Устройство для измерения электропроводности жидких сред Советский патент 1992 года по МПК G01R27/22 G01N27/07 

Изображение отпосмг я ч naNep- Tenb мой .ост:;ос,ги к /стройтчам для измеовм/т /цолы зтег ФСРоозод- ности ,00В . расппзвов н том числе з /ix локало ых объемах в /сло- виях де у ствмя т ешчих (сто joi-n-i/ix) источников токэ.

Известен ко.лактный датчик зп измерения уЛСЛЬНОЙ ЭЛ8КТрОг|рОРОЯНП Т / С 0рым содержит диэлекгр /.чесиую протечную трубку с расположенный/- внутри кольиевы ми электродами, токсвий эпектроц в середине трубки, два заземленных токовых электрода вблизи откры мх ,сони,ов труб- УМ, пс два измерительно л электрода с к°хДО / CTOpOhM ЦОИТРЯЛ ЬН С ТО- ОРОГО

пектоода При погоужении этого г гии/а Б исследуемую жидкую среду и пропуска- контрол руемсгс nocTC H-joro РО величине тока через токовые электрода на обеих парах л-змерлтгпъных электродов возникает разность потенциалов которая обратно пропорциоиальнз удельной электропроводности среды

НедсстсГчОм устройства является не- РОЭПОХИОСТЬ 1.зуерен я улсгьной пектро- np030r4FOCT4 )члдчО оеаь- р vcnoati°x одно-семенного , тп ьсГ io.a от стороннего источнике

Известен гои актный дл изме- удельной электрической про одимо- ст ьоп ске°нг, аь|пг/,неи11 11 з чгле обрывного зочд обтекаемо со сквозным отьер т 1ем вдогьсси Внутри отверстия зяподяииэ с диэлектрической говеохносгью стек сч размещены три олыдевых электроде (крайние закорочены между собой) Принцип действия датчика основан на измсрр- ии сопротивления жидкости между крайними и центральны электродом, которое зависит от текуяг о зчачени удельной злектропоаводкос 1 среды,

стройстЕО специализированное и чо (змеррн/ 1 чз цоп скаетгя протекание тока через исследуемую жиакую сгед от стороннего источника тока Это искл:о«а- ет возможность измерения удепьгой злектtfj--- 1

р.проводности жидкой cpeai. s действующем агрегате с непрерывны i if отеканием есез жидкую соеду рабо .егс -;-ir; i- мер, в электролизной ванне,

При измерении в услоа,т,х дэйстз/.я стороннего источника часть , ст этого источника идет по участку срзрь1 между крайними электродами, а осмэз г, часть - по закоротке крайних электродов. Ток по закоротке может цостчгат. весьма больших значений, ч го создает .т/п-- ную поляризацию крайних эпектродов. Сопротивления электрике х iier.ei с замеру тока в жидкой рс; с от внутренне,о источника возрастают, ci i: тока уме. ется. При том же напряжении на электродах, создаваемом внутренним ис очнико, изменение сипы тока приведет к оы Сжс определения сопротивления, а зча11/т и удельной электропроводности уа%ц,сой среды. Принципиально измерение возможно было бы лишь при установке датчика строго перпендикулярно эквитоковым линиям стороннего источника Однако устройство не снабжено средством для измерзнут попо- жеиия (угла наклона) датчика ст оситрльы

ЭКВИГОКОВЫХ ЛИНИЙ СТОрОНРЭГП ИС С- 1 И; О

Отсутствуют средстве цлп . ii-,t СИрОВЭНИЯ ПОЛОЖенИЯ ДЭТЧИкГ 3 уСС .Г-,4/-

мой жидкой среде.

Наиболее близким потех- чза;ой сущности к предлагаемому являе.г уст ройс sc для измерения удельной зл8К .,г ровиднс- сти, содержащее дмэлечгричес -ую с дискообразными токовыми и сльца и измерительными электроламп, из кото/ два токовых и один из измеритель - - f тродов расположены внутри тр-ою , , :ва других - снаружи соответственно но,:, в .утренним чзмеоительным и ближе и м :, чему токовым электродом Тсковыаз; 9Х1 jcri.1 оззцелены изоляционной прочлг, и соединены г ежду собой через поел г д за те/юно включенные амперметр и резчстор. Наружные зпектроды in через первый регистратор напря чем я, a енутренний измерительный и . нему токовый электроды - через зтсрси р. гистратор напряжения. Устройство позволяет не только производить измсс°н/р жидкой среде в условиях воздействия чэ нее сторонних источников потока, по и использовать эти источники в процесс неверен и я. При измерении изме - я ют положение датчика, фиксируют урсйс;-ь с т нала по первому регистратору Добиог-ютсз такого положения датчика, при которое vpo- вень сигнала становится максимально, б найденном положении датчика измене.ие, сопротивления переменного резистора до.

ш

25

ОЭ

40

50

биваются совпадения показаний регистраторов напряжения. С помощьо амперметра измеряется ток. По току и напряжению на исспедуемом участке жидкой сэеоы и его известным геометрическим размерам находится удельная электропроводность жидкой спелы

Вггпслнсн 1 дгтч1л; я ча основе ьопро- точной трубки с мйисивно изоляиис .пой ррокладко 1 росередин° имеет ряд недо- статгсов 1 -зстногт, увелг/ ченмзя часса дд-чи: приводит к узел кекному охлзжде- г 1Ю 1,з ерясмоГ кид:;оГ среды и БОС pav Г и-с ---Ремэни измерения, ьеобхэ- дикому для прогоеэа датчика и спихения е о пчйи я на результаты измерег- я, Если ррбочоя темпеоог ра измеряемой жилкой среды иа.мно.о выше ее температуры ПЛЯЕПРКМЯ, тс и(-| границе дискообразних олектсодоз r. вероятно образование haciM.1. r&ti мсажа из р1 оталлизовав- ШРЧСЯ сред1-1 В подавляющем Ьол шинстсе случаев свойства жидкой сое- ды и образовавшегося из нее твердого вещества существенно рознятся. Например твердые сварочные флюсы АН-20, АН-8, АН- Ј и л явпяются практически неэлект- о irinn c i - Рри этом достовэрчость ю у т:, ч ои,ср„ эл&-лролро- aoA -:ocv-/ -измен/0 среды N-охет

Б311НО 2Ч1/:Ж-ТЬСЯ,

Р, je.opHOM испопьзоза-;ии с ле,1рсго 1г)сй юуи.ой можэт услсжчи ьоя лсоцес i одги.овии его к раозге, г.к, после спэльзозания датчика за счет яв- г.с-|Ия усг осорбции в углз пересечения сте- чс. . ч ччс..ообрдз Ь Х °г,9и;го дов одг1-, ф1,; /ир чз ться iar,re - /) соэ АЫ.

Если TGi jprrypo плЈвг -. ис еряе- i/iO i жиг, ой гоеды выше .ом темг.е- , то ппи охлах е 1 и отч N.ri--L эобразк- в о5оазсзг л гьч-сс vor/ .оистгализоьь.оя.

Рр погружении 1,атч/ ч а зку.о исче- pseMv/ 0 зоеч у псрерхьсст, д ско Зпэ -}- |ых электродов югут возникать зазду.ь е rporik H, сн/1жзк:1цие точнс ть з:ie,Nc /:п.

Ьепротсч -ая тоубка пзрекры- РЗЭ сс есгвс ный ток (г.п.- жэ.ме} i-ifcv Ото может сказываться HJ -смпера- ypv i хиг состьс мзмеояемсй спвъы е зн- с съеме, особенно п.;и зна-п тельно. тоо-е 1/;Е -хеииу) соеды.

С од,.ой сторг Чо1, дооюи -о, устро - стгз япляегст вг м мсность выгг некит /5- ,чере -(ия н -/дол :с / ялектропрсесднгсти s

JiO /i iX гРе ИС гВ,л пТОрОГНИУ ТСТОЧИ СС -CKt.. r jh-VX руГСЙ С ОрТ Ь , уГ-014 Т„ j

t. crir/wo o при -слчс: С С;. i.

этих источников. Если по производственной необходимости нужно произвести замер удельной электропроводности жидкой среды в промежутках между работой агрегата, когда сторонние источники тока от- ключены, то его выполнение известным устройством оказывается невозможным, так как питание его измерительных цепей осуществляется от тех же сторонних источников тока.

Целью изобретения является обеспечение работы в условиях отсутствия сторонних источников тока.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения удельной электро- проводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку с тремя кольцевыми электродами, один из которых располг- гается снаружи, а два - внутри заподлицо с поверхностью стенки трубки, регистратор напряжения, амперметр, переменный резистор, дополнительно содержит внутренний источник тока и выключатель, при этом наружный электрод и один мз внутренних электродов расположены посередине труб- ки, внутренние электроды соединены через регистратор напряжения, расположенные посередине трубки, наружный и внутренний электроды соединены через последовательно включенные выключатель, амперметр, источник тока и переменный резистор.

Удельная электропроводность определяется по формуле:

Ic

q kU ±U0

, см м

О)

где k

2S

- константа датчика, м

-1.

Ig - сила дополнительного тока от внутреннего источника тока, А;

U - суммарное п.адение напряжения между внутренними электродами, созданное токами от сторонних и внутреннего источников тока, В;

Do - падение напряжения между внутренними электродами, созданное током от сторонних, источников тока. В.

з формуле ставится для случаев U Uo, а - - для U Do.

Устройство позволяет производить измерение удельной электропроводности жидкой среды как при наличии, так и при отсутствии сторонних источников тока,

Дополнительный ток Ig от внутреннего источника тока протекает по жидкой среде от одного к другому электроду датчика, рас- положенным по поперечной оси симметрии трубки, например, от наружного к внутреннему. Ток от внутреннего источника, подходя к наружному электроду, разветвляется на две равные части. Половина тока идет по

15 0

5 0 5 0

5

0

5

0

5

жидкой среде вдоль наружной стенки трубки, обтекает один из ее концов, заходит йнутрь трубки и, двигаясь по внутреннему v : зстку жидкой среды в датчике, достигает снутремнего электрода, расположенного по поперечной оси симметрии трубки. Другая половина тока, двигаясь вдоль наружной стенки трубки, обтекает другой ее конец, заходит внутрь трубки м, двигаясь по внутреннему участку жидкой среды в датчике, также достигает электрода, расположенного по оси симметрии трубки,

Деление тока от внутреннего источника на две равные части, протекающие, соответственно, через первый и второй концы труб- км, а также стабильность тока, связаны со следующими обстоятельствами. Еспи в объеме жидкой среды, расположенной вблизи трубки датчика, удельная электропроводность и плотность тока от сторонних источников тока являются достаточно постоянными, то падение напряжения на участках жидкой среды равной длины, но различных площадей поперечного сечения, будут одинаковыми, Поэтому, несмотря на то, что токи от сторонних источников тока внутри и снаружи трубки датчика значительно отличаются друг от друга, падения напряжения от них в указанных условиях совпадают. В результате в обоих замкнутых контурах протекания токз от внутреннего источника тока будут добавляться пары разных и противоположно направленных падений напряжения от сторонних источников тока. Причем положение трубки датчика в жидкой среде относительно источников тока на равенство и противоположность направленности дополнительных падений напряжения влияния не оказывает. В самой трубке половина дополнительного тока протекает по одной половине участка жидкой среды, заключенной Б трубке, з другая половина дополнительного тока - встречно по отношению к первой по другой половине участка жидкой среды.

Падения напряжения, создаваемые данными токами на всем участке жидкой среды, заключенном в датчике, равны и противоположно направлены. В результате в сумме они не оказывают воздействия на ток от сторонних источников тока.

Половина дополнительного тока, прсг.и- кая по участку жидкой среды в половине трубки, создает на участке среды, заключенном-между внутренними электродами падение напряжения:

,

где Rp - электрическое сопротивление жидкой среды в трубке датчика на участке элек- тр: ческой цепи, расположенном ежду внутренними электродами.

Ток от сторонних источников создает на ;ом лее участке жидкой среды паденлэ напряжения:

U0 - I Rt

(3)

где I - сила тока от сторонних источников тока.

Общее падение напряжения на участке жидкой среды, располо i- ином в датчике между внутренними злектсодами,

U U0 ± Uq U0 + 4f R

о T п

(4)

Знак + соответствует случаю, когда U U0, а - - когда U Uo. Откуда

2 (U + и0)

У

JLJL

q S

It

2 ( U ± U0 )

(5)

е S - площадь поперечного сечения труб- ,л,

I- расстояние между электродами. Из формулы (5) получается формула (1).

Если измерение проводится при отсутствии сторонних источников тока, то i в формуле (3) равно нулю, а, значит, и величина Uo в формулах (5) и (1) тоже равна нулю. Это частный случай при использовании устройства. В более общем случае присутствуют и

ток I щ гок , а, значит, величины Uo и U

в формулах (5) и (1).

В формуле (4) и полученных на ее основе, формулах (5) и (1) знак - соответствует

In

согласному направлению токов i и -Ј- по

исследуемому участку жидкой среды в датчике, расположенному между внутренними электродами. Знак + соответствует случаю, когда ток I направлен встречно току

JJL

2

Величина тока I будет зависеть не только от самих сторонних источников, но и от угла поворота продольной оси симметрии трубки датчика относительно эквитоковых линий. Максимально возможное значение I при данных источниках тока и прочих равных условиях достигается при совпадении продольной оси симметрии датчика с направлением эквитоковых линий. Точность измерения электропроводности жидкой

среды будет зависеть от точности измерения регистратором напряжения величин U и Uo, а также силы тока Ig амперметром и геометрических размеров и S датчика. Ве- личина Uo определяется при разомкнутом выключателе S устройства, когда по участку жидкой среды в трубке между внутренними электродами протекает лишь ток I отсторонt-шх источников тока, а ток -J- отключен.

Напряжение U замеряется при включенном выключателе S, когда по тому же участку

протекает и ток I и ток -$- .

Внутренние электроды датчика служат для снятия падения напряжения с участка жидкой среды, расположенной в трубке между ними. Кроме того, внутренний электрод, расположенный посередине трубки,

участвует в передаче тока IQ едкой среде. Наружный электрод служит также для передачи тока Ig жидкой среде. Регистратор напряжения служит для замера напряжений Uo и U. Амперметр служит для замера тока

Ig. Выключатель S предназначен для обеспечения работы устройства в двух режимах: пр и отключенном S - в режиме замера U0 и при включенном S - в режиме замера U и lg. Источник тока позволяет создать ток lg в

исследуемом объеме жидкой среды. Переменный резистор R предназначен для ограничения величины тока lg устройства в режиме замера U и д.

Устройство позволяет производить измерение удельной электропроводности жидкой среды как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. При измерении на исследуемом участке жидкой среды фиксируется падение напряжения

от тока, создаваемого сторонними источниками тока, а также от суммы токов, создаваемых сторонними и внутренними источниками тока. Замеряется сила тока от внутреннего источника. По результатам замеров и известным геометрическим размерам исследуемого участка среды определяется ее удельная электропроводность.

Таким образом, сравнение заявляемого

решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные зле- менты широко известны. Однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, а также новое взаимное расположение деталей приводит к проявлению ими новых вышеуказанных свойств, позволяющих расширить функциональные возможности устройства. Это дает возможность сделать вывод о соответствии

предложенного технического решения критерию изобретений существенные отличия.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропооводности жидких сред.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из трубки 1, выполненной из изоляционного материала, двух внутренних 2 и 3 и одного наружного 4 кольцевых электродов, а также регистратор напряжения 5, выключатель 6 (например, тумблер), амперметр 7, внутренний источник тока 8, переменный резистор 9.

Внутренние электроды 2,3 располагаются заподлицо с внутренней поверхностью стенки трубки 1. Наружный электрод 4 может устанавливаться как на поверхности, так и заподлицо с наружной поверхностью трубки 1. Наружный 4 и один из внутренних электродов 3 располагаются посередине трубки 1. Внутренние электроды 2,3 соединены через регистратор напряжения 5. Рас- положенные посередине трубки 1 наружный 4 и внутренний 3 электроды соединены через последовательно включенные выключатель 6, амперметр 7, внутренний источник тока 8 и переменный резистор 9.

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

Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка выполняется из эбонита, полихлорвинила, фторопласта. При высоких агрессивности и температуре - из спеченного алунда.

Кольцеобразные электроды выполняются из 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.

Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12Х18Н9Т, при высокой агрессивности и температуре среды - из платины, карбида кремния.

Внутренний источник постоянного тока (например, гальванический элемент) обеспечивает максимальное значение дополнительного тока Igmax (0,05-0,1) А в условиях максимально возможного сопротивления жидкой среды между расположенными посередине трубки датчика, внутренним 3 и наружным 4 электродами.

Переменный резистор рассчитан на максимально допустимый дополнительный ток Igmax (0,05-0,1) А при условии мзксимально возможного сопротивления жидкой среды между электродами 3 и 4. Номинальное сопротивление резистора R определяется по формуле:

15

R Еа

0.05 -0,1

(10 -20) Eg, Ом,

(6)

где Eg - ЭДС внутреннего источника тока, В.

Увеличение дополнительного тока сверх (0,05-0,1) А ведет к активизаций поляризационных процессов на электродах 3 м 4

и понижению точности измерения (см, Ю.Я.Иоссель. Электрические поля постоянных токов. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - стр.59, 81).

Для помещения датчика в исследуемую

среду устройство снабжено штангой, например, в виде полого стержня (не показан), закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика. При необходимости стержень выполняется из жаростойкого и жаропрочного материалов, внутри него прокладывают соединительные провода.

Устройство работает следующим образом.

Выключатель 6 находится в отключенном состоянии. Движок переменного резистора устанавливают в положение, соответствующее максимальному значению его сопротивления,

Погружают датчик в исследуемую жидкую среду, по которой может протекать рабочий ток от сторонних источников тока (например, в электролитическую ванну). Производят отсчет величины UQ по показаниям регистратора напряжения 5.

Включают выключатель 6. По пока - нию амперметра 7, изменением сопротиэ- ления переменного резистора 9, добиваются значений тока lg (0,05-0,1) А.

Причем минимальное значение тока lg должно обеспечивать устойчивый характер измерения самого тока lg амперметром 7, а также величины напряжения U по показаниям регистратора напряжения 5.

Производят отсчет показаний ампер- ме, ра 7 и регистратора напряжения 5. Вы- кл-очатель 6 отключают. Датчик извлекают жидкой среды. Удельную электропроводность жидкой среды находят по формуле (1).

Во время измерения датчик в исследуемой жидкой среде должен оставаться не- подвижным, т.к. измерение должно выполняться при одном и том же значении тока сторонних источников.

При повороте датчика в жидкой среде на 180°, значение TQKOB I и lg не меняется. Однако направление токг в самой трубка датчика станет противоположным. Это требует смены знака в формуле (1).

Если по участку жидкой среды в трубке, расположенному между внутренними электродами, токи I и

k 2

протекают встречно,

то рекомендуется устанавливать такое значение тока lg, которое не допускало бы смену полярности напряжения на регистраторе напряжения 5. В противном случае рекомендуется использовать регистратор напряжения с нулевой средней точкой или со сменой полярности.

К достоинствам конструкции устройст- Ьа относится почти полное отсутствие взаи- и |Овлк5.ния токов от сторонних и внутреннего источников тока. Это обеспечивает достаточно высокую точность измерения.

Метрологические характеристики устройства получены при измерении растсора

20°С нормальной концентрации 0,1 Н. Результаты измерений приведены в таблице.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет расширить функциональные возможности устройства - осуществлять измерение удельной электропроводности жидких сред как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока.

Формула изобретения

Устройство для измерения электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку с тремя кольцевыми электродами, причем из них два токовых электрода расположены заподлицо с внутренней поверхностью диэлектрической

трубки, а измерительный электрод - снаружи диэлектрической труб т -,ъд одним из токовых электродов, регистратор напряжения, регистратор тока, переменный резистор, отличающееся тем, что, с целью

обеспечения работы при отсутствии сторонних источников тока, в него введены источник тока и выключатель, причем токовый электрод и размещенный над ним снаружи диэлектрической трубки измерительный

электрод размещены на поперечной оси трубки и соединены через последовательно соединенные выключатель, регистратор тока, источник тока и переменный резистор, а токовые электроды соединены через регистратор напряжения.

i

0

s к sr L-lij-c±3-