Бесконтактный способ повышения точности определения электропроводности жидкости

Аннотация

Рассматривается измеритель электропроводности жидкости, точность которого повышена за счет применения тестовых методов повышения точности измерения.

Полный текст

В настоящее время актуальным является мониторинг окружающей среды. Одна из задач приборостроения связана с повышением точности измерения параметров при этом мониторинге. В числе параметров, подлежащих мониторингу, – электропроводность жидкости, которую необходимо измерять с погрешностью не более 0,1 %. На кафедре «Информационно-измерительная техника» разработан ряд устройств, точность которых повышена путем использования тестовых алгоритмов, реализуемых с помощью микропроцессорных устройств. Одним из них является измеритель электропроводности жидкости. Электропроводность жидкости, например морской воды, измеряется с помощью глубоководных зондов с целью определения концентрации солей, растворенных в воде. Наиболее просто электропроводность жидкости определяется электродным методом, при котором измеряется электрический ток между металлическими электродами, погруженными в жидкость. Однако этот метод имеет большую погрешность измерения, возникающую из-за поляризации электродов, их загрязнения, окисления и растворения вследствие электролиза. Более эффективным является бесконтактный индукционный метод измерения жидкости с помощью трансформаторного измерительного преобразователя, погруженного в жидкость. На рис. 1 представлена схема бесконтактного трансформаторного измерительного преобразователя электропроводности жидкости в электрический сигнал. Погруженный в жидкость зонд 1 содержит первый магнитопровод 2 с обмоткой возбуждения WB, второй магнитопровод 3 с измерительной обмоткой WИ, нормирующий преобразователь НП и аналого-цифровой преобразователь АЦП. Магнитопроводы расположены рядом и омываются жидкостью, которая образует короткозамкнутый виток, связывающий оба магнитопровода, как показано пунктиром. Проводимость этого витка зависит от концентрации солей, растворенных в воде. Р и с. 1. Схема бесконтактного трансформаторного преобразователя электропроводности жидкости При подаче напряжения питания в обмотку возбуждения первого магнитопровода в нем возникает магнитный поток, который индуцирует ток в жидкости, окружающей магнитопроводы. Этот ток охватывает магнитопровод и наводит в нем магнитный поток. Магнитный поток второго магнитопровода индуцирует в измерительной обмотке ЭДС, определяемую выражением , где – коэффициент преобразования трансформаторного преобразователя; – электропроводность жидкости. Эта ЭДС усиливается и преобразуется нормирующим преобразователем НП в сигнал, удобный для передачи в аналого-цифровой преобразователь, а на выходе АЦП формируется в код, определяемый выражением , (1) где – коэффициент преобразования всего измерительного канала; – аддитивная погрешность. Нестабильность коэффициента , наличие погрешности приводят к снижению точности измерения электропроводности жидкости. Повышение точности измерения параметра достигается применением тестовых методов повышения точности. На рис. 2 представлена схема устройства для измерения электропроводимости жидкости с применением тестовых методов повышения точности измерения. По сравнению со схемой устройства, приведенной на рис. 1, в эту схему дополнительно введены проводник, охватывающий оба магнитопровода, с образцовым резистором проводимостью и ключом К, дополнительная секция в измерительной обмотке , переключатель П на два положения и микроконтроллер МК. Измерения электропроводности жидкости проводится в три такта. В первом такте ключ К разомкнут, переключатель П находится в положении 1. На вход микроконтроллера поступает код , определяемый выражением (1). Полученное значение кода вводится в память микроконтроллера. Р и с. 2. Схема устройства для измерения электропроводности жидкости с применением тестовых методов повышения точности измерения Во втором такте формируется аддитивный тест, при этом ключ К замкнут, а переключатель П находится в первом положении. На вход микроконтроллера поступает код, определяемый выражением , где – проводимость образцового резистора. Значение кода вводится в память микроконтроллера. В качестве образующего резистора выбирается высокостабильный резистор, выпускаемый промышленностью, с классом точности 0,01 % и малым значением ТКС. В третьем такте формируется мультипликативный тест, при этом ключ К разомкнут, а переключатель П переводится в положение 2. Результат третьего измерения: , где – мультипликативное приращение коэффициента преобразования трансформаторного преобразователя, определяемое числом дополнительных витков измерительной обмотки. Значения параметров и заранее измеряются с высокой точностью и вводятся в память микроконтроллера. Результаты трех полученных измерений обрабатываются микроконтроллером по алгоритму: ; ; . Из последнего выражения определяется проводимость жидкости: . Таким образом, тестовые алгоритмы повышения точности измерения позволяют полностью исключить погрешности, связанные с нестабильностью коэффициента преобразования измерительного канала и наличием аддитивной погрешности. Нестабильность напряжения питания приводит к изменению коэффициента преобразования всего измерительного канала. Тестовые методы полностью исключают влияние этого коэффициента на алгоритм измерения, а следовательно, исключается погрешность из-за нестабильности напряжения питания. Точность измерения теперь зависит от погрешности задания проводимости образцового резистора, погрешности установки мультипликативного приращения коэффициента преобразования трансформаторного преобразователя и погрешности вычислительных операций. Тестовые методы эффективны и при нелинейной функции преобразователя измерительного канала, позволяя ограничиться только двумя тестами. Аддитивный и мультипликативный тесты связаны с измеряемой величиной, которая автоматически транспонирует эти тесты в зону рабочего участка нелинейной функции преобразования, а сами тесты позволяют осуществлять линейную интерполяцию в этой зоне. Еще одно преимущество тестовых методов связано с отсутствием необходимости предварительной калибровки измерительного канала. Эта калибровка производится автоматически в процессе трех тактов измерения, когда формируются аддитивный и мультипликативный тесты. Практическая реализация тестовых методов показала, что при их применении точность измерения возрастает в десятки раз.