінімум у 50-100 разів менше фіксованої частоти w1 (Ω< < w1≤w2min). На виході керуємого перемикача 5 при вказаному співвідношенні частот утворюється послідовність пакетів напруг фіксованої частоти о)і та перенастроюваної випробувальної частоти (w2, котрі по черзі впливають на внутрішній електрод 6 коаксіальної проточної клітинки 7. Зовнішній електрод 8 широкополосно! клітинки з'єднаний з входом широкополосного перетворювача 9 струм-напруга. Коаксіальна клітинка заповнена рідиною, компонентний склад котрої контролюється. Пакети вихідних напруг перетворювача 9, пропорційні струмам клітинки частоти (w1 та w 2 прямують на перший вхід синхронного детектора 10, на другий вхід котрого примують пакети напруг цих частот Із входу клітинки 7. У перший період комутації (Тк 1=p/W) під впливом змінної напруги опорної частоти через клітинку 7 тече струм фіксованої частоти ω1, параметри котрого визначаються активною та реактивною провідностями клітинки на цій частоті. де К3 - коефіцієнт передавання атенюатору 3; - коефіцієнт, враховуючий непостійність амплітуди напруги генератора опорної частоти; g71 - активна складова провідності клітинки 7 на частоті w1, b71 - реактивна складова провідності клітинки 7 на частоті w1; - фазовий вугол клітинки 7 від реактивності повної провідності на частоті ωι. У другому напівперіоді комутації (Тк 1= p/Ω) під впливом прикладеної напруги через клітинку 6 тече струм випробувальної частоти (w2) де К4 - коефіцієнт передачі атенюатора 4; γ2=DUm2/Um2 - коефіцієнт, враховуючий непостійність амплітуди випробувальної напруги частоти (w1 при її перебудові; g72, b72 - активна та реактивна складові провідності клітинки на частоті (w1) - фазовий вугол клітинки 7 на частоті ω1. Пакунки напруг на виході перетворювача 9 пропорціональні струмам І7' та Ι7', які прямують через клітинку 7 у різні напівперюди комутації: де S9 - крутизна перетворення струму клітинки у напругу. Пакети напруг U10' та U10 " по черзі впливають на сигнальний вхід синхронного детектора 10, на керуючий вхід котрого діють пакети напруг безпосередньо з входу клітинки 7. У синхронному детекторі 10 у кожний напівперіод комутації здійснюється перемноження пакетів напруг однакових частот. У перший напівперіод комутації у результаті перемноження напруг часто ти ω\ на ви ході синхронного детектора 10 утворюється Імпульс постійної складової де 8ю - крутизна перетворення (чутливість) синхронного детектора 10. У другий напівперіод комутації перемножуються напруги частоти ω 2 та утворюється імпульс постійної складової При нерівності амплітуд Імпульсів U10' та U10 " на виході синхронного детектора 10 утворюється напруга із змінною складовою частоти комутації Ω. Амплітуда цієї складової пропорційна напіврізниці по черзі утворюючихся імпульсів Змінна напруга U ю(Ц підсилюється підсилювачем 11 низької частоти та спрямовується фазочутливим спрямовувачем 12, котрий керується тією ж низькочастотною напругою з розподілювача частоти 25, що і керуємий перемикач 5. Спрямована напруга через фільтр 13 низьких частот впливає на керуючий вхід атенюатора 3. Коефіцієнт передачі атенюатора 3 змінюється у напрямку вирівнення амплітуд імпульсів U 10' та U10". При великому коефіцієнті підсилення підсилювача 11 низької частоти практично встановлюється рівність амплітуд Імпульсів U10 ' та U 10", з котрого слідує У відповідності з цим рівнянням коефіцієнт передавання атенюатору 3 автоматично приймає значення Одночасно з вказаними перетворюваннями вихідна напруга керуємого перемикача 5 впливає на сигнальний та керуємий входи синхронного детектора 14.У результаті перемноження пакетів напруг однакових частот на ви ході синхронного детектора почергово утворюються Імпульси постійних напруг: Змінна складова напруги частоти Ω від нерівності імпульсів U14' та U14'' підсилюється підсилювачем 16 низької частоти та спрямовуєтеся фазочутливим спрямовувачем. Якщо активні складові провідності клітинки на частотах ω1 та ω2 неоднакові із-за частотної дисперсії електропровідності (g71 ¹ g72), то при рівності Імпульсів U10' та U10" неможлива рівність імпульсів U14' та . У результаті цього утворюється змінна складова напруги часто ти комутації Ω де S14 - чутливість синхронного детектора 14. Одночасно утворюється І постійна складова імпульсної напруги Обидві складові Імпульсної напруги U14(Ω) та U14(0) підсилюються широкополосним підсилювачем 15 з перенастроюваним коефіцієнтом підсилення Кі5. З урахуванням встановленого значення коефіцієнта передавання К3 атенюатора 3 маємо: Змінна складова напруги U15(W) підсилюється підсилювачем 16 низької частоти та спрямовується фазочутливим спрямовувачем 17. Спрямована напруга через фільтр 18 низьких частот прямує на реєстратор 19. Постійна складова напруги U15(o) прямує на перший вхід ди-ференційного підсилювача 21, на другий вхід котрого впливає постійна напруга U20=const з виходу джерела напруги 20, Підсилена різнична напруга з виходу ди ференційного підсилювача заряджає інтегратор 22. Вихідна напруга Інтегратора 22 впливає на керуючий вхід широкополосного підсилювача 15, змінюючи його коефіцієнт підсилення. Перебудова коефіцієнту підсилення здійснюється у напрямку вирівнення вхідних напруг диференційного підсилювача 21. При досягненні рівності напруг U15(o)=H20 коефіцієнт підсилення широкополосного підсилювача 15 приймає значення З урахуванням значення коефіцієнта підсилення Кі5 змінна складова напруги U15(Ω) приймає вигляд Активну складову провідності клітинки g72 на перенастроюємій частоті ω2 а урахуванням частотної дисперсії електропровідності середовища, яке контролюється, можна представити як де - відносна частотна дисперсія електропровідності на змінній частоті ω2 відносно опорної частоти ω1. Тоді змінна складова напруги U15(W). котра після підсилювально-спрямовувального перетворення реєструється реєстратором 19, стає пропорційною частотній дисперсії електропровідності Для багатокомпонентних слабоконцентрованих рідких середовищ дисперсія електропровідності клітинки у діапазоні частот до 30-50 МГц не перевищує 0,5-5% (відносна дисперсія γ(ω) = 0,005-0,05). Тому кінцевомаємо де S0=U20/21-постыйна крутизна перетворення відносної частотної дисперсії електропровідності у напругу (В/відн.од.). Таким чином, реєструема напруга пропорційна відносній частотній дисперсії електропровідності кондуктометричної клітинки на перенастроюємій частоті ω 2 відносно постійної опорної частоти ωι. Для перенастроювання частоти генератора 2 двигун стрічкопротягувального пристрою 23 реєстратора 19, котрий змінює положення діаграмної стрічки у часі, одночасно, за допомогою кінематичного зв'язку змінює положення частотозавдаючого блоку регулювання Частоти 24. У результаті цього синхронно з протягуванням діаграмної стрічки реєстратора 19 змінюється частота ω 2 генератора 2. Завдяки цьому на діаграмній стрічці відтворюється дисперсійна характеристика електропровідності контролюємо середовища незалежно від реактивних складових клітинки у широкому діапазоні частот (до 30-50 МГц). По формі дисперсійної характеристики визначають кількісний та якісний склад контролюємої рідини. Як видно з отриманого рівняння вимірювального перетворення, результат вимірювання не залежить від непостійності амплітуд дво х незалежних генераторів у1 та y2, початкової електропровідності клітинки gji,,a отже, і від її геометричних розмірів, чутливості синхронних детекторів S10 та S14 та Ін. Керування перемикача 5 вихідною напругою розподілювача частоти 22 забезпечує кратність частот комутуємих напруг на низькій частоті Ω , що також сприяє підвищенню точності вимірювань дисперсії у широкому діапазоні частот змінної напруги.