Чувствительный элемент измерителя элек-ТРОпРОВОдНОСТи Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к физике- химическому анализу и может быть использовано для работы в качествечувствительного элемента (.первичног преобразователя) в радиотехнической измерительной цепи устройства для определения удельной электропроводности (,УЭ) жидкости. Известен чувствительный элемент, который содержит тороидальную катушку для возбуждения в среде электр магнитного поля, а также приемнзпо тороидальную катушку. Измерительный эффект заключается в том, что наведенная в приемной катушке ЭДС пропор циональна УЭ среды Недостатками известного чувствительного элемента являются необходимость в громоздком магнитном экранировании устройства из-за высокой чувствительности приемной цепи к магнитным наводкам, в частности, к магнитному полю Земли, а также полям рассеяния в возбуждающей катушке; зависимость коэффициента связи между катушками от частоты питающего напряжения, что приводит к трудности при . использовании прецезионных балансных схем измерения, поскольку в генераторах синусоидальных колебаний всегда присутствуют высшие гармоники; слишком большой объем пространственного осреднения, поскольку используют такой режим измерения, когда ток через отверстия катушек не фиксирован, а пропорционален УЭ среды. Наиболее близкой к предлагаемому чувствительному элементу по технической сущиости является четырехэлектродная электролитическая ячейка, которая содержит средство для подвода электромагнитного поля к исследуемой среде и измерительные электроды С23. Недостаток указанной ячейки состо-. ит э негативном влиянии электролитической поляризации электродов на точность измерения, поскольку при протекании значительного тока через границу раздела фаз (металл-электролит) возникает, паразитный поляризационный импеданс (резистивно-емкостной) . Точность измерений, кроме того, снижается из-за загрязнения токовых электродов, а также, при определенных условиях, в результате выделения на них газообразных продук тов электрохимических реакций. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, Что в чувствительном элементе средство для подвода электромагнитного поля выполнено в виде тороидаль ной катушки, а измерительные электро ды расположены в отверстии катушки и разненсены в аксиальном направлении. Использрвание тороидальной катушк в качестве устройства для подвода электромагнитного поля к исследуемой среде позволяет снизить погрешность измерения благодаря отсутствию электрохимического взаимодействия металлических токовых электродов с электролитом. Тороидальную катушку используют в специфическом,впервые примененном режиме измерения,когда активное сопротивление среды меньше её индуктивного сопротивления. Имен но такой режим позволяет применить приемные электроды, использование которых, например, посравнению с приемной тороидальной катушкой обес печивает нечувствительность устройства к магнитным наводкам и полям рассеяния, что позволяет резко обле чить конструкцию из-за отсутствия необходимости в громоздких магнитных экранах; кроме того, нет частот нозависимого коэффициента трансформ ции, значительно меньше эффект близости, меньше пространственное осре нение, ниже порог чувствительности. На чертеже изображен предлагаемый чувствительный элемент. Чувствительный элемент состоит из тороидальной катушки 1, обмотку которой через клеммы 2 и 3 подключа к генератору синусоидального напряжения. В отверстие тороидальной катушки помещают приемные электроды 4 и 5, разнесенные в аксиальном направлении, которые представляют соб металлические поверхности, выступаю цне из изоляторов 6 и 7. Через клем 04 мы 8 и 9 электроды подключают к приемной цепи измерителя электропроводности жидкости. При протекании по обмотке тороидальной катушки электрического тока в среде также индуцируется электрический ток 10. При этом в пo| aвлянщeм большинстве случаев магнитной компонентной электромагнитного поля можно пренебречь. Элемент работает следующим образом. Индуцированный в среде электричесг кий ток 10 создает вдоль трубок тока (показаны на чертеже стрелками) падение напряжения, которое измepяюt с помощью приемных электродов. Измеренное падение напряжения пропорционально удельному сопротивлению исследуемой среды (величина обратная УЭ) при условии, что ток через отверстие катзппки мало зависит (в идеальном случае совсем должен не-. зависеть от УЗ среды.Такой режим измерения полностью аналогичен четырехэлектродной ячейке, поскольку протекающий через нее электрический ток (подводят токовыми электродами) максимально стабилизирован - так как только напряжение на приемных электродах пропорционально удельному сопротивлению «среды. Если на токовых электродах стабилизировано напряжение, то тогда ток, индуцированный в среде, при условии малости поляризационных явлений, пропорционален УЭ среды. Этот режим измерения на практике не исполь зуют из-за низкой точности, а его физический эквивалент реализуют с помощью двух тороидальных катушек, т.е. ток через отверстия обоих катушек пропорционален УЭ среды, а индуцированная в приемной катушке (поясРоrOBCKorojl ЭДС пропорциональна току через ее отверстие. Работу тороидальной катушки, помещенной в электр9проводную среду,можно оценить с помощью соотношения RTTT(u)L/R)5 где J - полный ток через отверстие катушки; и - потенциал соленоидного электрического поля, который получают из соотношения )-. (2) где Е - напряженность электрического поля; Ф - поток магнитной ивдукцни в сердечнике катушки,который охватывается контуром интегрирования, и выражается через геометрическ параметры катушки, величину тока че рез ее обмотку, частоту питающего н пряжения и, следовательно, это есть постоянная величина в процессе измерения;R - сопротивление исследуемой среды, которое обратно пропорционал но У:, т.е. 3 J . OJ - угловая частота тока через обмотку; L - индуктивность среды, зависящ только от геометрических параметров тороидальной катушки и магнитной пр ницаемости ее сердечника. Необходимо отметить, что I является паразитным параметром при измерении методом двух тороидальных катушек ..и, соответственно, накладывает ограничения на частоту тока через обмотку и геометрические размеры катушек. Если в (1) выполняется условие , то получают идеальный режим дпя измерения методом двух тороидал ных катушек, т.е. ток через отверстие катушки пропорционален УЭ среды . Если в О) выполняется услови , то получают идеальный режим измерения согласно изобретению, который по физической сущности аналогичен методу четырехзлектродной ячейки. В изобретении утилизируется И1одуктиБНость среды (паразитный параметр в методе двух тороидальных катушек) , что позволяет распррстранить работу устройства в область высокочастотных питаюощх напряжений, .стабилизировать ток через отверстие катушки, значительно снизить величину пространственного осреднения, уменьшить зффект близости (влияние близлежащих предметов и электроцепей на результат измерения) , снизить порог чувствительности. Дпя прд|стической реализации изо. бретения необходимо, чтобы параметр катушки и исследуемой среды удовлетворяли экспериментально установленно му соотношению jbij, U) В-г-Л (2) Здесь а абсолютная магнитная про-ницаемость магнитопровода катушки,, Гн/м; . 1А - угловая частота протекающего через обмотку тока, рад/с; R - радиус отверстия, м; г - радиальный размер сечейия магнитопровода, м; И - удельная электрическая проводимость среды, См м Если взять серийное ферритовое кольцо с R 2 , г - 10 м, Ju(j « Гн/м, запитать обмотку катушки током с угдовой частотой W ,3 10 рад/с, то для морской нормальной воды с 5 См м согласно условию 2 получается .HaWRr 3,3. Конструкция чувствительного элемента измерителя электропроводности жидкости по сравнению .с образцами аналогичного оборудования позволяет производить измерения УЭ с более высокой точностью. Формула изобретения Чувствительный элемент измерителя злектропроводности, содержащий средство для создания электромагнитного поля и измерительные электроды, тличающийся тем, что,с елью повьш1ения точности измерений, редство для создания электромагнитого поля выполнено в виде тороиальной катушки, а электроды располоены в отверстии катушки и разнесеы в аксиальном направлении. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Степанюк И.А., Унгерман М.Н., змерение температуры и солености орской воды на поисковых и промысовых судах. Мурманск, 1969, с. 44-50. 2.Лопатин Б.А. Кондуктометрия. овосибирск, 1964, с. 129-132 (проотип) .