Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред Советский патент 1993 года по МПК G01N27/07 G01N27/42 G01R27/22 

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

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности, выполненное в виде диэлектрической трубки, в которой расположены заподлицо с внутренней поверхностью три кольцеобразных электрода, двух регистраторов напряжения, магазина сопротивления и многопозиционного переключателя, причем первый и второй регистраторы напряжений соединены соответственно между первым и вторым, вторым и третьим электродами, а магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, которые соединены последовательно, подключены к второму регистратору напряжения. Падение напряжения U на первом участке исследуемой жидкой среды фиксируется первым регистратором, а падение напряжения Ui на общем сопротивлении В0бщ двух параллельных электрических цепей - таком же втором участке исследуемой жидкой среды и установленным с помощью многопозиционного переключателя сопротивлении RH из магазина сопротивлений вторым регистратором. Так как сопротивление RH точно известно, а токи на первом участке жидкой среды и общем сопротивлении Р0бщ одинаковы, то по известным геометрическим размерам первого и второго участков жидкой среды и фиксируемым напряжениям определяется удельная электропроводность жидкой среды.

Недостатками известного устройства является невозможность измерения удель- : ной электропроводности среды с высокой удельной электропроводностью.

Через магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель протекает силовой ток, создающий на подводящих проводах достаточно большое падение напряжения. При измерении высокой удельной электропроводности жидкой среды, например расплавов, электрическое сопротивление подводящих проводов может оказаться не только соизмеримым, но и много выше электрического сопротивления второго участка исследуемой жидкой среды. Даже при полностью выведенном из электрической цепи магазине сопротивлений не соблюдается рекомендация Ui (0,,4)U. Величина напряжения Ui мало отличается

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

от U. Точность определения удельной электропроводности исследуемой жидкой среды по. формуле

ч к Щ-и Т См-мИ ™

резко падает. Она зависит от разности U-Ui в знаменателе формулы (1). Если эта разность мала, то величина ее может оказаться соизмеримой с точностью измерения напряжений в самих регистраторах напряжения. В знаменатель формулы при этом подставится помеха. Учитывая, что длины отходящих от датчика проводов достигают нескольких метров, измерение устройством высокой удельной электропроводности исследуемых сред оказывается невозможным.

При измерении высокой удельной электропроводности в локальных объемах жидких растворов и расплавов и малой плотности тока на отходящих от датчика проводах наводится помеха, которая в условиях малых значений полезного сигнала приводит к существенному искажению фиксируемого сигнала. Чем на меньшее значение уровень полезного сигнала отличается от уровня помехи, тем значительнее искажение. Отсутствие экрана на отходящих проводах затрудняет процесс измерения высокой, удельной электропроводности жидкой среды.

Наличие в устройстве проводов с силовым током, проходящих через жидкую среду, приводит к возникновению вокруг них значительного электромагнитного поля. Это поле взаимодействует с электромагнитными полями, создаваемыми током жидкой среды. Это приводите смещению эквитоко- вых линий в трубке датчика и частичному нарушению равномерности распределения плотности тока в трубке. В результате возрастает электросопротивление участка жидкой среды между внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами в трубке датчика. Измеренная величина удельной электропроводности жидкой среды оказывается заниженной.

Цель изобретения - повышение точности измерения устройством высоких удельных электропроводностей исследуемых сред.

Цель достигается тем, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены первый, второй и третий электроды, первый и второй регистраторы напряжения, отличающееся тем, что первый и второй электроды выполнены в виде сплошных дисков, введена электропроводная вставка с постоянным

эталонным электросопротивлением, расположенная между первым и вторым электродами, при этом первый электрод соединен через первый регистратор напряжения с вторым электродом, который соединен через второй регистратор напряжения с третьим электродом.

Удельная электропроводность определяется по формуле

q к . Ui /-.. ....-1

#

U2

м

(2)

где K константа датчика, См

Кь о

Ui - падение напряжения на электропроводной вставке, В;

U2 - падение напряжения на участке жидкой среды датчика, расположенном между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом В;

I - расстояние между измерительным электродом м ближайшим к нему токовым электродом, м;

S - внутренняя площадь поперечного

сечения трубки, м

2.

RB - электрическое сопротивление вфгавки, Ом

Устройство позволяет не только производить измерение в жидкой среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использовать эти ис- точники в процессе измерения. Оно дает возможность измерить удельную электропроводность жидких сред не только с низкой, но и с высокой Удельной электропроводностью, производить изме- рение в условиях действия как сильных, так и слабых сторонних источников тока. Сопротивление вставки датчика известно и постоянно. Падение напряжения на ней пропорционально току, протекающему внутри трубки датчика как по самой вставке, так и по заключенной в трубке жидкой среде. Падение напряжения между измерительным электродом и ближайшим к нему тфковым электродом обратно пропорцио- нйльно удельной электропроводности среды. По известным падению напряжения, тбку и геометрическим размерам этого участка жидкой среды определяется удельная электропроводность среды.

Для предотвращения значительных колебаний величины сопротивления от температуры резистор выполнен из материала с сопротивлением, мало зависящим от темпе1 ратуры. Это необходимо ввиду того, что тем- пература резистора может,несколько меняться, так как он помещается внутрь датчика. Датчик погружается в исследуемую , среду, теМпература которой, во-первых, не

10

15

20

25

30 35 40 45 50

фиксируется, во-вторых, может меняться. Подстановка в формулу (2) величины электросопротивления вставки RB не должна вносить значительных дополнительных погрешностей в величину оценки удельной электропроводности жидкой среды. Величина должна оставаться достаточно постоянной в условиях колебания температуры вставки/Поэтому вставка выполняется из материала с сопротивлением, мало зависящим от температуры.

Резистор в отличие от прототипа помещается внутрь трубки датчика и выполняется в виде электропроводной вставки. За счет перРМбщения резистора внутрь датчика исключаются отходящие от датчика провода с силовым током. При этом сопротивление участка электрической цепи между токовыми электродами известного устройства снижается. Так как в известных пределах изменение температуры вставки не оказывает существенного влияния на ее -сопротивление, то, таким образом, одновременно устраняется влияние температуры на сопротивление подводящих проводов и, следовательно, колебание тока в трубке.

В отличие от прототипа отсутствие проводов с силовым током, проходящих через жидкую среду, устраняет влияние возникающего вокруг них электромагнитного поля на равномерность распределения плотности тока в трубке. Тем самым обеспечивается, более высокая точность измерения удельной электропроводности жидкой среды.

Для устранения наводок на провода, отходящие от датчика к регистраторам напряжения, они помещаются в заземленный экран с диэлектрической оболочкой.

Ввиду отсутствия силовых проводов с большим поперечным сечением конструкция предлагаемого датчика устройстёа более компактна.

В предлагаемом устройстве сила тока находится по известным значениям Ui и RB:

А

RB

(3)

Электрическое сопротивление на участке жидкой среды, расположённой между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом,

В - Ј А. Ом, (4) q о

где q - удельная электропроводность жидкой среды, См м

,-1

Откуда

R -S

См м

-1

(5)

По закону Ома для участка цепи, расположенного между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом,

U2

R

Ом.

(6)

Так как сила тока на электропроводной вставке и на участке, расположенном между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом, одинаковые (по- 10 следовательно соединенные элементы), то подставив выражение (3) в формулу 6 и далее в уравнение (5), получаем формулу (2).

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, 15 что введенные элементы широко известны, Однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, а также новое взаимное-расположение деталей приводит к проявлению ими новых выше- 20 указанных свойств, позволяющих повысить точность измерения высокихудельных элек- тропроводностей исследуемых сред.

На чертеже представлена функциональная1 схема устройства для измерения удель- 25 ной электропроводности жидких сред.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из трубки- 1, выполненной из изоляционного материала, электропроводной вставки 2, выполнен- 30 ной из проводника 1-го рода с независимым от температуры и известным сопротивлени- ем,токовых электродов 3, внутреннего кольцевого измерительного электрода 4, а также экранированных соединительных проводов 35 в диэлектрической оболочке с заземлением экрана 5 и регистраторов 6 и 7 напряжения (например, многопозиционных цифровых вольтметров).

Диэлектрическая трубка датчика выпол- 40 няется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой, жидкой среды. При высокой температуре среды материал труб- ки должен обладать жаропрочностью, а при 45 повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью либо жаростойкостью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, при высокой агрес- 50 сивности и температуре - из фарфора, керамики, кварца,спеченного алунда..

Электропроводная вставка выполняется из проводника 1-го рода с.известным электрическим сопротивлением, мало зави- 55 сящим от температуры: в первую очередь - это манганин при температуре жидких сред до 250-300°С, для бол ее высоких темпера- ,- тур жидких сред (до 450-500°С) - констан- но,

тан и вать дини уров ный соста стан низк жидк вать ний агрес

в ви собо посл ся ди лени

из од ропр пове тель сред рочн сти с жаро зова

дине в сво 6 нап ближ реги

сред мер, пока спос необ жаро ропр .клад

каль прот роли ютс напр ная ходи прос лы (2 пров RB п

/. шен

10

1520

25

3035

40 45 50 55 ,- но,

тан и фехраль. Не рекомендуется использовать константан в контакте с медными соединительными проводами из-за высокого уровня в контакте термоЭДС. Температурный коэффициент сопротивления при 20°С составляет для манганина (3-6}х10 5, для кон- стантана , фехраля . Для низк.ой температуры и агрессивности жидкой среды рекомендуется использовать материал эталонных электросопротивлений манганин. Для высокотемпературных и агрессивных сред - фехраль.

Вставка может выполняться сплошной, в виде втулки, стержня или представлять собой стандартный постоянный резистор. В последнем случае существенно расширяется диапазон возможных значений сопротивлений вставки.

Кольцеобразный электрод выполняется из однородного материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной Стойкостью либо жаропрочностью. Например, может использоваться сталь 12Х18Н9Т.. Концы электропроводной вставки 2 соединены с токовыми электродами 3, которые,- в свою очередь, соединены через регистратор 6 напряжения, а измерительный электрод 4 и ближайший к немутоковый электрод3-через регистратор 7 напряжения.

Для помещения датчика в исследуемую среду устройство снабжено штангой (например, в виде полого стержня - на чертеже не показано), закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика, При необходимости стержень выполняется из жаростойкого либо жаропрочного неэлектропроводного материала. Внутри него,про,- .кладываются соединительные провода.

Устройство работаетследующим образом.

Датчик погружают в исследуемый локальный объем жидкой среды, по которому протекает рабочий ток (например, в электролит гальванической ванны). Регистрируются показания регистраторов 6 и 7 напряжения, соответственно Ui и U2. Удельная электропроводность жидкой среды находится по формуле (2). Процесс измерения прост и занимает мало времени. Из формулы (2) следует, что при постоянной электропроводности жидкой среды q с увеличением RB пропорционально увеличивается отноUi „

. Поэтому если априорно извест/. шение

U2

ЧТО RB

R, то это приводит к

неравенству Ui« U2 и для повышения точности измерения удельной электропроводности жидкой среды требуется либо повысить чувствительность регистратора 6 напряжения, либо увеличить RB. При измерении высокой удельной электропроводности жидких сред рекомендуется меньшее значение RB. а при измерении низкой удельной электропроводности - большее. Целесообразно стремиться к выполнению соотношения RB R. Определение RB возможно методом вольтметра-амперметра, т.е. пропусканием измеряемого тока по вставке от независимого источника через подводящие провода и измерением на вставке образующегося падения напряжения. RB находится по закону Ома для участка цепи.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении удельной электропроводности раствора КС концентрации 0,1 Н при 20°С при пропускании через раствор тока малой плотности и ртути при 20°С. Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что при достаточно малых значениях удельной электропроводности жидкой среды точность измерения заявляемым устройством и прототипом соизмерима. Для

жидкой среды с высокими значениями удельной электропроводности устройство- прототип непригодно, в то время как заявляемое устройство обеспечивает

достаточно высокую точность измерения.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения высоких уровней удельной электропроводности сред в условиях действия слабых сторонних источников тока.

Формула изобретения Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены первый, второй и третий . электроды, первый, второй регистраторы напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения высоких удельных электропроводностей, оно снабжено электропроводной вставкой с постоянным эталонным электросопротивлением, расположенной между первым и вторым электродами, которые выполнены в

виде сплошных дисков, при этом первый электрод соединен через первый регистратор напряжения с вторым электродом, а он, в свою очередь, через второй регистратор напряжения - с третьим электродом.

Использование: в измерительной технике для измерения удельной электропровод- нбсти жидких растворов и расплавов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока, в том числе в локальных объемах жидких растворов и расплавов с высокой удельной электропроводностью. Сущность изобретения: устройство содержит диэлектрическую трубку 1, два токовых электрода 3 и. измерительный электрод 4. Введение электропроводной вставки 2 с .постоянным эталонным сопротивлением между двумя токовыми электродами, выполненными с виде сплошных дисков, и соединение между собой электродов через, регистраторы 5, 7 напряжения позволяют повысить точность измерения высоких удельных электропроводностей. 1 табл. 1 ил.

Прототип 28,16 10-

Заявляв- 28.26. ID 6 17.10иэе

Прототип 28,26 Ю-6 17

2,72-10

500 0,li078 -o.iszjiui,i°/ , .

10 -1C -ЮЫО 5|,0 й-10&нст гаке-нет иэие