Устройство для измерения электропроводности жидкости Советский патент 1978 года по МПК G01N27/02 

1

Изобретение относится к области физикохимических исследований и может быть использовано для измерения электропроводност в потоках жидкости, в океанологии при исследовании мелкомасштабной структуры течений, при исследовании вертикального распределения стратифицированных слоев в океане.

Известны устройства для измерения электропроводности жидкости Ll, содержащие зонды обтекаемой формы с одним или двумя платиновыми электродами. Малая площадь электродов в зоне контакта с исследуемой средой позволяет сконцентрировать 9О% сопротивления зондов в очень малом объеме вблизи микроэлектродов и тем самым измерять локальные неоднородности удельной электропроводности в потоке с высокой пространственной разрешающей способностью.

Однако известные устройства имеют высокую погрешность измерения, которая обусловлена приэлектродными явлениями, воэникаюшими на межфазной границе электродэлектролит.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения электропроводности жидкости 2, содержащее диэлектрический капилляр, соединенный с системой всасывания, два электрода, установленных внутри и снаружи капилляра.

К недостаткам известного устройства можно отнести невысокую точность измерения, так как чувствительная зона не сфокусирована в малом объеме жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается за счет установки внутреннего электрода от входного отверстия капилляра на рассто51нин 0,25-0,5 его диаметра, а наружный элек-ррод - на расстоянии не менее трех диамеров диаметра капилляра.

Работа устройства основана на краевом эффекте.

Для обеспечения этого эффекта внутри . капиллярного канала заподлицо с поверхност установлен трубчатый электрод, отстоящий от входа в капилляр на 0,25-0,5 его ди&метра. Чзгвствительная зона в этом случае определяется обпасгью существования градиента плотности тока и ог-ракичена, в первом приближении, сферической оболочкой, охватывающей объем жидкости, прилегающей к капилляру, радиус которой равен деся ти радиусам капилляра. Доля сопротивления, сосредоточенного в краевой зоне, составляет не менее 5О% попного сопротивления преобразователя. no3TOf4y, для того чтобы устройство реагировап-о иа единичную локал ную неоднородность, достаточно, чтобы она полностью или частично вошпа в контакт с указанной зоной. Наружный электрод установлен на расстоянии не менее трех диамет ров диаметра капилляра от входного отверстия. Такое соотношение позволяет сконцентрировать не менее 90% полного сопротивле ния жидкости между электродами в малом объеме жидкости. На чертеже изображено устройство для изк-герения электропроводности. Устройство содержит диэлектрический капилляр 1, внутренний 2 и наружный 3 электроды, гидравлический демпфер 4, замк нутую полость 5, держатель 6 с уплотнител ны.и кольцами 7, ловителями 8, разъемом 9 и выводами 10, Устройство работает следующим образом держатель 6 с помощью разъема 9 стыкует ся через, со&динительный кабель с измерительной схемой. Для герметизации служат уш/отнительные кольца 7 и ловители 8. При погруженни ус1ройстБа в жидкость ( при сухой замкнутой попости 5) происходит час тичное заполнение капилляра 1 до тех пор, пока давление воздуха в замкнутой полости 5 не уравновесит внешнее гидростатическое даваение. По мере повь щения давления на входе капилляра (например, при вертикальном зондировании ипк увеличении ско рости набегающего потока) ж.идкость протекает через капилляр в замкнутую полость 5 пока не произойдет вьгравнивание давлений. Выбранное соотнощение объемов капилляра V и замкнутой полости Vj (.10V) обеспечивает полное заполеи.ие жидкостью капилляра и части объема замкнутой полости 5 сразу после погружения. Так как сжимаемость воздуха в 20000 раз больше, чем воды то избыток давления, возникающи на входе капилляра будет совершать работу сжатия воздуха, а следовательно, будет происходить быстрое заполнение как капилляра , так Е замкнутой полости, при выбран ном соотношений объемов. Для сглаживания возможных пульсаций давления и скорости на входе и в отверстии капилляра 1, вызываемых флуктуациями воздущкого пузыря в замкнутой полости 5, в отверстии капилляра,1, на расстоянии не менее одного диа метра капилляра от замкнутой полости 5, установлен гидравлический демпфер 4, представляющий собой диафрагму с отверстием, диаметр которого равен 0,1-О,3 диаметра внутреннего отверстия капилляра, что достаточно для обеспечения высокого гидравлического сопротивления диафрагмы и, следовательно, эффективного сглаживания пульсаций давления и скорости передаваемых ко входу капилляра со стороны замкнутой полости 5. При включении устройства в измерительную цепь измеряемое сопротивление жидкости между внутренним 2 и наружным 3 электродами фокусируется в канале отверстия диэлектрического капилляра 1, ограничепного плоскостью сечения через начало внутреннего электрода 2 и плоскостью сечения ч-ерез край входного отверстия, а также вблизи входного отверстия капилляра 1 со стороны набегающего потока, При этом сопротивление объема жидкости в капилляре 1 приблизительно равно сопротивлению объема жидкости вблизи входного отверстия, обусловленного краевым эффектом капилляра. Полное сопротивление жидкостиТ между Бнутренним 2 и наружным 3 электродами, которое состоит из сопротивления объема жидкостиЯц, сосредоточенного во внутреннем отверстии капилляра 1 между плоскостью сечеш я через начало внутреннего электрода 2 и плоскостью сечения через край входного отверстия капилляра 1, а также сопротивления растекания К (краевой эффект) объема жидкости омывающего капилляр 1 и наружны.й электрод 3, В общем виде можно записать -(1) Сопротивление отверстия капилляраR определяется по формуле де Зе - удельная злектропровод,.мость жидкости;. 6 - длина участка капилляра от начала входного отверстия до начала внутреннего электрода; f - радиус внутреннего отверстия капилляра. В силу математической аналогий потениальных полей различной физической прироы для каждого из них можно указать анаог электрической емкости. Так, для расета сопротивлений одиночных проводников алых, по сравнению с проводящей средой, размеров можно воспользоваться формулами для расчета электрической емкости. Увеличение сопротивления SK, вызванное краевым эффектом (сопротивление растекания) ) можно определить следующим образом: если капилляр 1 с электродами 2 и 3 погрузить в безграничную однородную сред с удельной эпектропроводимостью ЗЕ , то сопротивление между круговым диском (плоскость сечения входного отверстия капипляра) с радиусом и сферической оболочкой радиусом , охватывающей капилляр со стороны входного отверстия, можно определить по формуле ii КЗ Л.-ЯР. I 9ъТЬ 1) кэ 4--эе 2г ifh 00 уравнение (3) примет вид: Кэсю Q-X. Р которое определяет сопротивление растекания кругового диска в безграничной электр проводящей среде. Эффективную зону краево го эффекта определим как сферу, радиус которой ограничен ( 0,90-0,95)кэсоРассмотрим сопротивление объема ж кости, расположенного вне сферы радиусом агк которое определяется по формуле кэ 4.11acqr (5) Для того, чтобы сопротивление рассредоточенное вне зоны действия краевого эффекта, определяемого радиусом сфер агк, составляло 5% от сопротивления сосредоточенного внутри сферы, необходимо, ч бы удовлетворялось следующее неравенство 41 Эео|г «к Из неравенства (6) следует, что для обеспечения Р 0,95 кэ« необходимо, чтобы а / 13, а для случая-Кцэ О.ЭО а 7, Таким образом, для обеспечения условия 0,9 0-О,О 5) Ккэое значение а лежит в пределах от 7 до 13 и уравнение (3) для расчета эффективной зоны краевог эффекта примет вид (z for;;/Подставив (2) и (7) в уравнение (1) получим выражение для расчета сопротивлени эффективного объема жидкости между вну1 ренним и наружным электродом 2.. --. ж -эсТТрг Анализ уравнения (8) показывает, что для того,чтобы сопротивление краевого эффекта в объеме жидкости, ограниченном с одной стороны плоскостью сечения входного отверстия, а с другой - сферой с радиусом 1О f составляло порядка 0, , следз ет выбирать в пределах (0,25-0,5)d|(, Для исключения влияния на чувствительную зону наружного электрода, его следует располагать на расстоянии не менее трех Оц от края входного отверстия капилляра. Изобретение, по сравнению с известным, позволяет: - в два-три раза повысить точность измерения за счет фокусирования чувствительной зоны вблизи входного отверстия капилляра, минимального искажения структуры, потока, снижения уровня электрохимических и гидродинамических щумов. Формула и 3 о б р е т е ft и я Устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее диэлектрический капилляр, соединенный с системой всасывания, два электрода, установленных внутри и снаружи капилляра, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повыщения точности, внутренний электрод установлен от входного отверстия капилляра на расстоянии О,25-О,5 его диаметра, а наружный электрод - на расстоянии не менее 3 диаметров диаметра капилляра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Journal of Fluid Mechanics, у. 16, Part 3, 1963, p. 357-364. 2. Патент США № 3748899, кл. 73-17, 1973.