Способ определения концентрации электролитов и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к измерителной технике и может быть использовано для автоматического определения колцентрации растворов электролитов, в частности серной кислоты, в трубо- проводах.

Целью изобретения является повышение точности предлагаемого способа за счет снижения температурной погрешности и погрешности, связанной с неоднородностью потока контролируе мого электролита.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит управляемый генератор 1 высокой частоты, выход которого подключен к входу измерительной ячейки 2 и к одному из входов измерителя 3 разности фаз, ито- рой вход которого соединен с выходом измерительной ячейки 2 и входом измерителя 4 частоты. Выходы измерителей разности фаз 3 и частоты 4 соединены с вычислительным блоком, со- держащим два двухвходовых функциональных преобразователя 5.и 6 и одно входозьш функциональный,преобразова- тель 7, выполненные, например, на базе программируемых логических матриц Входы преобразователя 5 связаны с измерителями разности фаз и частоты, а выход - с входом функционального преобразователя 7 и с одним из выходов функционального преобразователя 6, другой вход которого соедине с выходом задатчика 8 глубины проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду 9, используемую в качестве конструктивного элемента измерительной ячейки 2, выполненной в виде электромагнитной линии с распределенными параметрами, образованной прямолинейным проводником 10, опрессованным по всей его длине ди- электрическим слоем 11, и контролирумой средой 9, заземленной с помощью двух контактных колец 12, напрессованных на концы диэлектрического слоя 11.

Способ осуществляется следующим обраЭом.

На контролируемую среду 9, являющуюся внешним проводником измерительной ячейки 2, воздействуют потоком электромагнитных колебаний, измеряют частоту и фазу этого потока на выходе ячейки, вычисляют концентрацию

контролируемой среды и глубину проникновения электромагнитных колебаний в контролируемую среду, изменяют частоту колебаний в соответствии с заданной глубиной, равной, например, размеру трубопровода, и вычисленным значением частоты электромагнитных колебаний, повторяют вычисление в- указанном порядке и изменение частоты генератора 1 до получения заданной глубины проникновения.

Вычисленное при этом по предложенным аналитическим зависимостям значение концентрации контролируемой среды соответствует действительному.

Устройство работает следующим образом.

Управляемый генератор 1 высокой частоты вырабатывает электромагнитные сигналы, которые одновременно поступают на вход измерительной ячейки 2 и на один из входов измерителя 3 разности фаз, на другой вход которого поступает электромагнитный сигнал, прошедший через контролируемую среду, с выхода измерительной ячейки 2. Электромагнитный сигнал с выхода измерительной ячейки также поступает на вход измерителя 4 частоты. По значению выходньк сигналов измерителей разности фаз и частоты двухвхо- довьй функциональный преобразователь 5, в который записана зависимость

. к;

ср . +к; -HKj fd, ( ,

№

(1)

где Cf, f - фаза и частота электромагнитных колебаний, прошедших через контролируемую среду; Ср - удельная электрическая

проводимость контролируемой среды;

К -Kj - коэффициенты, зависящие от материала внутреннего проводника и размеров электромагнитной линии, устанавливает значение удельной электрической проводимости сред (jf. в соответствии с полученным значением проводимости, двухвходовый функциональный преобразователь 6 в соответствии с зависимостью

f±/9 1

J-- л 9 V /

бе Рейс где fд , 0 оптимальное значение

частоты и глубины проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду; |Uj- магнитная проницаемость

контролируемой среды, устанавливает оптимальное значение частоты fp,в соответствии с которым регулируется частота входного сигнала, для поддержания глубины проникновения электромагнитного поля в постоянной,равной заданной б, формируемой задатчиком 8. Одновходовый функциональный преобразователь 7 определяет концентрацию электролита С в соответствии с зависимостью

:(.|( 5чн; н

Ke)S

(3) где С - концентрация контролируемой

среды; KgjK, - постоянные коэффициенты.

Предлагаемый способ может быть реализован и не в автоматическом режиме, без использования вьшислитель- ного блока. При этом производится ряд последовательных приближений по описанному алгоритму (изменение частоты - определение глубины проникновения - сравнение ее с заданной - повторное изменение частоты) до получения оптималь ного значения, б,, глубины проникновения. Изменение частоты производится вручную, а расчет - любыми доступными средствами.

При этом взаимосвязь между параметрами выходного сигнала (частота и фаза) и проводимостью контролируемой среды описывается выражением (1), где Kj-K - коэффициенты, зависящие от материала внутреннего проводника и размеров системы.

,71K5tO,68+-jT,34(k 5f-.6t.K5+0,4--r-T

5,4

5 1/ 1.-

. К,Кц

Откуда

, 1 . , , 5.43 Ч 5,43 К г 5.4 к , /. сч

., 7-IUf-n rl.

Введя обозначения, получим ,Hv,--qf-(16)

K,0, (17)

к -1- П.

2 «г„11ГЙа

Р-с; 1

.

.|27,;;:,

где С - емкость системы;

(4) (5)

(6) (7) (8)

Гд - радиус внутреннего проводника;

jUqipj- магнитная проницаемость материала внутреннего проводника и контролируемой среды соответственно;

с5д - проводимость материала внутреннего проводника; - внешний радиус диэлектрического слоя. Решение уравнения (1) относительно d(. может быть получено следующим образом.

Преобразовав уравнение (t), полу- чим

е

.1.

.d,(K;-h ln fd,),

где

к;

iii :1Г

к

(9)

(10)

или

(11)

.d,.t(f,cJ,).

Раскладьгоая функцию Qi(f ,dj;) в точке наиболее быстрой сходимости (е) в ряд Тейлора, получим

.

(12)

откуда следует 1

(fd) + (Ky- ). (13)

Разрешив уравнение (13) относительно (fee) получим

д-г едз-К г 6,43 Kj

I и ГР

i

(14)

K,0,46In ii|-% -0,921n -H +0,4;(18)

TI

в

(19)

V (Z2 Ы1Я-, 7r,(i,,r 1ird«

К,

Из вьфажения (2) имеем

(22)

eHf-V l c C

Выражения (16), (22) и (3) позволяют последовательно определить проводимость среды, глубину проникновения в нее электромагнитных колебаний и (при заданной глубине) концентрацию электролита.

Предлагаемое изобретение позволяет получить наибольшую чувствительность к контролируемому параметру, что обусловлено поддержанием посто- янной глубины проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду, независимо от изменения концентрации контролируемой среды, используемой в качестве конструктивного элемента измерительной ячейки, выполненной в виде коаксиальной электромагнитной линии с распределенными параметрами,

Целесообразность поддержания глубины проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду по стоянной обусловлено тем,что в электролитах в отличие от диэлектрических сред глубина проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду существенно зависит как от концентрации электролита, так и от частоты электромагнитных колебаний. Повышение концентрации контролируемой среды приведет к резкому сужению контролируемого слоя, в которьй внедряется электромагнитная волна, что снижает чувствительность и приводит к появлению дополнительной погрешности измерений из-за неполного охвата контролируемого слоя, так как на чувствительность сильно влияет неоднородность потока (наличие пузырьков воздуха). Снижение концентрации контролируемой среды приводит к тому, что электромагнитное поле выходит за пределы контролируемого слоя и на его параметры начинают влиять тела, окружающие контролируемый слой (например,.стенки трубопровода)., что также снижает чувствительность и приводит к появлению допол- нительной погрешности.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет преобразовать кон

5

0

5

0

5

10

5

Q

5

центрацию электролита в разность фаз - наиболее помехозащищенлый сигнал, а также удобный для сочетания с цифровыми средствами обработки информации .

Предлагаемый способ позволяет измерить концентрацию серной кислоты вплоть до 0,1% с точностью не хуже 0,5%.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации электролитов, включающий воздействие на контролируемую среду электромагнитными колебаниями фиксированной частоты с помощью измерительной ячейки, регистрацию разности фаз прошедшего сигнала и воздействующих электромагнитных колебаний и изменение фиксированной частоты электромагнитных колебаний, отличающий- с я тем, что, с целью повьш1ения точности, после регистрации разности фаз прошедшего сигнала и воздействующих электромагнитных колебаний определяют глубину проникновения электромагнитных колебаний в контролируемую среду, после чего изменяют фиксированное значение частоты электромагнитных колебаний и повторяют операции регистрации разности фаз прошедшего сигнала и воздействующих электромагнитных колебаний и определения глубины проникновения электромагнитных колебаний в контролируемую среду до момента равенства глубины проникновения заданному значению, при этом определение глубины проникновения электромагнитных колебаний в контролируемую среду производят по выражению

а расчет концентрации осуществляют по формуле

Iг ,

С(К|- ,K,+K,)

где jj - проводимость контролируемой среды

4КН

Кх -К, -г- - -f - к

с f 1 1f 5

0 - глубина проникновения электромагнитных колебаний в контролируемую среду; С - концентрация электролита в контролируемой cpeдeJ

71223127

If - разность фаз прошедшего сигнала и воздействующих электромагнитных колебаний;

f - частота воздействующих электромагнитных колебаний; - 5 коэффициенты, определяемые из соотношений

)

K,0,

К,0,461п ,921п +0,4;

10

К;.

,10а8§.

и

г

К.

.Р. г,

V -- V .«.

б вае 7-1000

.

9e |y-MLpML

(lz,|+lzil)

пет) (et)

X-S-- н

(lz,|lz,|)d,

о

|z,| Uil (Cjo( g (do.TzJ +do jz,|j

Гд - радиус проводника ячейки

для возбуждения электромаг- (Нитных колебаний в контролируемой среде;

г - внешний радиус диэлектрического слоя ячейки;

jUaipc абсолютная магнитная проницаемость материала внутреннего проводника измеритель8

ной ячейки и среды соответственно;

проводимость материала проводника измерительной ячейки;

5

0

0

5

С„ ,,-Si2J.- е т емкость системы измерительная ячейка - контролируемая среда;

соответственно эквивалентные суммарная и парциальная проводимости среды при бесконечном разбавлении; число ионов данного вида, на которое диссоциирует ролит;

валентность ионов; вязкость растворителя; диэлектрическая проницаемость растворителя; абсолютная температура. 2. Устройство для определения концентрации электролитов, содержащее последовательно соединенные управляемый генератор электромагнитных коле- 5 баний, измерительную йчeйкy и измеритель разности фаз, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора электромагнитных колебаний, а также измеритель частоты, отличающееся тем, что измерительная ячейка выполнена в виде прямолинейного проводника с поверхностным диэлектрическим- слоем, на котором размещены два заземленных контактных кольца, причем один конец проводника соединен с входом измерительной ячейки, а другой - с ее выходом и входом измерителя частоты.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет снижения температурной погрешности и погрешности, обусловленной неоднородностью потока контролируемого электролита. Измеритель 3 разности фаз и измеритель 4 частоты измеряют фазу и частоту потока электромагнитных колебаний, воздействующего на контролируемую среду 9 на выходе из нее. Преобразователь 5 устанавливает значение удельной электрической проводимости контролируемой среды. Преобразователь 7 определяет концентрацию контролируемой среды. Преобразователь 6 устанавливает оптимальное значение частоты, в соответствии с которым регулируется частота входного сигнала генератора 1, для поддержания глубины проникновения электромагнитного поля постоянной, равной заданной и формируемой задатчиком 8. В описании пред- ставлены зависимости для вычисления параметров сигналов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. I (О е 45:M: 5 5 J --- в вы пклуте/лньг. N:) S3 10 NO vi