Королёв Д.М. САУиК’97 1.43

Структурная организация 2-х канального кондуктометра.

Рис. 1 Структурная схема кондуктометра.

Рассмотрим из каких основных частей состоит 2х канальный бесконтактный кондуктометр.

Блок управления получает аналоговые данные от блока измерения проводимости и блока измерения температуры, преобразовывает их в дискретные и представляет их в форме, удобной для передачи на ЭВМ. Кроме этого блок управления должен осуществлять проверку связи с ЭВМ и самодиагностику.

Узел гальванической развязкипозволяет исключить взаимное влияние помех между платой интерфейса и ЭВМ, для этой цели используются оптроны.

Датчик электропроводностиявляется бесконтактным электродным ёмкостным кондуктометрическим первичным преобразователем, который используется в разработанных на кафедре САУ и К приборах ИУП-1 и ИУП2.

Датчик температуры- диод со стабильной линейной температурной характеристикой на участке 0 - 150°С.

Блок измерения температурыпредставляет собой стандартную мостовую, усилительную схему.

Блок измерения проводимости- состоит из перестраиваемого генератора импульсов, интегратора и синхронного детектора. Принцип действия заключается в сравнении частоты идущей от генератора с частотой проходящей через датчик. Перестраиваемый генератор собран на операционном усилителе DA2. Частота генератора изменяется переменным резистором R14 в пределах 100 - 500 кГц. Синхронный детектор собран на основе микросхемы умножителя К525ПС2Б. Интегратор выполнен на операционном усилителе DA3. Датчик подключается экранированными проводами между выходом генератора и входом интегратора.

Глава1. Первичные преобразователи для измерения электропроводности.

Задача улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик первичных преобразователей электрических параметров жидкостей (удельной электропроводимости ж, относительной диэлектрической проницаемостиeи диэлектрических потерь tgd) до сих пор весьма актуальна. Это обусловлено широким применением первичных преобразователей для оперативного контроля физико-химического состояния различных жидких сред (растворов, расплавов, эмульсий, суспензий) и возможностью дальнейшего совершенствования их характеристик: точности, надежности, функциональных возможностей, срока службы и т. д. Методы контроля состояния жидкостей, основанные на измерении названных электрических параметров, во многих случаях оказываются эффективнее других альтернативных методов (физико-механических, оптических, тепловых, радиационных) благодаря их достаточно высокой точности и относительной простоте реализации.

По характеру взаимодействия с исследуемой жидкостью первичные преобразователи электрических параметров жидкостей можно разделить на контактные и бесконтактные. В контактных первичных преобразователях имеет место гальванический контакт электродов с исследуемой жидкостью. В бесконтактных этот контакт отсутствует, а используется электромагнитное взаимодействие с исследуемой жидкостью. Бесконтактные первичные преобразователи можно разделить на импедансо-, кондукто- и диэлькометрические (рис. 2).

Импедансометрия - это общий метод, при котором одновременно измеряют активную и реактивную составляющие (или модуль и фазу) импеданса измерительной ячейки с исследуемой жидкостью.

Кондуктометрический метод - это измерение ж исследуемой жидкости при нейтрализации влиянияeна результат измерения. И напротив, диэлькометрический метод - это измерениеeисследуемой жидкости при нейтрализации влияния ж. Для оценивания электрофизического состояния многих реальных жидкостей требуется измерение как минимум пары параметров, напримерeи ж илиeи tgd.

Рис. 2. Классификация бесконтактных первичных преобразователей электрических параметров жидкостей.

Эквивалентную электрическую схему первичного преобразователя с взаимодействующим с ним объемом жидкости в большинстве случаев можно представить параллельным соединением активного сопротивленияRи емкостиC. Сопротивление R описывает активную составляющую проводимости исследуемой жидкости, обусловленную ее удельной электропроводностью

g.

На высоких частотах (>10 МГц) электропроводность исследуемой жидкости становиться комплексной:, причем как активнаяG, так и реактивнаяBсоставляющие зависят от активнойRи реактивнойXсоставляющих комплексного сопротивления исследуемой жидкости:и.

Это обусловлено не только наличием свободных носителей зарядов (так называемой “сквозной проводимостью”), но и различными видами поляризации частиц исследуемой жидкости, т. е. наблюдается частотная дисперсия электропроводности и диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости. ЕмкостьС в такой схеме характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью исследуемой жидкости. Диэлектрические потери определяют как tgd=, гдеw- угловая частота.

Для эмульсий или суспензий эквивалентные схемы могут быть более сложными и видоизменяться в зависимости от состава исследуемой жидкости и диапазона частот, в котором проводятся измерения.

В общем случае при контроле электрических параметров жидкостей требуется одновременно применять не один, а несколько параметров эквивалентного многоэлементногоRC-двухполюсника. Это возможно, например, при многочастотных измерениях комплексного импеданса (или его составляющих) измерительной ячейки или одновременном уравновешивании каждого элемента исследуемого двухполюсника соответствующим элементом образцового двухполюсника, имеющего аналогичную структуру.

Таким образом, в разделении первичных преобразователей на импедансо-, кондукто- и диэлькометрические нельзя провести четких границ. И лишь в отдельных диапазонах частот и при определенных диапазонах изменения химического и дисперсного состава среды можно говорить о том или ином методе в чистом виде.

Бесконтактные электродные первичные преобразователи

У этих первичных преобразователей предполагается наличие в том или ином виде электродов, посредством которых электромагнитное поле взаимодействует с исследуемой жидкостью. Наиболее распространены емкостные бесконтактные первичные преобразователи. В СВЧ диапазоне электроды можно рассматривать и как индуктивные, и как емкостные элементы одновременно (см. рис. 1). Изоляция электрода от исследуемой жидкости обеспечивается слоем твердого диэлектрика, который является либо защитным покрытием, либо стенкой измерительного сосуда. Такие первичные преобразователи могут служить для импедансо-, кондукто- или диэлькометрии в зависимости от диапазона частот и физико-химического состояния среды. Преимущественно они применяются для измерения электрических параметров плохо проводящих жидкостей.

Рассмотрим полную эквивалентную схему бесконтактного электродного первичного преобразователя (рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема бесконтактного электродного первичного преобразователя

Здесь C иR- измеряемые параметры исследуемой жидкости; параметрыC_Д,R_Д отражают импеданс самого диэлектрического защитного слоя, а параметрыС_Э, R_Э- наличие приэлектродного импеданса, возникающего при контакте исследуемой жидкости с диэлектриком. Приэлектродный импеданс обусловлен, в частности, адсорбцией диэлектриком полярных молекул жидкости. Поэтому приэлектродная область эквивалентна конденсатору с потерями. Например, граница раздела эпоксидный компаунд - раствор KCl дает на 1 см²площади емкость 300 пФ и проводимость 10^-7См. ПараметрыС_П, R_Побусловлены прохождением силовых линий электрического поля не через образец жидкости, а через вспомогательные изолирующие элементы конструкции. Особенно это характерно для первичных преобразователей с планарно расположенными на диэлектрической подложке электродами. ЭлементыС_К, L_Котражают наличие паразитных емкости и индуктивности внешних выводов датчика.

Из рассмотрения данной эквивалентной схемы можно сделать следующие выводы относительно повышения точности измерений.

1. Влияние импеданса защитного покрытия и приэлектродного импеданса на результат измерения уменьшается с частотой, поэтому измерения целесообразно проводить на высоких частотах, включая СВЧ. Однако необходимо принимать меры к нейтрализации влияния параметров С_К, L_К,С_П, R_П. Если надо устранить влияние на результат измерения дисперсии электропроводности и диэлектрической проницаемости, то ограничиваются диапазоном частот до 10 МГц.

2. Из-за наличия паразитных реактивных элементов характеристики преобразования емкостных бесконтактных первичных преобразователей нелинейны. Расширить диапазон линейности рабочих характеристик первичных преобразователей на один-два порядка можно введением дополнительных корректирующих индуктивностей, емкостей и их комбинаций.

3. Материал защитного покрытия должен иметь стабильное и (или) большое значение диэлектрической проницаемости e(такое, чтоС_Д»С). Само покрытие должно обладать хорошей механической прочностью при малой его толщине, иметь высокие степень чистоты поверхности и химическую стойкость, а также малую адсорбционную способность.

4. К материалу межэлектродного изолятора предъявляются в основном те же требования, что и к материалу защитных покрытий, но значения eи ж здесь должны быть по возможности очень низкими.

В качестве материалов электродных покрытий применяют как органические материалы (тефлон, фторопласт, полиимид и др.), так и неорганические (оксидные, на основе фтористых соединений, сегнетокерамические). К примеру, стойкие оксидные пленки получают на поверхности алюминиевых электродов, для которых типовая толщина защитного слоя равна 2...100 мкм. Разработаны технологии нанесения и более тонких стабильных защитных слоев, позволяющие получать покрытия толщиной 0,02...0,04 мкм. Защитные покрытия из сегнетокерамики, обладающей большими значениями e(1000...15000), могут иметь в связи с этим большую по сравнению с другими покрытиями толщину (£2000 мкм). Большую роль в таких покрытиях играет шлифовка. Например, шлифовка абразивным порошком М20 поверхности пленки из титаната бария повышает ееeс 1000 до 4000.

В качестве материалов межэлектродных изоляторов применяют стекло, стеклопластики, ситаллы, фторопласт, некоторые эпоксидные компаунды.

Схемы включения и алгоритмы обработки сигналов бесконтактных электродных датчиков весьма разнообразны и, как правило, общие для бесконтактных и контактных датчиков. Наиболее распространенные из них:

• включение датчика в мостовую схему;

• определение комплексного сопротивления (проводимости) путем задания в исследуемой жидкости стабильного переменного тока или напряжения и измерения соответственно падения напряжения или создаваемого тока, для задания тока и съема напряжения, как правило, используют отдельные пары электродов (такие первичные преобразователи на рис. 1 выделены в отдельную группу);

• включение датчика в качестве частотозадающего элемента в LC-генераторе; последующее измерение частоты и добротности; для исследуемых жидкостей с большой проводимостью, когда добротность образуемого контура мала, можно повысить ее увеличением индуктивности с помощью магнитоэлектронных схем,

• включение датчика как частотозадающего элемента в релаксационных RC-генераторах,

• включение датчика в RC- или LC-цепь и измерение параметров переходного процесса после импульсного воздействия;

• измерение ослабления СВЧ излучения при прохождении им объема исследуемой жидкости между электродами.