Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано для измерения электропроводности жидких сред в различных целях.

Известно устройство для измерения электропроводности жидкости, состоящее из генератора синусоидальных сигналов, питающего трансформатора с обмоткой возбуждения, измерительного трансформатора с измерительной обмоткой, замкнутого витка из электропроводящей исследуемой жидкости, фазочувствительного нуль-органа, дополнительных многосекционных компенсационных обмоток с секциями и ключами, магазина проводимостей и схемы управления, причем генератор соединен с обмоткой возбуждения питающего трансформатора, к секциям компенсационных обмоток через ключи подключен магазин проводимостей, к входу которого подсоединена схема управления, которая подключена к фазочувствительному нуль-органу, на вход которого подключены измерительная обмотка измерительного трансформатора и генератор. Ключи, соединяющие магазин проводимостей с секциями компенсационных обмоток, также подсоединены к схеме управления [Патент на полезную модель РФ №122777, кл. G01R 27/22].

Для реализации данного устройства необходим многоразрядный магазин проводимости высокого класса точности, также в данном устройстве невозможно добиться полной компенсации магнитных потоков из-за помех, связанных с наводкой в обмотках трансформаторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения электропроводности жидкости, состоящее из генератора синусоидальных сигналов, управляемого делителя напряжения, питающего трансформатора с обмоткой возбуждения, измерительного трансформатора с измерительной обмоткой, замкнутого витка из электропроводящей исследуемой жидкости, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), витка, охватывающего трансформатор возбуждения, витка, охватывающего измерительный трансформатор, ключа, образцовой проводимости известной величины, схемы управления, вычислительного устройства, причем генератор соединен через управляемый делитель напряжения с обмоткой возбуждения питающего трансформатора, к дополнительным виткам через ключ подключена образцовая проводимость известной величины, ключ подключен к схеме управления, которая также подключена к делителю напряжения, АЦП и вычислительному устройству. Измерительная обмотка подключена к АЦП, который, в свою очередь, подключен к вычислительному устройству [Патент на полезную модель РФ №143663, кл. G01R 27/22].

В данном устройстве сложно реализовать точный управляемый делитель напряжения из-за нестабильности элементов делителя, а также влияния делителя на напряжение генератора.

Задачей изобретения является создание устройства для измерения электропроводности жидкости с достижением следующего технического результата: повышение точности измерения электропроводности жидких сред за счет устранения влияния нестабильности делителя напряжения путем замены его управляемым делителем частоты. Управляемый делитель частоты может быть реализован с более высокой точностью, чем делитель напряжения, на коэффициент деления которого влияет стабильность элементов делителя напряжения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее генератор синусоидальных сигналов, питающий трансформатор с обмоткой возбуждения, измерительный трансформатор с измерительной обмоткой, замкнутый виток из электропроводящей исследуемой жидкости, схему управления, образцовую проводимость известной величины, ключ, дополнительные витки, охватывающие питающий и измерительный трансформаторы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислительное устройство, введен управляемый делитель частоты. При этом генератор соединен через управляемый делитель частоты переменного напряжения с обмоткой возбуждения питающего трансформатора, к дополнительным виткам через ключ подключена образцовая проводимость известной величины, ключ подключен к схеме управления, которая также подключена к делителю частоты переменного напряжения, АЦП и вычислительному устройству. Измерительная обмотка подключена к АЦП, который, в свою очередь, подключен к вычислительному устройству.

Изобретение позволяет повысить точность измерений электропроводности жидких сред за счет устранения влияния нестабильности делителя напряжения путем замены его управляемым делителем частоты. Управляемый делитель частоты может быть реализован с более высокой точностью, чем делитель напряжения, на коэффициент деления которого влияет стабильность элементов делителя напряжения.

На фиг. 1 изображено устройство для измерения электропроводности жидкости, на фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая первый такт работы прибора, на фиг. 3 изображена схема, иллюстрирующая второй такт работы прибора, на фиг. 4 изображена схема, иллюстрирующая четвертый такт работы прибора.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1.

Устройство для измерения электропроводности жидкости состоит из генератора 1 синусоидальных сигналов, управляемого делителя 2 частоты переменного напряжения, обмотки 3 возбуждения, питающего трансформатора 4, замкнутого витка 5 из электропроводящей исследуемой жидкости, измерительного трансформатора 6, измерительной обмотки 7, аналого-цифрового преобразователя 8, дополнительных витков 9, 10, ключа 11, образцовой проводимости 12 известной величины, схемы 13 управления, вычислительного устройства 14.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение от генератора 1 поступает через управляемый делитель 2 частоты переменного напряжения на обмотку 3 возбуждения питающего трансформатора 4, причем напряжение передается либо с коэффициентом k=1 либо k<1 (U₁=kU_г). При этом в жидкостном витке 5 и дополнительном витке 9, 10 наводятся ЭДС. ЭДС, действующая в жидкостном витке 5, вызывает ток, величина которого зависит от электропроводности жидкости и который индуцирует напряжение в измерительной обмотке 7 измерительного трансформатора 6. ЭДС, действующая в дополнительном витке 9, 10, в зависимости от положения ключа 11 может создавать ток через образцовую проводимость 12, если ключ замкнут, или этот ток равен нулю, если ключ разомкнут. Схема 13 управления позволяет выбрать режим работы делителя 2 частоты переменного напряжения, положение ключа 11, а также управляет работой АЦП 8 и вычислительного устройства 14. Измерение проводится в три такта через короткие промежутки времени t→0. В первый такт коэффициент деления управляемого делителя 2k=1, частота переменного напряжения после делителя 2 равна частоте генератора 1, ключ 11 разомкнут, и ток через него не проходит. АЦП 8 определяет напряжение на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. Во втором такте измерение проводится при коэффициенте деления управляемого делителя 2k<1, частота на возбуждающей обмотке 3 в k раз меньше, чем частота генератора 1, ключ 11 разомкнут. АЦП 8 определяет значение напряжения на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. В третьем такте измерение проводится, когда коэффициент деления управляемого делителя 2k=1, частота после делителя 2 равна частоте переменного напряжения генератора 1, ключ 11 замкнут, токи в жидкостном витке 5 и в дополнительном витке 9, 10 имеют одинаковое направление. АЦП 8 определяет напряжение на измерительной обмотке 7 и его значение заносится в память вычислительного устройства 14. После трех тактов схема 13 управления подает сигнал на вычислительное устройство 14, в котором определяется значение электрической проводимости жидкости в жидкостном витке 5.

Рассмотрим работу прибора.

1) Первый такт. Коэффициент деления управляемого делителя частоты переменного напряжения k=1. Частота переменного напряжения после делителя равна частоте генератора, ключ разомкнут (фиг. 2):

система уравнений, описывающих работу схемы:

где U_г - напряжение источника питания;

U₂₁ - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора в первом такте;

I₁ - ток в возбуждающей обмотке питающего трансформатора;

I_x - ток в жидкостном витке;

I_d - ток в дополнительном витке;

L₁ - индуктивность возбуждающей катушки;

L_x - индуктивность жидкостного витка;

L_d - индуктивность дополнительного витка;

М₁₂ - взаимная индуктивность возбуждающей обмотки и жидкостного витка;

М₂₃ - взаимная индуктивность измерительной обмотки и жидкостного витка;

М₁₄ - взаимная индуктивность возбуждающей и дополнительного витка;

М₃₄ - взаимная индуктивность измерительной и дополнительного витка;

G_x - проводимость жидкостного витка;

G_d - образцовая проводимость в дополнительном витке;

ω - частота гармонических синусоидальных колебаний.

Решая систему уравнений, получаем, что выходной сигнал, измеряемый вольтметром, равен [Иванов, В.В., Латышев, Л.Н. Анализ методов и средств измерения электропроводности жидких сред // Нефтегазовое дело 2013 №2. - Уфа: УГНТУ, 2013. - С. 93.]:

2) Второй такт. Коэффициент деления управляемого делителя частоты переменного напряжения k<1. Частота переменного напряжения на возбуждающей обмотке в kраз меньше, чем частота генератора, ключ разомкнут (фиг. 3):

система уравнений, описывающих работу схемы:

где U₂₂ - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора во втором такте.

Решая систему уравнений, получаем

3) Третий такт. Коэффициент деления управляемого делителя частоты переменного напряжения k=1. Частота переменного напряжения после делителя равна частоте генератора, ключ замкнут (фиг. 4):

система уравнений, описывающих работу схемы:

где U₂₃ - напряжение в измерительной обмотке измерительного трансформатора в третьем такте.

Решая систему уравнений, получим значение выходного сигнала

Таким образом получили систему из трех независимых уравнений

При измерении напряжений U₂₁, U₂₂, U₂₃ дополнительно действует напряжение помехи U_п, которое возникает в результате действия внешних электромагнитных полей на сердечники трансформаторов. С учетом помехи система уравнений принимает вид

такая система имеет единственное решение

k - коэффициент делителя частоты

Как видно из выражения , значение измеряемой проводимости зависит только от класса точности выбранных элементов. Данное устройство позволяет повысить точность измерений электропроводности жидких сред за счет устранения влияния нестабильности делителя напряжения путем замены его управляемым делителем частоты. Управляемый делитель частоты может быть реализован с более высокой точностью, чем делитель напряжения, на коэффициент деления которого влияет стабильность элементов делителя напряжения.