УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2018 года по МПК G01R27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения удельной электропроводности морской воды и других жидкостей непосредственно в среде.

Известны измерители электропроводности жидкости с контактными датчиками (кондуктометры), содержащие различное число питающих (токовых) и измерительных (потенциальных) электродов, входящих в измерительную ячейку [А Guide to Conductivity measurement theory and practice of Conductivity Applications. www.tau.ac.il/XXchemlada/Fills/Conductivity_quick_EN%2012).pdc]. [Лопатин Б.А. Кондуктометрия. - Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. - 279 с.].

Эти измерители широко используются в океанографии и других областях. Требования к точности измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде непрерывно возрастают. При этом основными требованиями, которые необходимо учесть при создании измерительной ячейки, являются: исключение влияния поляризации электродов на результат измерения, обеспечение постоянства «геометрической константы» во времени и ее фиксированной зависимости от минимального количества геометрических размеров измерительной ячейки, промываемость измерительной ячейки в неподвижном состоянии и при движении измерителя в среде для обеспечения репрезентативности измерений, замкнутость электрического поля измерительной ячейки в ограниченном объеме пространства, метрологическая долговечность устройства благодаря устойчивости к коррозии, загрязнению и биологическому обрастанию.

Известные устройства обычно удовлетворяют одновременно только части из этих требований. Например, исключение влияния поляризационных эффектов на результат достигается использованием потенциальных электродов в выходной цепи.

Наиболее близким по составу и конструкции к предлагаемому устройству является [Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред. Патент РФ №2055351, 27.02.1996. Авторы: Веревкин В.И., Быстров В.А., Беляев В.М., Рахманов P.P.]. Это устройство содержит датчик, корпус которого состоит из неэлектропроводного диска с токовыми электродами и пластинчатой стойки с n измерительными электродами, генератор тока, коммутатор и измеритель напряжения.

Его недостатками являются только частичное подавление поляризационных эффектов на электродах, поскольку один из токовых электродов входит в потенциальную измерительную цепь; открытый объем измерительной ячейки и, следовательно, изменение «геометрической константы» в неоднородной нестационарной внешней среде; сложная зависимость «геометрической константы» от всех геометрических размеров датчика, практически исключающая возможность ее расчета в физических единицах.

Целью изобретения является повышение долговременной точности за счет полного исключения влияния поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, реализации замкнутости электрического поля внутри измерительной ячейки и простой формульной зависимости «геометрической константы» от линейных размеров положения потенциальных электродов, а также использования множества измерительных каналов. Эта цель достигается тем, что в измерителе удельной электропроводности жидкости, содержащем датчик с неэлектропроводным диском, двумя токовыми и n потенциальными электродами, генератор тока, резисторный датчик температуры диска, измеритель сопротивления, коммутатор, измеритель напряжения и микропроцессор, первый токовый точечный электрод установлен в центре неэлектропроводного диска, второй токовый электрод выполнен в виде полусферы из электропроводной сетки с диаметром, равным диаметру диска, и установлен на диск для образования электрически замкнутого внутреннего пространства измерительной ячейки, потенциальные точечные электроды в которой размещены на внутренней поверхности диска по спирали Архимеда на произвольных фиксированных расстояниях друг от друга и соединены через коммутатор попарно с дифференциальными входами измерителя напряжений, и удельная электропроводность жидкости определяется по формуле

где - удельная электропроводность жидкости между изолиниями, на которых расположены i-й и j-й потенциальные электроды; I - ток в измерительной ячейке; U_ij - напряжение между i-м и j-м потенциальными электродами; K_ij - значение «геометрической константы» ij-й пары потенциальных электродов; n - число потенциальных электродов; N - число используемых пар потенциальных электродов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена конструкция датчика. На фиг. 2 показана структурно-функциональная схема устройства.

Рассмотрим суть предложенного изобретения.

Основной особенностью и отличием устройства от других является конструкция датчика. Корпус датчика (фиг. 1а) образован неэлектропроводным диском 1, накрытым сверху полусферой 2 из электропроводной сетки, совместно с диском образующей измерительную ячейку с замкнутым в объеме полусферы электрическим полем.

Первый токовый точечный электрод 3 с выводом Т₁ расположен в центре диска 1, вторым токовым электродом 4 с выводом Т₂ является сетка полусферы 2. При подаче тока I через входы T₁ Т₂ внутри полусферы устанавливается электрическое поле, линии равного потенциала которого образуют полусферы во внутреннем объеме ячейки и концентрические окружности на поверхности диска, а плотность тока на расстоянии r от электрода 1 падает с расстоянием r по закону

Напряженность электрического поля E_r при этом равна

где - удельная электропроводность жидкости, а напряжение U₁₂ между двумя точками с расстояниями r₁ и r₂ от центра диска равно

Для удельной электропроводности жидкости получим

где - «геометрическая константа» для пары потенциальных электродов с расстояниями r₁ и r₂ от центра диска. Каждая пара потенциальных электродов образует выход измерительного канала.

В предлагаемом устройстве n потенциальных точечных электродов 5 установлены на n разных концентрических окружностях на диске, например на разных расстояниях по спирали Архимеда (фиг. 1б).

В принципе из n электродов можно образовать пар, часть которых изначально будет иметь одинаковые K_ij. Если нет двух потенциальных электродов на одной концентрической окружности с равными r_i=r_j, то изначально будет (n-1) разных K_ij, и соответственно, разных пар. Таким образом, возможно формировать N пар электродов (измерительных каналов), причем

Целесообразность выбора числа пар N потенциальных электродов в качестве выходов отдельных измерительных каналов определяется конкретной технической реализацией датчика.

Пронумеруем потенциальные электроды в порядке возрастания. Тогда удельная электропроводность жидкости, измеренная ij-м каналом, будет

где

«Геометрическая константа» K_ij при градуировке по образцовому раствору с известной определяется по формуле

При изменении температуры диска на θ от начальной и внешнего гидростатического давления на Р от начального изменяются его размеры и изменяется величина K_ij, откорректированное значение которой K_{ij, θ, P} определяется по формуле

где α - температурный коэффициент расширения; γ - коэффициент сжатия.

Для контроля температуры диска в него встроен распределенный резисторный датчик температуры 6 (фиг. 1, 2) с выводами Д₁ и Д₂. Значение гидростатического давления Р берется извне. Например, из данных СТД-комплекса, в котором используется измеритель электропроводности. Коэффициенты α и γ считаются априорно известными для материала, из которого сделан диск, или определяются градуировкой для готового датчика.

Из-за естественной пространственно-временной неоднородности жидкости внутри измерительной ячейки, различия i, j трасс между разными парами потенциальных электродов и неодновременности опроса каналов значения будут различными и для измерительной ячейки в целом находится их среднее

В процессе эксплуатации за счет загрязнения или биологического обрастания датчика значения K_ij могут изменяться по-разному, приводя к появлению систематических погрешностей измерения, которые для множества N каналов в формуле (11) осредняются как случайные.

Если множество систематических погрешностей в разных каналах имеет нулевое среднее, что вполне вероятно, то возможна текущая адаптивная переградуировка каналов определением текущих «геометрических констант» K_ij(τ) по формуле

где , U_ij(τ-1) - значения величин в предшествующий момент времени (τ-1), причем значение принято за образцовое. Рассмотрим состав и структуру устройства (фиг. 2).

В состав измерителя входят: генератор тока (ГТ) 7, соединенный по выходам со входами токовых электродов Т₁ и Т₂, коммутатор (К) 8 пар выходов П_i, и П_j, потенциальных электродов на вход измерителя напряжения (ИН) 9, измеритель сопротивления (ИС) 10, входы которого соединены с выходами Д₁ и Д₂ распределенного датчика температуры 6.

Измеритель работает следующим образом.

Датчик помещается в жидкость, которая заполняет измерительную ячейку-полусферу. Благодаря большой поверхности сетки токового электрода 2 осуществляется хороший водообмен с внешней средой за счет внешней конвекции и диффузии, что обеспечивает идентичность воды вне и внутри измерительной ячейки и, следовательно, репрезентативность измерений.

Подается ток I через токовые электроды. Полусфера токового электрода 2 совместно со вторым токовым электродом 3 в центре диэлектрического диска 1 обеспечивают замкнутость электрического поля и распределение эквипотенциальных поверхностей по полусфере в объеме и по окружностям на диэлектрическом диске.

Возможные случайные искажения электрического поля внутри ячейки из-за биологического обрастания электрода-сетки рандомизируются использованием n потенциальных электродов и N каналов измерения напряжений. Детермированные изменения линейных размеров между потенциальными электродами и центром диска от изменения температуры и гидростатического давления корректируются по формуле (10) за счет контроля температуры θ диска встроенным датчиком 6 и давления Р внешним измерителем.

Производится N измерений напряжений U_ij на N парах потенциальных электродов. Вычисляются N значений удельной электропроводности по формуле (7) и среднее по формуле (11).

Таким образом, в предлагаемом устройстве исключено влияние поляризационных эффектов на электродах на результат измерения. Оно обеспечивает измерение удельной электропроводности жидкости в электрически замкнутом объеме измерительной ячейки, которая хорошо промывается за счет сеточного выполнения второго токового электрода. «Геометрическая константа» датчика зависит только от двух линейных геометрических размеров, корректируемых при изменении температуры и давления, и имеет также потенциальную возможность измерения и вычисления в физических единицах. Использование N измерительных каналов для коррекции значений «геометрических констант» разных каналов по текущему среднему обеспечивает метрологическую долговечность устройства.

Поставленная цель изобретения достигнута.

Устройство предназначено для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде и может использоваться для измерения в других жидкостях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред содержит датчик с неэлектропроводным диском, двумя токовыми и n потенциальными электродами, генератор тока, коммутатор, резисторный датчик температуры диска, измеритель сопротивления, измеритель напряжения и микропроцессор, при этом удельная электропроводность жидкости определяется по формуле

где - удельная электропроводность жидкости между изолиниями i-го и j-го потенциальных электродов; I - ток в измерительной ячейке; U_ij - напряжение между i-ым и j-ым потенциальными электродами; - значение «геометрической константы» ij-й пары потенциальных электродов; n - число потенциальных электродов; N - число используемых пар потенциальных электродов. Технический результат – повышение долговременной точности измерения в конкретной точке среды. 2 ил.

Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее датчик с неэлектропроводным диском, двумя токовыми и n потенциальными электродами, генератор тока, коммутатор, резисторный датчик температуры диска, измеритель сопротивления, измеритель напряжения и микропроцессор, отличающееся тем, что первый токовый точечный электрод установлен в центре неэлектропроводного диска, второй токовый электрод выполнен в виде полусферы из электропроводящей сетки с диаметром, равным диаметру диска, и установлен на диск для образования электрически замкнутого внутреннего пространства измерительной ячейки, потенциальные точечные электроды в которой размещены на внутренней поверхности диска по спирали Архимеда на произвольных фиксированных расстояниях друг от друга и соединены через коммутатор попарно с дифференциальными входами измерителя напряжений, а удельная электропроводность жидкости определяется по формуле

где - удельная электропроводность жидкости между изолиниями i-го и j-го потенциальных электродов; I - ток в измерительной ячейке; U_ij - напряжение между i-м и j-м потенциальными электродами; - значение «геометрической константы» ij-й пары потенциальных электродов; n - число потенциальных электродов; N - число используемых пар потенциальных электродов.