Потенциометрический уровнемер-кондуктометр Советский патент 1990 года по МПК G01F23/24 

Я Фиг.}

Изобретение относится к приборостроению и-может использоваться при измерении уровня и удельного сопротивления электропроводных жидкостей, в том числе жидкостей, содержащих взвешенные частицы.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей уровнемера- кондуктометра путем обеспечения одновременного измерения уровня и удельного сопротивления жидкости.

На фиг.1 схематически изображен уровнемер-кондуктометр; на фиг.2 - то же, с иллюстрацией вывода основных соотношений я изических величин.

Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 электроды, частично погруженные в электропроводную жидкость 4, нахо- дящуюся в каком-либо резервуаре с горизонтальным диэлектрическим дном 5. Между электродом 2 и нижним.концом электрода 1 включен стабилизатор 6 переменного тока, а между верхним и нижним концами электрода 1 - измеритель 7 напряжения с высоким входным сопротивлением. Между вторыми третьим электродами включен второй измеритель 8 напряжения, который представлен совокупностью дифференциального усилителя 9 и вторичного прибора 10. Общая точка двуполярного источника питания (не показан) дифференциального усилителя 9,обозначенная символом 1, соединена с нижним концом электрода 1. Выполнение измерителя 8 напряжения может быть иным. Электроды соединяются с внешними приборами посредством проводов

11-16.

Электрод 1 должен быть достаточно тонким и может представлять собой натянутую струну из металла с высоким удельным сопротивлением, малым температурным коэффициентом и коэффициентом линейного расширения, например из нихрома, манганина или константана.

Электроды 2 и 3 могут быть выполнены из материала, подходящего для кондукто- метрических измерений, например из нержавеющей стали. Сечение электродов 2 и 3 может быть значительно больше, чем у электрода 1. При этом электрод 3 можно расположить самым различным образом по отношению к остальным электродам. Провода 12, 13 и 17 могут проходить в измеряемой жидкости, однако в этом случае они должны быть герметично изолированы. Провода 14-16 могут подсоединяться к любой точке соответствующих электродов.

Уровнемер-кондуктометр работает следующим обрйзом.

Через жидкость 4 между электродами 2 и 1 протекает ток стабилизатора 6 тока. Часть линий тока в жидкости проходит также и через электрод 3. Ток 1о втекает в электрод 1 через его боковую поверхность и проходит по погруженному в жидкость участку электрода 1, практически не ответвляясь в цепь измерителя 7 напряжения.

Вследствие относительно высокой электропроводности электродов 2 и 3 их поверхности являк тся эквипотенциальными, а в электроде 1 преобладает вертикальная составляющая вектора плотности тока. Можно считать, что она распределяется равномерно по любому поперечному сече нию электрода 1, если частота переменного тока невелика, но величина этой составляющей изменяется вдоль погруженной части электрода. Емкостью между электродами и индуктивностью датчика в первом приближении можно пренебречь.

Выделяют бесконечно малый участок dx электрода 1 между точками а и. b (фиг.2). Пусть I (х) - ток через верхнее сечение элемента dx. тогда ток i (x+dx), текущий через нижнее сечение элемента dx, имеет вид

(x+dx) i(x+A

dx.

(1)

30

Через боковую поверхность участка dx проходит ток di6oK, равный

di6oK gUdx ,(2)

где g - погонная межэлектродная электро- 35 проводность;

и - напряжение между элементами dx электрода 1 и электродом 2.

По первому закону Кирхгофа

i(x)-l(x+dx) + di6oK 0,(3)

40 где знаки + и - взяты с учетом условных положительных направлений, изображенных на фиг.2, причем участок электрода 1 длиной dx рассматривается как узел.

45Подставив в (3) выражения (1) и (2), получают

6 dx

-gU -0.

(4)

С другой стороны, в замкнутом контуре a-b-c-d между точками and существует напряжение U(x), а напряжение U(x+dx) между точками Ь и с равно

U(x+dx) U(x) + . (5)

Напряжение dUs между торцами элемента dx электрода 1 равно

dUg ridx, (6)

где г - погонное сопротивление электрода 1.

Напряжение между точками с и d равно нулю, поскольку поверхность электрода 2, как отмечено, является эквипотенциальной.

По второму закону Кирхгофа для контура a-b-c-dc учетом условных положительных направлений можно написать dUg - U(x+dx-) + U(x) 0.

Подставив сюда соотношения (5) и (6), получают

f-

(7)

или

sh (ah)

(11)

0

Падение напряжения Uh на электроде 1 получаются путем интегрирования соотношения (6) по всей погруженной в жидкость части электрода

h Uh / ridx.

о

Подставив вместо i правую часть выражения (11), получают

Изобретение относится к области приборостроения и позволяет совместить измерение уровня жидкости с измерением ее удельного сопротивления. Стабилизатор 6 переменного тока подключен к нижнему концу высокоомного электрода 1 и к низкоомному электроду 2. С прибора 7 снимается напряжение, пропорциональное уровню жидкости и не зависящее от ее электропроводности. Для расширения функциональных возможностей введен второй измеритель 8 напряжения, включенный между низкоомными электродами 2 и 3. Произведение напряжений, измеряемых приборами 7 и 8, пропорционально удельному сопротивлению жидкости. 2 ил.

Дифференциальные уравнения (4) и (7) представляют собой систему, для решения которой продифференцируют уравнение (4)

по dx и подставляют в него значение -гdx

из уравнения (7). Тогда получают

dl

dx

- rgi О

(8)

Общим решением этого уравнения является выражение

I ,(9)

где а vVgi а постоянные AI и А2 определяются из граничных условий на концах погруженной в жидкость части электрода 1. Через нижнее основание электрода течет ток 1о стабилизатора 6, а ток через сечение электрода на высоте уровня жидкости равен нулю. Поэтому при X h 1 1о,(10)

а при X О , где h - значение уровня жидкости.

Подставив (10) в (9), получают

A2 -Ai;

1о Ai(e - е ), т.е.

Ai

1с

ah

А2

..ah -ah

е - е

, Подставив значения AI и А2 в (9), получают соотношение, выражающее зависимость тока, текущего через то или иное сечение электрода 1, от координаты х:

г1

)

г1о . ch (ah) а- sh (ah)

(12)

Это и есть выходной сигнал уровнемера, фиксируемый измерителем 7 напряжения.

Выражение (12) является монотонно возрастающей функцией Ы, причем минимальное значение сигнала стремится к нулю при h . Однако зависимость выходного сигнала от h не является линейной, выходной сигнал зависит также от электропрово- дящих свойств жидкости. Путем разложения (12) в ряды Маклорена по степеням ah, можно показать, что при ah « 1

(13)

т.е. сигнал пропорционален h и не зависит

.от электропроводя1

)ВОДЯЩИХ

Так как а Vrg , имеет вид

11Х свойств жидкости, условие линейности

Vrg h « 1 . и тем более выполняется, если

1о «1 ,(14)

где 1о максимально возможное измеряемое значение уровня, равное длине электрода 1.

Соотношение (14) можно записать в виДе .

vrlo vglo « 1 или

« RU

(15)

где Ri2 - межэлектродное сопротивление датчика при максимальном уровне жидкости;

РЭ - сопротивление электрода 1 между его концами .

Напряжение между электродами 2 и 3 зависит как от высоты, так и от удельного сопротивления жидкости и имеет вид

U2,

(16)

где U2.3 - напряжение между электродами 2 и 3, фиксируемое прибором 10;

уЭж - удельное сопротивление жидкости;

А-безразмерная константа, зависящая от взаимного расположения всех трех электродов и определяемая экспериментально.

Для получения информации об удельном сопротивлении жидкости р перемножают измерение величины UH и 1)2,3. Тогда, как следует из формул (13) и (16), результат умножения оказывается пропорциональным РЖ. Можно воспользоваться также ремнсжающим устройством, подав на его входы сигналы Uh и 1)2,3, В стационарном состоянии жидкости имеет место эффект ее нагревания током 1о, однако он незначителен в-случае проточного резервуара.

Малая величина сигнала Uh, снимаемого с низкоомного электрода 1, не представляет существенных трудностей при измерениях, поскольку наводки от сторонних источников ЭДС подсаживаются на относительно низком сопротивлении электрода 1.

Влияние осевших на дно частиц на результат измерения сравнительно невелико. Оно убывает с повышением уровня, так как в формировании сигналов DM и 1)2,3 участву- ют все слои жидкости.

Формула изобретения Потенциометрический уровнемер-кондуктометр, содержащий два вертикально

расположенных протяженных металлических электрода с цилиндрической боковой поверхностью, частично погруженные в контролируемую электропроводную жидкость, а также стабилизированный источник

питания и измеритель напряжения, каждый из которых подключен одним из полюсов к нижнему концу первого электрода, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет

обеспечения одновременного измерения удельного сопротивления жидкости, в него введен третий электрод с цилиндрической боковой поверхностью, размещенный аналогично первым двум, и второй измеритель

напряжения, включенный между вторым и третьим электродами, при этом в качестве стабилизированного источника питания использован стабилизатор переменного тока, второй полюс которого подключен к второму электроду, а второй полюс первого измерителя напряжения соединен с верхним концом первого электрода.

Фиг. 2