Контактный датчик удельнойэлЕКТРичЕСКОй пРОВОдиМОСТи Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к гидрофизи ческим измерениям и может быть использовано для исследования тонкой стратификации вод океана, в экспери ментальной гидродинамике для измерений параметров турбулентности, в Метрологии в качестве образцового средства измерений пульсаций удельной электрической проводимости (УЭП) Известен контактный датчик для измерения вертикальных распределений УЭП (стратификации) вод океана, выполненный в виде обрывного зонда обтекаемой формы со сквознъм 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 зави сит от текущего значения УЭП среды tl . Транспортное запаздывание жидкост в чувствительный объем, низкая стабильность поверхностных условий на электродах и дрейф собственной ЭДС между ними не позволяет измерять малые приращения УЭП, .а также восприми мать пространственные неоднородности с масштабом менее единиц метров. Недостатки устройства - низкая точность и чувствительность, а также невозможность измерения пульсаций УЭП. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является контактный датчик для измерения УЭП, который содержит диэлектрическую проточную трубку с расположенными внутри кольцевыми электродами, токовый электрод в середине трубки, два заземленных токовых электрода вблизи открытых концов трубки, ifio два измерительных электрода с каждой стороны центрального токового электрода. При погружении датчика в исследуемую жидкость и пропускании постоянного по величине тока через токовые электроды на обеих парах измерительных электродов возникает разность потенциалов, которая пропорциональна УЭП среды н. Недостатками известного датчика, несмотря на удовлетворительную точность измерения средних значений УЭП в неподвижной жидкости, являются низкая точность измерения УЭП в водном потоке, низкая чувствительность и невозможность измерений в малом локальном объеме потока одновременно и средних и пульсационных значений УЭП. Расположение обеих чувствительных зон (имеется ввиду объем жидкости вблизи каждой пары измерительных электродов) внутри отверстия трубки обуславливает недостоверность информации о пространственной структуре неоднородностей УЭП в потоке, вызван ную гидродинамическими искажениями локальных неоднородностей при вхождении их в отверстие трубки. При этом приблизительно одинаковая гидродинамическая обстановка каждой пары измерительных электродов исключает возможность одновременного измерения в локальном объеме потока сред них и пульсационных.значений УЭП. Шу мы, вызванные нестабильностью и временным дрейфом собственной ЭДС изме тельных электродов, резкой неравноме ностью профиля средней скорости и и тенсивности турбулентных пульсаций скорости вдоль трубки снижают точность и чувствительность известного датчика к измерению средних значени УЭП. Таким образом, известный датчик имеет точность и чувствительность при измерении УЭП жидкости в потоке и не обеспечивает одновременного из мерения средних и пульсационных зна чений УЭП в турбулентных потоках. Цель изобретения - повышение точ ности и чувствительности измерений. Цель достигается тем, что в контактном датчике, один токовый элект род размещен внутри диэлектрической проточной трубки: передний край на расстоянии не менее 2 внутренних диаметров трубки, а задний край на расстоянии не менее 5 диаметров от концов трубки, второй токовый электрод размещен на внешней поверх ности конца трубки с переходом на е внутреннюю поверхность, при этом края электрода расположены: на внут ренней поверхности - на расстоянии не менее 3 диаметров внутренного от верстия трубки от ее конца, а друго край на наружной поверхности так же на расстоянии не менее 3 диаметров внутреннего отверстия трубки от ее начала, одна пара измерительных электродов размещена на внутренней поверхности трубки между токовьми электродами, а электроды другой пары размещены вблизи входного отверстия, один - на внутренней поверхности, а другой - на наружной повер ности трубки. Это позволяет локализовать чувст вительную зону датчика вблизи его входного отверстия со стороны набегающего потока, снизить искажение структуры потока телом датчика, использовать эффект гидродинамическог сглаживания внутри отверстия для осреднения пульсаций УЭП во времени, исключить влияние отрыва течения у выходного отверстия трубки, повысить стабильность поверхностных условий на электродах и изменить соотношения амплитуд сигналов, соответствующих средним и пульсационным значениям УЭП при дифференциальном включении пар измерительных электродов. На фиг. 1 представлен контактный датчик удельной электрической проводимости, общий вид; на фиг. 2 - схема включения электродов датчика. Датчик для измерения удельной электрической проводимости содержит диэлектрическую проточную трубку 1, токовый электрод 2 внутри трубки 1, токовый электрод 3 на внутренней и наружной поверхностях конца трубки 1, измерительные электроды 4 и 5 вблизи входного отверстия трубки 1, электрод 4 на внутренней поверхности трубки 1, а электрод 5 на наружной поверхности трубки 1, измерительные электроды б и 7 на внутренней поверхности трубки 1 между токовыми электродами 2 и 3, Электроды датчика 8 включены в измерительную цепь, которая содержит источник 9, подключенный к токовым электродам 2 и 3, измерительные усилители 10 и 11 с измерительными электродами 4, 5 и б, 7 на их входах, компаратор 12, на вход которого подключены выходы измерительных усилителей 10 и 11, последовательно подключенные к выходу компаратора 12 детектор 13, усилитель 14 переменного напряжения и регистр 15 пульсаций УёП (например, вольтметр среднеквадратических значений или спектроанализатор), переключатель 16, детектор 17 и регистратор 18 средних значений (например, вольтметр, самописец или ЭВМ, последовательно подключаемые к одному из выходов измерительных усилителей 10 и 11). Датчик работает следующим образом,. При погружении его в исследуемую жидкость и пропускании стабильного по амплитуде тока от источника 9 через токовые электроды 2 и 3 образуются две чувствительные зоны. Первая на участке между измерительными электродами 4 и 5 относительно входного отверстия трубки 1, а вторая - между измерительными электродами б и 7 внутри трубки 1. Очевидно, что в однородной по УЭП среде и равенстве между собой кондуктивных постоянных чувствительных зон разности потенциалов между парами электродов 4, 5 и 6, 7 равны между собой и пропорциональны УЭП жидкости, в турбулентной среде чувствительная зона между измерительными электродами 4 и 5 реагирует на мгновенное значение УЭП в локальном объеме потока перед входом в отверстие трубки 1, а вторая чувствительная зона между измерительными электродами б и 7 реагирует на осре ненное во времени значение УЭП. Чув ствительность к пульсациям (пространственным локальным неоднородносУЭП) обеспечивается в предлагаемом датчике за счет работы на краевом эффекте. Для обеспечения этого эффе та передний край токового электрода 2, расположенного на внутренней поверхности отверстия трубки 1, отсто от входа в отверстие на расстоянии не менее 2-х диаметров отверстия трубки 1, а передний край токового электрода 3 на наружной поверхности трубки 1. отстоит от входа на рассто |нии не менее диаметров отверстия. Выбор расстояний передних краев токовых электродов 2 и 3 относитель но входа в отверстие диктуется с од ной стороны конструктивными требова ниями, т.е. возможностью установки вблизи входного отверстия трубки 1 измерительных электродов 4 и 5 с пл щадью активной поверхности, достато ной для точных измерений УЭП. С дру гой стороны, обязательными условиям являются обеспечение высокой пространственной разрешающей способности и минимальных искажений структуры по тока, вносимых телом датчика. Доста точная стабильность поверхностных условий на измерительных электродах 4 и 5 достигается уже при площадях порядка 1-2 мм- и улучшается с увели чением их площади (5). Влиянием эффекта экранирования токовых электродов 2 и 3, зависящего от расстояния между измерительными и токовыми элек родами, практически можно пренебречь при расстоянии К между ними 1 0,7d где d - диаметр отверстия (5,6), что распространяется также на выбор активной поверхности электродов б и 7 и установку их относительно краев токовых электродов 2 и 3 внутри трубки 1. Пространственная разрешающая . способность датчика в основном зависит от расположения измерительных электродов 4 и 5 относительно края входного отверстия трубки 1. Чем бли же электроды 4 и 5 (соответственно и передние края токовых электродов 2 и 3) ко входу в отверстие и чем меньше диаметр отверстия, тем меньше го масштаба однородности УЭП могут быть обнаружены датчиком в потоке. Высокая точность измерений УЭП в ста тическом и динамическом режимах достигается за счет фокусирования подавлякнцей части (порядка 50% и более) сопротивления жидкости между измерительными электродами 4 и 5 непосредственно перед входом в отверстие трубки 1 (краевой эффект) и отнесения электродов из области максимальной плотности тока (электроды 3 и 5) и активного гидродинаьшческо- го воздействия потока (электроды 2,4) (7). Выбор конкрютных расстояний передних краев токовых электродов 2 и 3 (соответственно и расположение измерительных электродов 4 и 5) относительно входа в отверстие трубки 1 могут варьироваться в широких пределах в зависимости от целей и задач исследований конструктивных требований и условий эксплуатации. Требования к форме и размерам отверстия и самого датчика определяются, прежде всего, общими положениями теории гидродинамики, используемыми при разработке средств измерений флуктуации различных физических величин в турбулентных потоках. Основными из них являются: минимальные искажения структуры потока, независимость показаний датчика от скоса и срыва потока, удобооптекаемая форма тела датчика, и др. Приведем рекомендуемое расположение электродов 2, 3 и 4, 5 относительно входа в отверстие трубки 1 для двух основных режимов работы предлагаемого датчика. Например, при использовании датчика в качестве измерителя турбулентных пульсаций электрод 4 и передний край токового электрода 3 на наружной поверхности трубки 1 предпочтительно выносить за пределы краевой чувствительности зоны, ограниченной условной сферой с радиусом порядка 5 диаметров отверстия относительно входа и более . относительно входа в отверстие. Следует отметить, что при отнесении электрода 4 на расстояние 5 диаметров и более (соответственно при этом сдвигается и передний край токового электрода 3) размеры чувствительной зоны датчика уже практически не изменяется и масштаб его осреднения в основном определяется диаметром отверстия. При этом достигается минимальные гидродинамические искажения пространственной структуры потока и высокая стабильность поверхностных условий на электродах. При расположении передних краев токовых электродов непосредственно вб.шзи входа в отверстие датчик предпочтительнее применять для исследования тонкой стратификации (например, при вертикальном зондировании океана) поскольку повыается способность датчика различать боле тонкие слои, неоднородные по УЭП. Скорость течения жидкости в отерстии трубки 1 определяется прежде сего конструкцией самого датчика (формой отверстия носовой части,геоетрическими размерами отверстия) и ораздо меньше скорости набегающего отока. Неоднородность УЭП, воздейстующих на краевую зону, частично протекает в отверстие, где по мере прохождения линейного участка от края входного отверстия до чувствительной зоны между электродами б и 7 затухает. В первом приближении их затухание может быть вычислено как о X/d, где X - длина линейного участка, а d - диаметгр отверстия. Дополнительное сглаживание пульсаций в отверстии мож но получить за счет входному отверстию формы конфузора с различными коэффициентами поджатия, введением сглаживающих сеток. При этом необходи мо, чтобы число Рейнольдса (Re) в отверстии было меньше критического значения т.е. Re« 2700. На основании изложен ного целесообразно в общем случае зад НИИ край токового электрода 2 (см. фиг. 1) устанавливать на расстоянии не менее 5 диаметров отверстия от входа в отверстие трубки 1. Вместе с этим необ ходимо, чтобы явление отрыва течения не сказывалось на результаты измерений осредненного значения УЭП. Практичес ки полное исключение влияния срыва потока корме датчика на гидродинамическую обстановку в районе измерител ных электродов 6 и 7 достигается за счет установки края токового электрода 3 внутри отверстия трубки 1 на , расстоянии не менее 3 диаметров внут реннего отверстия трубки 1 от ее конца. При этом сопротивление участка; край электрода 3 внутри отверстия - конец трубки 1 достаточно для эффективного сглаживания пульсаций. Расположение электродов 6 и 7 относи тельно друг друга выбирается в зависимости -от кондуктивной постоянной первой чувствительной зоны (между электродами 4 и 5), т. е. сопротивление Жидкости между электродами 6 и 7 должно быть приблизительно равно сопротивлению жидкости между электро дами 4 и 5. При этом напряжение между электродами б и 7 пропорционально только среднему значению УЭП исследу мой среды и не зависит от наличия локальных неоднородностей при работе в турбулентных потоках. Стабильность поверхностных услови на измерительных электродах в предпо лагаемом датчике достигается, с одной стороны, за счет оптимального вы бора гидродинамической обстановки вблизи электродов и с другой - за счет подключения пар электродов. 4, 5 и 6, 7 к измерительным усилителям 10, 11 (соответственно) с высокими входными сопротивлениями (см. фиг.2) Амплитуды - модулированные сигналы, пропорциональные мгновенному и осредненному значениям УЭП, поступают на входы компаратора 12, работающего в режиме дифференциального усилителя и усиливающего только разностный сигнал. Датчик обеспечивает дифференциальное вк.гпочение пар измерительных электродов 4, 5 и б, 7, и, следовательно, повышение точности и чувствительности измерения за счет самокомпенсации в компараторе 12 среднего значения УЭП и паразитных сигналов, вызванных различными дестабилизирующими факторами (загрязнения, поме;хи, поляризация электродов и т.п.).Одновременно с этим за счет разнесения чувствительных зон при соответствующей гидродинамической обстановке в них. резко улучшается соотношение сигналов, соответствующих средним и пульсационным значениям УЭП. В результате дифференциального включения пар электродов 4, 5 и б, 7 на вход детектора 13 поступает напряжение пропорциональное только пульсациям УЭП, которое после детектирования и усиления низкочастотньям усилителем 14 (например, с полосой пропускания 0,2-200 Гц) заводится на регистратор 15. Напряжение, пропорциональное только среднему значению УЭП и снимаемое с выхода измерительного усилителя 11 после детектора 17 поступает на регистратор 18. Требуемое соотношение сигналов на входах компаратора 12 (выбирается в зависимости от глубины модуляции сигналов) контролируют по регистратору 15 средних значений путем поочередного переключения выходов измерительных усилителей 10 и 11 ключом 16 на канал средних значений. Вместе с этим при подключении канала среднего значения к выходу усилителя 10 и достаточном быстродействии регистратора 15 можно измерить пульсации с большими амплитудами. Следовательно, реализация в датчике двух чувствительных зон и дифференциальное включение пар измерительных электродов позволяет обеспечить возможность одновременного измерения и средних и пульсационных значений УЭП в турбулентном потоке. Таким образом, данный контактный датчик удельной электрической проводимости позволяет решить задачу одновременного измерения в локальном объеме стока средних и пульсационных значений УЭП в широком амплитудночастотном диапазоне, повысить точность и чувствительность измерений (приблизительно в 2-3 раза в сравнении с датчиками назначения). Формула изобретения Контактный датчик удельной электрической проводимости, содержащий диэлектрическую проточную трубу обтекаемой формы, с двумя токовыми и двумя парами измерительных электродов, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности .измерения, один токовый электрод размещен на внутренней поверхности диэлектрической трубки так, что передний край электрода находится на расстоянии не менее двух внутренних диаметров трубки от ее входа, а задний край - не менее пяти внутренних диаметров от ее выхода, второй токовый электрод размещен на внешней поверхности трубки на расстоянии трех внутренних диаметров от входа трубки с переходом на ее внутреннюю поверхность на расстояние не менее трех внутренних диаметров от ее выхода, кроме того, одна пара измерительных электродов размещена

на внутренней поверхности трубки между токовыми электродами, а электроды другой пары размещены у входного отверстия трубки: один на внутренней поверхности, другой на ее наружной поверхности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3549989, кл. G 01 N 27/42, 1970.

2.Патент ФРГ № 2617007,

кл. G 01 N 27/07, 1977 (прототип).

Фиг.1

Фиг. г