Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред Советский патент 1992 года по МПК G01N27/42 

(Л

С

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет измерить удельную электропроводность в условиях действия стороннего источника тока. Целью изобретения является расширение области использования за счет обеспечения измерений в условиях стороннего источника тока. Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред включает трубку 1, кольцеобразные электроды 2, 3, 4, магазин 5 активных электрических сопротивлений, переключатель 67 регистраторы 7,8. Особенностью устройства является введение магазина 5, а также использование в качестве регистраторов 7, 8 регистраторов напряжения. 1 табл., 2 ил.

vi

со ю ю

00

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких растворов и расплавов, в том числе в их локальных объемах, в условиях действия внешних (сторонних) источников тока.

Известен контактный датчик для измерения удельной электропроводности, который содержит диэлектрическую проточную трубку с расположенными внутри кольцевыми электродами, токовый электрод в середине трубки, два заземленных токовых электрода вблизи открытых концов трубки, по два измерительных электрода с каждой стороны центрального токового электрода. При погружении этого датчика в исследуемую жидкую среду и пропускании контролируемого постоянного по величине тока через токовые электроды на обеих парах измерительныхэлектродов возникает

разность потенциалов, которая обратно пропорциональна удельной электропроводности среды.

Недостатком устройства является невозможность измерения удельной электропроводности жидкой среды в условиях одновременного протекания по ней тока от стороннего источника. Это объясняется следующими причинами. Электропотребители в металлическом кожухе (сварочная ванна, электролизер, шлаковая ванны и ЭШП и др.) подлежат обязательному заземлению. Так как оба токовых электрода вблизи открытых концов датчика являются заземленными, то через электроды к заземлению идет силовой ток, нарушающий нормальную эксплуатацию электроустановки. Изменяется режим работы установки, характер распределения тока в жидкой среде, теплосодержание ее отдельных участков, а следовательно, и значение удельной электропроводности среды.

Падение напряжения на заземляющем проводе (участок которого входит в измерительную цепь по замеру силы тока, создаваемого внутренним источником) приводит к дополнительным погрешностям оценки силы тока. Параллельная цепь создается через внутренний источник устройства незаземленная клемма стороннего источника-жидкая среда - токовый электрод в середине трубки (через левую и правую открытые концы трубки) - соединительный провод - амперметр - источник внутренний - соединительный провод - земля - заземленная клемма стороннего источника. В результате в измерительной цепи по замеру силы тока действует не один, а два источника. Показания амперметра значительно искажаются. Это искажает измеренную

величину удельной электропроводности жидкой среды.

При использовании устройства для измерения удельной электропроводности

жидких сред в емкостях, не подлежащих заземлению, воздействие стороннего источника также делает процесс измерения невозможным. Принципиально измерение возможно лишь при установке датчика пер0 пендикулярко эквитоковым линиям стороннего источника. Однако устройство не снабжено средством для измерения и фиксирования пс южения датчика (процесс измерения предлагает лишь погружение

5 датчика в исследуемую жидкую среду). Кроме того, электромагнитные поля, порождаемые токами от внутреннего и от стороннего источников будут взаимодействовать между собой, приводя к появлению электрических

0 полей и дополнительным погрешностям измерения удельной электропроводности среды.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности, выполнен5 ное в виде диэлектрической трубки с наза- земленными дискообразными токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых, токовые и один из измерительных электродов расположены внутри труб0 и, два других измерительных электрода расположены снаружи трубки соответственно над внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами, между токовыми злектоопами оасположена

5 изоляционная прокладка, при этом наружные электроды подключены к первому регистратору, внутренний измерительный и ближайший к нему токовый - к второму регистратору, а токовые электроды соединены

0 через амперметр и переменный резистор.Ток, проходящий по объему жидкой среды, расположенному внутри трубки, фиксируется амперметром. Падение напряжения на участке жидкой среды,

5 расположенной между внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами,измеряетсявторым регистратором напряжения. По известным геометрическим размерам исследуемого

0 участка жидкой среды, току и напряжению определяется удельная электропроводность жидкой среды. Устройство позволяет также измерять плотность тока жидкой среды.

5 Выполнение датчика на основе непроточной трубки с массивной изоляционной прокладкой посередине имеет ряд недостатков. В частности, увеличенная масса датчика приводит к уьеличенному охлаждению объема измеряемой жидкой среды и

возрастанию времени измерения, необходимому для прогрева датчика и снижения его влияния на результаты измерения. Если рабочая температура измеряемой жидкой среды не намного выше ее температуры плавления, то по границе дискообразных электродов весьма вероятно образование настылей, гарнисажа из закристаллизовавшейся измеряемой среды. В подавляющем большинстве случаев свойства жидкой среды и образовавшегося из нее твердого вещества существенно рознятся. Например, твердые сварочные флюсы АН-20, АН-8, АН- 348А и другие являются практически неэ- лектропровбдными. При этом достоверность полученных оценок удельной электропроводности измеряемой жидкой среды может существенно снижаться.

При повторном использовании датчика с непроточной трубкой может усложняться процесс подготовки его к работе, так как после каждого использования датчика за счет явления хемосорбции в углах пересечения стенок трубки и дискообразных электродов формируются галтели жидкой среды. Если температура плавления измеряемой жидкой среды выше комнатной температуры, то при охлаждении датчика эти кольцеобразные образования также могут кристаллизоваться.

При погружении датчика в вязкую измеряемую среду у поверхности дискообразных электродов могут возникать воздушные пробки, снижающие точность измерения.

Непроточная трубка датчика перекрывает естественный ток (движение) жидкой среды. Это может сказываться на температуру и химсостав измеряемой среды в данном объеме, особено при значительном токе (движении) среды.

Наиболее близким к предлагаемому является контактный датчик для измерения удельной электрической проводимости вод океана, выполненный в виде обрывного зонда обтекаемой формы со сквозным отверстием вдоль оси симметрии. Внутри отверстия заподлицо с диэлектрической поверхностью стенки размещены три кольцевых электрода (крайние закорочены между собой). Принцип действия датчика основан на измерении сопротивления жидкости между крайними и центральным электродом, которое зависит от текущего значения удельной электропроводности среды.

Устройство специализированное и во время измерения не допускается протекание тока через исследуемую жидкую среду от стороннего источника тока. Это исключает возможность измерения удельной электропроводности жидкой среды в агрегате с непрерывным протеканием через жидкую среду рабочего тока, например, расплава шихты в алюминиевом электролизере, где в

рабочем режиме невозможно даже кратковременное отключение рабочего тока.

При измерении в условиях действия стороннего источника часть тока от этого источника идет по участку жидкой среды между

0 крайними электродами, а основная часть - по закоротке крайних электродов. Ток по закорртке может достичь весьма больших значений, что создает значительную поляризацию крайних электродов. Сопротивле5 ния электрических цепей по замеру тока в жидкой среде от внутреннего источника возрастают, сила тока уменьшается. При том же напряжении на электродах, создаваемом внутренним источником, изменение

0 силы тока приводит к ошибке определения сопротивления, а значит, и удельной электропроводности жидкой среды. Принципиально измерение возможно было бы лишь при установке датчика строго перпендику5 лярно эквитоковым линиям стороннего источника. Однако устройство не снабжено средством для измерения положения (угла наклона) датчика относительно эквитоковых линий стороннего источника. Отсутствуют

0 средства для изменения и фиксирования положения датчика в исследуемой жидкой среде. Кроме того, электромагнитные поля, порождаемые токами от внутреннего и стороннего источников, взаимодействуют меж5 ду собой, приводя к появлению электрических помех и дополнительным погрешностям измерения удельной электропроводности.

Целью изобретения является расшире0 ние области использования устройства.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения удельных электро- проводностей жидких сред, содержащие диэлектрическую трубку, в которой располо5 жены заподлицо с внутренней поверхностью стенки трубки первый, второй и третий электроды, первый, второй регистраторы, дополнительно содержит магазин сопротивлений и многопозиционный переключа0 тель, а в кач естве первого и второго регистраторов используют регистраторы напряжений, примем первый и второй регистраторы соединены соответственно между первым и вторым и вторым и третьим элек5 тродами, а магазин сопротивлений и много- позиционный переключатель, которые соединены последовательно, подключены параллельно к второму регистратору.

Удельная электропроводность определяется по формуле

Ui

q к TV ТРчЛ

где К -i- - геометрическая константа датчика, м 1;

Rii - включенное при измерении сопротивление из магазина сопротивлений, Ом;

i - порядковый номер включенного при измерении сопротивления в магазине сопротивлений, ,

U - падение напряжения между первым крайним и средним электродами, В;

Ui - падение напряжения между средним и вторым крайним электродами, В;

I - расстояние между соседними элект- родами, м;

S - внутренняя площадь поперечного сечения трубки датчика, м ;

Предлагаемое устройство позволяет не только производить измерение в жидкой среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использовать эти источники в процессе измерения,

В известном устройстве (п рототипе) для определения удельной электропроводности жидкой среды измеряются ток I (амперметр показывает двойное значение тока), проходящий внутри трубки по жидкой среде и создаваемое им падение напряжения U между парой соседних электродов, Так гак геометрические размеры Е, S датчика известны, то сопротивление R участка жидкой среды, расположенной между парой соседних электродов,

R 1 . Ј Um

R-- -s--у ,(2)

Откуда удельная электропроводность жидкой среды

в ||

Ч о ТТ К п (3)

S U

I

и

где К -Ј - геометрическая константа датчика.

При использовании для измерения q стороннего источника значительную техни- ческую трудность представляет измерение силы тока I, протекающего внутри трубки по жидкой среде. Поэтому в предлагаемом устройстве этот ток не измеряется. Для определения же удельной электропроводности жидкой среды через сопротивление R участка жидкой среды, расположенной между парой соседних электродов, составляется система двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными - током I и сопротивлением R. В результате решения этой системы определяются значения I и R. Для формирования двух уравнений требуется воспроизведение двух математических

5

10

15

20

25 30 35

связей тока I и сопротивления R. В качестве первой связи используется формула (2). Однако измерению подлежит лишь напряжение U (на паре соседних электродов). Сила тока I является неизвестной.

Напряжение U в предлагаемом устройство снимается с первого крайнего и среднего электродов. Для формирования второй связи вторую пару электродов известного устройства использовать нельзя, так как напряжение, снимаемое с них, дублирует напряжение, снимаемое с двух других измерительных электродов. В предлагаемом устройстве на втором, равном первому, участке жидкой среды датчика создается другое падение напряжения Ui. Это достигается за счет отвлечения части тока I в параллельную этому участку жидкой среды цепь с известным сопротивлением RH. Сопротивление Робщ двух параллельных ветвей

R „ - R -Rn Uiш

Робщ- R+R1| -p.(4)

Уравнение (4) представляет собой математическую формулировку второй связи. Напряжение Ui снимается со среднего и второго крайнего электродов. Совместное решение уравнений (2) и (4) приводит к выражениям

(5)

R Rii

Ui

I U R.

Подставим (5) в (2): 1.1 о. U-Ui q S

RnUi

(6)

(7)

Перегруппировав члены уравнения (7) относительно q, получают формулу (1) для определения удельной электропроводности жидкой среды.

Таким образом, в связи с тем, что в предлагаемом устройстве по сравнению с известным устранена закоротка между двумя крайними электродами, это позволило фиксировать различные напряжения на расположенных друг за другом двух равных участках жидкой среды.

Магазин сопротивлений с переключателем обеспечивает создание параллельной электрической цепи с одним из участков жидкой среды внутри трубки датчика. Значения сопротивлений магазина и соответствующих им положений переключателя известны заранее. Поэтому магазин сопротивлений с переключателем позволяет устанавливать контролируемые значения сопротивления параллельной цепи.

При данном R величина RH оказывает влияние на числитель и знаменатель дроби формулы (5). Чем выше RH, тем значение Ui

ближе к значению U, тем меньше числитель. Значит, для сохранения требуемой точности измерения q требуются более точные приборы для регистрации U и UL Аналогично, чем ниже RH, тем меньше UL Для сохранения требуемой точности измерения q требуется более точный прибор для регистрации Ui, т.е. для обеспечения условий работы устройства по точности, рекомендуется выдерживать соотношение

I)1(0,5±0,4)U.(8)

Для поддержания напряжения lh на уровне, соответствующем соотношению (8), служит магазин сопротивлений с переключателем, При переключении переключателя изменяется величина электрического сопротивления RH из магазина сопротивлений, включенного в электрическую цепь, что при некотором постоянном R участка жидкой среды изменяет В0бщ (4). В результате меняется напряжение Ui,

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред; на фиг. 2 - упрощенная принципиальная схема устройства.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из трубки 1, выполненной из изоляционного материала, первого крайнего 2, среднего 3 и второго крайнего 4 кольцеобразных электродов, а также магазин активных электрических сопротивлений 5, переключатель 6 многопозиционный, регистраторы 7 и 8 (например, многодиапазонные цифровые вольтметры).

Кольцеобразные электроды быполнены из однородного материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью либо жаростойкостью.

Диэлектрическая трубка датчика выполняется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур излучаемой жидкой среды. При значительной температуре среды материал трубки должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью либо жаростойкостью.

Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12х18Н9Т, трубка - из эбонита. При высокой агрессивности и температуре среды электроды выполняются, например, из платины, карбида кремния,

деборида циркония, карбонитрида бора, трубка, например из спеченного алунда.

Первый крайний 2 и средний 3 электроды соединены с регистратором 7. Средний

3 и второй крайний 4 электроды соединены двумя параллельными электрическими цепями ; в первую цепь включен регистратор 8, во вторую - последовательно соединенные магазин активных электрических сопротив0 лений 5 и многопозиционный переключатель 6.

Для помещения датчика в исследуемую среду устройство снабжено штангой (например, в виде полого стержня, не показано),

5 закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика. При необходимости стержень выполняется из жаростойкого и жаропрочного материалов, внутри него прокладывают соединительные прово0 да.

Упрощенная принципиальная электрическая схема устройства состоит из сопротивления 9 участка жидкой среды, размещающейся внутри трубки датчика

5 между электродами 2 и 3, сопротивления 10 участка жидкой среды, размещающейся внутри трубки датчика между электродами 3 и 4 и включенного в электрическую цепь сопротивления 11 из магазина сопротивле0 ний 5, входящего в функциональную схему устройства.

Так как расстояние между электродами 2 и 3 в трубке датчика равно расстоянию между электродами 3 и 4, а площадь попе5 речного сечения трубки и удельная электро- проводность жидкой среды в ней неизменны, то сопротивления 9 и 10 равны (фиг. 1 и 2).

Сопротивление 9 соединено последова0 тельно с параллельной цепочкой, состоящей из сопротивлений 10 и 11,

Устройство работает следующим образом.

Датчик погружают в исследуемую жид5 кость, по которой протекает рабочий ток (например, в гальваническую ванну). Переключая с помощью многопозиционного переключателя 6 сопротивления магазина сопротивлений 5, добиваются установления

0 по регистратору значения Ui (0,5±0,4)U.

При этом напряжение U фиксируется по регистратору 7. После этого показания регистраторов 7 и 8 записываются. Регистриру5 ется величина сопротивлений. Удельная электропроводность жидкой среды находится по формуле (1).

При изменении напряжения между вторым и третьим электродами при включении сопротивления R и изменяется ток между

первым и вторым электродами. Применение дополнительных мер по стабилизации тока для достижения целей измерения удельной электропроводности жидкой среды в данном случае не требуется. Общий ток не- сколько изменяется, что практически не оказывает влияния на точность измерения.

Если рассмотреть два совершенно одинаковых участка жидкой среды в трубке, то падения напряжения на них также одинако- вые. Чтобы сформировать новую математическую связь нужно создать и новые условия. Эти условия создаются путем шунтирования сопротивления R между вторым и третьим электродами сопротивлением Rii (фиг. 2).

Ток на участке между первым и вторым электродами равен I. На участке между вторым и третьим электродами этот ток разветвляется. Часть тока г идет по жидкой среде (по сопротивлению R), а часть И - по шунтирующему сопротивлению RII. В сумме h + 12 I, так как сопротивление R между первым и вторым электродами включено последовательно с цепочкой параллельно включенных сопротивлений R и Rn,

Тогда

Ui I R06u,,(9)

где R06iu - сопротивление двух параллельных ветвей R и Rii (4).

Откуда

R -Rii

Ui l

(Ю)

R+Rn

Падение напряжения же на участке между первым и вторым электродами

U IR.(11)

Как видно из сравнения формул (10) и (11), после включения шунтирующего сопротивления RH падение напряжения на участке между первым и вторым электродами равно U, а на участке между вторым и третьим электродами равно Ui, примем 1л ). Это и позволяет сформировать новую математическую связь и достичь целей измерения.

Изменение в шунтирующей цепи сопротивления RU приводит к изменению всех трех токов: И, аи I. Однако, учитывая малые размеры датчика, это практически не влияет на точность измерения q. Измерение же U и Ui происходит при постоянном, одинаковом значении RH и токи h, I2, I при этом остаются постоянными.

Электрод 2 (фиг. 1) находится в отличных от электродов 3 и 4 условиях. Распреде- ление плотности тока по сечению трубки - равномерное, Ток в трубке идет параллельно поверхности кольцеобразных электродов. При этом на более электропроводные но узкие кольца отвлекается лишь незначи-

5

10 15

2025

30

35

4045

50

55

тельная часть тока, которой можно пренебречь.

Между электродами 2 и 3 включен вольтметр с большим внутренним сопротивлением. Примем направление тока в трубке слева направо. Тогда ток, стекающийся из измеряемой жидкой среды к электроду 2, проходящий по вольтметру 7 и растекающийся в измеряемую жидкую среду с электрода 3 весьма малый. Ток Н (фиг. 2) соизмерим с током 2. Таким образом, к электроду 3 стекается значительный ток, который, проходя по Rii, растекается в жидкую среду с электрода 4.

Ввиду малых токов, протекающих по регистратору 7, первый крайний электрод 2 не подвержен поляризационным процессам. Этого нельзя сказать об электродах среднем 3 и втором крайнем 4, так как по ним частично проходит и силовой ток, ответвляющий на сопротивление RH. Поэтом у для снижения отрицательного влияния поляризационных процессов на точность измерения при токах I (определяется по формуле (6)), превышающих 0,05 А, рекомендуется устанавливать большие значения RU, которые обеспечивают нахождение Ui на максимально допустимом (см. формулу (8)) уровне.

Ток I, протекающий внутри трубки, можно уменьшить поворотом датчика за штангу, таким образом, чтобы продольная ось симметрии датчика встала под острым углом к эквивитковым линиям в исследуемом рабочем пространстве (в жидкой среде). Если угол составляет 90°, то ток в трубке практически равен нулю. Поворот датчика в жидкой среде под острым углом к эквивитковым линиям приводит к снижению напряжения U на регистраторе 7. Если ток I (определяемый по формуле (6)) превышает, например, доп 0,1 А (который определяется исходя из условия поляризации материала и площади поперечного сечения электродов), рекомендуется изменить положение датчика поворотом его в ту или иную сторону, наблюдая за напряжением U и добиваясь его снижения. Снижение гока в трубке позволяет уменьшить активность поляризационных процессов на электродах и повысить точность измерения.

Если априорно известно примерное значение плотности тока j в месте измерения жидкой среды, то предварительно можно подсчитать рекомендуемую площадь поперечного сечения отверстия трубки датчика S. Учитывая, что допустимая величина тока 1Доп в трубке не должна превышать, например, 0,1 А:

S -

Полученная величина не должна быть меньше 25-30 мм , исходя из удобства изготовления и капиллярных свойств (затека- ния) получаемого отверстия трубки. Дальнейшее уменьшение тока в трубке достигается поворотом датчика.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном изме- рении раствора KCI при 20°С нормальной концентрации 0,1 Н.

Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что достаточно высокая точность достигается в случае если выдерживается соответствие напряжения Ui и U, причем максимальная точность достигается при значении Rii сопротивлению исследуемого участка жидкой среды.

Предлагаемое устройство по сравне- нию с известным позволяет расширить область использования устройства, т.е. осуществлять измерение удельной электропроводности жидких сред в условиях действия стороннего источника тока.

Как показывают результаты измерений, максимальная точность измерения достигается при значении Rii R. Исходя из этих соображений априорно и рекомендуется выбирать величину Rii, так как исследова- тель, а тем более производственник, как

правило, при измерении имеет дело не с черным, а с серым ящиком, то заранее известен диапазон возможных изменений ве- личины R. Диапазон изменения сопротивления Ri, из магазина сопротивлений 5 (фиг. 1) следует выбирать таким, чтобы он перекрывал диапазон изменения величины R.

Формула изобретения Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены заподлицо с внутренней поверхностью стенки трубки первый, второй и третий электроды, первый, второй регистраторы, отличающееся тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения измерений в условиях действия стороннего источника тока, введены магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, а в качестве первого и второго регистраторов используют регистраторы напряжений, причем первый и второй регистраторы соединены соответственно между первым и вторым и вторым и третьим электродами, а магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, которые соединены последовательно, подключены параллельно к второму регистратору.