Устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

5 }УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ

I

Изобретение относится к исследованию электрофизических свойств растворов электролитов и может быть использовано в промышленной кондуктометрии в системах контроля различных химико-технологических процессов, связанных с переработкой электропроводящих жидкостей, для анализа сточных вод и загрязнений водных бассейнов, в океанологии, экспериментальной гидродинамике, в метрологической практике для построения образцовых средств измерений удельной электрн1ческой проводимости (УЭП) .

Известно устройство для измерения электропроводности потоков жидкости, содер хащее изолированный участок трубопровода с охватывающим его тороидальным трансформатором, два электрода, погруженные в жидкость, протекающую по трубопроводу, и установленные по обе стороны трансформатора; источник переменного напряжения, согласующий трансформатор, изПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

мерительный блок и регистратор. Принцип действия устройства основан на измерении сопротивления жидкости между электродани, которое зависит от значения УЭП исследуемой жидкоети 1.

Недостатками известного устройства являются низкая точность и чувствительность, ограниченные быстродействие и функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости, содержащее корпус с проточной трубкой, два тороидальных трансформатора, установленных снаружи проточной трубки аксиально ей, источник переменного напряжения с согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителп. Свлзь между измерительным и питающим трансформаторами осущег. п чс; рез жидкостный с изменяющеися УЭП 2 .. Однако данное устройство имеет низкую точность и чувствительность ограниченное быстродействие и ограниченные функциональные возможнос ти, а также большие габариты и слож ность конструкции. Цель изобретения - повышение чув ствительности, точности и быстродействия. Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения электропро водимости потоков жидкости, содерж . щем корпус с проточной трубкой, дв токоидальных трансформатора, устано . ленных снаружи проточной трубки ак сиально ей, источник переменного н пряжения с согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителя, проточная трубка корпуса снабжена двумя электродами, один из которых установлен у входного от верстия трубки внутри ее, а второй электрод размещен в конце трубки с переходом на наружную поверхность корпуса, при этом первый электрод связан с согласующим трансформатором,линией, проходящей между тороидальными трансформаторами, а входная -дифференциальная цепь усилителя, подключенная к выхрдным обмоткам тороидальных трансформаторов, выполнена в виде двух усилителей .преобразователей тока в напряжение Это позволяет сформировать две независимые чувствительные зоны, разнесенные по пространству с помои|ью электродов, соЗдать такие усло вия течения жидкости в зонах, Тфи которых одновременно измеряются неискаженная структура поля УЭП (крае вой эффект) и усредненное значение ЭУП ( эффект гидродинамического согл живания , дифференциально включить тороидальные трансформаторы с помощью двух усилителей - преобразователей тока в напряжение, а также ис пользовать электроды в роли жестког малогабаритного корпуса удобообтекаемой формы. Ма фиг.1 представлен первичный измерительный преобразователь устройства, общий вид; на фиг.2 - фун циональная схема устройства. Устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости (см. фиг.1) содержит удобообтекаемый герметичный корпус 1, погруженный в свободный поток 2, с проточной трубкой 3 и двумя аксиально расположенными в нем тороидальными трансформаторами f и 5, электрод 6, установленный внутри трубки 3, с выводом 7, пропущенным между трансформаторами 4 и 5 и электрод 8 с выводом 9, установленный в конце трубки 3 с переходом на наружную поверхность корпуса 1; согласующий трансформатор 10 (см. фиг.2), к вторичной одновитковой обмотке 11 которого подключены выводы 7 и 9 от электродов 6 и 8, а к первичной обмотке 12 подключен источник 13 переменного напряжения, два усилителя - преобразователя тока в напряжение 14 и 15, входы которых подключены к выводам трансформаторов Ц и соответственно, а выходы к дифференциальному усилителю 16, блок регистрации и управления 17, состоящий из последовательно присоединенных к выходу усилителя 16, детектора 18, усилителя 19 низкой частоты и исполнительного механизма 20. Устройство работает следующим об вазом. При погружении первичного измерительного преобразователя устройства в исследуемый поток 2 (см, фиг.1) корпус 1 с проточной трубкой 3 формирует жидкостный виток связи, охватывающий тороидальные трансформаторы 4 и 5. При приложении переменного напря) от источника 13 (см. фиг.2) через согласующий трансформатор 10 к электродам 6 и 8 в жидкости образуются два параллельных контура с токами 21 и 22 и, следовательно, последовательные, относительно оси трубки 3 (см. фиг.1), чувствительные зоны. Первая зона в районе входного отверстия трубки 3 на участке: передний край электрода 6, установленного на внутренней поверхности трубки.3, -.передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1. Вторая зона - внутри проточной трубки 3 на участке; задний край электрода 6 - передний край электрода 8 внутри трубки 3. При этом направление токов 21 и 22 (см. фиг.2) а трубке 3, стекающих с

5 .9

электрода 6 в чувствительные зоны, противоположное Два контура с токами 21 и 22 в жидкостном витке образуются за счет того, что только первый электрод 6 связан со вторичной обмоткой 11 согласующего трансформатора 10 вь1водом 7 (см. фиг.1) , пропущенным ме}хду тороидальными трансформаторами 4 и 5. Вывод 9 от второго электрода 8 не охватывает указанные трансформаторы и соединен со вторым концом вторичной обмотки 1 (см. фиг.2) трансформатора 10. Очевидно, что в однородном по УЭП потоке и равенстве между собой кондуктивных постоянных чувствительных зон, токи 21 и 22, протекающие по контурам, равны между собой и пропорциональны УЭП жидкости. В неоднородном по УЭП потоке (например, в турбулентном) чувствительная зона между передним краем электрода 6 и передним краем электрода 8 на наружной поверхности, корпуса 1 реагирует на мгновенное значение УЭП в локальном объеме потока перед входом в отверстие трубки 3, а вторая чувствительная зона внутри трубки 3 реагирует на осредненное во времени значение УЭП. Чувствительность к пульсации (пространственным локальным неоднородностям УЭП в потоке) обеспечивается за счет работы первичного измерительнвго преобразователя предлагаемого устройства на краевом эффекте. Для обеспечения этого эффекта передний край электрода 6 должен отстоять от входа в отверстие трубки 3 на расстоянии не менее 0,1 внутреннего диаметра трубки 3, а передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 должен отстоят от входа в отверстие трубки 3 на расстоянии 1-10 диаметров отверстия. Пространственная разрешающая способность (способность преобразователя различать малые локальные неоднородности УЭП в потоке) первой чувствительной зоны зависит от внутренИего диаметра трубки 3 и расположения передних краев электродов 6 и 8 относительно входа в трубку 3 Высокая точность измерения мгновенных значе. НИИ УЭП достигается фокусиров-анием Части сопротивления первой чувствительной зоны /пйрядка 50%) за счет значительной плотности тока непос- редственно перед входом в отверстие

56

трубки 3 (краевой эффект) и отнесение электродов из области максим ьной плотности тока (передний край электрода 8 на наружнрй поверхности корпуса 1) и активного гидродинамического воздействия потока 21 (передний край электрода 6 внутри трубки З)- Выбор конкретных расстояний передних краев электродов 6 и 8 относительно входа в отверстие трубки 3 и краев электродов 6 и 8 внутри . трубки 3 может широко изменяться в зависимости от целей и задач исследований, конструктивных требований и условий эксплуатации. Например, при использовании устройства в качестве измерителя турбулентных пульсаций передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 предпочтительно выносить за пределы краевой чувствительной зоны, ограниченной, в первом приближении, условной сферой с радиусом порядка 5 диаметров отверстия трубки 3 отюсительно ее края, а передний край электрода 6 предпочтительно устанавливать на расстоянии порядка 0,5 - 1 диаАетра внутреннего отверстия трубки 3 от входа в нее. Поскольку расположение краев электродов 6 и 8 определяет масштаб усреднения и кондуктивную постоянную первой зоны, то этим определяется и выбор расстояния не менее 1 диаметра отверстия трубки 3 между краями электродов 6 и 8 внутри трубки 3, определяющего значение кондуктивной постоянной второй зонь1. При расположении краев электродов 6 и 8 непосредственно вблизи края входного отверстия трубки 3 устройство ., предпочтительнее применять для исследования тонко-слоистой структуры жидкости, например при вертикальном зондировании океана, поскольку повышается способность первичного измерительного преобразователя различать более тонкие слои, неоднородные по УЭП. На основании изложенного регламентируется установка переднего края электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 на расстоянии 1-10 диаметров и переднего края- электрода 6 на расстоянии не менее 0,1 диаметра отверстия трубки 3 от входа 8 нее, а также расстояние не менее 1 диаметра между краями электродов 6 и 8 внутри трубки 3При работе устройства в потоке локальные концентрационные или тем7перэтурные неоднородности УЭП входя в краевую чувствительную зону, далее частично сносятся потоком вдоль образующей корпуса-1 и частично про никают в отверстие трубки 3. По мере прохождения линейного.участка от края входного отверстия трубки 3 до второй чувствительной зоны между задним краем электрода б и передним краем электрода 8 внутри трубки 3 пульсации скорости и УЭП затухают. Расположение второй чувствительной зоны внутри трубки 3 и ее диаметр выбираются такими, чтобы в ее сечении число Рейнольдса (Re), характеризующее режим течения жидкости ||ламинарный или турбулентный), было меньше критического. 42FOO, где V« скорость течения жидкости в трубке (V/ 41V, где V скорость набегающего потока); диаметр внутреннего отверстия трубки; кинематическая вязкость жидкости. При необходимости дополнительное сглаживание пульсаций внутри трубки 3 легко осуществить конструктивными мерами, например введением сгла живающей решетки, объединенной с электродом 6. Комбинированием расположения краев электродов б и 8 внутр 1 трубки 3, диаметра и формы трубки 3 можно выбирать необходимую пост.оянную времени второй чувствительной зоны с учето1М транспортного запаздывания жидкости в ней и .степени сглаживания пульсаций УЭП /(усреднение во времени) в трубке 3Удовлетворительное выполнение условия .Re/.27QO достигается yxfe прИ расположении заднего края электрода 6 на расстоянии порядка 5 диаметров внутреннего отверстия трубки 3 от входа в нее со стороны набегающего потока 2. Расположение электрода 8 внутри tрубки 3 с переходом на наружную поверхность корпуса 1 позволяет также практически полностью ис ключить влияние отрыва течения с ко пуса 1 на гидродинамическую обстановку в районе второй чувствительно зоны. 58 Обязательными условиями при измерении пространственно-временной структуры УЭП исследуемого турбулентного потока являются минимальные искажения поля пульсаций, вносимые корпусом 1 , независимость измерений от сноса и срыва потока 2, низкий уровень шумов гидродинамической породы. Это достигается в предлагаемом устройстве одновременно и во взаимосвязи локализацией чувствительных зон перед входом в отверстие трубки 3 и внутри нее, реагирующими на мгновенное и усредненное значения УЭП, приданием удобообтекаемой формы корпусу 1 (например, в виде эллипсоида вращения) , выбором формы внутреннего отверстия трубки 3 (например, в виде конфузора, а также диффузора, профиля Вентури и др.) . При выбранных расстояниях краев электродов 6 и 8 относительно друг друга и края входного отверстия трубки 3 удобообтекаемой формы корпуса 1 достигается как стабильность гидродинамической обстановки, так и стабильность поверхностных условий на электродах 6 и 8. Вместе с этим, расположение краев электродов 6 и 8 на корпусе 1 и внутри трубки 3 определяет выбор кондуктивных постоян ых чувствительных зон, которые должны быть приблизительно равными или, по крайней мере, одного порядка. Поэтому расстояние между задним краем электрода б и передним краем электрода 8 внутри трубки 3 должно быть не менее 1-го диаметра отверстия трубки 3 Высокая стабильность переходных сопротивлений на электродах 6 и 8 обеспечивается достаточно большой активной поверхностью электродов (не менее единиц квадратных миллиметров), подключением электродов 6 и8 посредством выводов 7 к одновитковой обмотке 11 (см. фиг.2) трансформатора 10, образованием двух параллельных контуров с приблизительно одинаковыми сопротивлениями в них, а также единым тепловым режимом электродов 6 и 8. При этом следует отметить, что два параллельных контура, каждый из которых охватывает соответствующие тороидальные трансформаторы t ,или 5, образуются при условии, если только один вывод 7 (см. фиг.1) от электрода 6 пропущен между трансформаторами k

9 .9

и 5. В результате такого включения электроды 6 и 8 образуют эквипотенциальную поверхность с самобалансирующими переходными сопротивлениями, обусловленными емкостями двойного электрического слоя, на краях электродов 6 и 8. Поэтому значения токов 21 .и 22 (см. фиг.2) , протекающих по каждому контуру, не зависят от состояния поверхностных условий на электродах 6 и 8, а целиком определяются значениями УЭП в соответствующих чувствительных зонах. Повышение точности и чувствительности в предлагаемом устройстве достигается за счет самокомпенсации по.стоянной составляющей {среднего значения УЭП), коррелированных помех электромагнитной и гидродинамичес-кой природы, сведения к минимуму влияния нестабильности источника питания, а также путем подключения к трансформаторам 4 и 5 двух усиз.ителей - преобразователей тока в напряжение 1Ц и 15, и решается за счет образования усилителями k и 15 дифференциальной входной цепи усилителя 16. При этом трансформаторы k и. 5 включаются в режим трансформаторов тока (режим короткого замыкания за счет низкого входного сопротивления усилителей - преобразователей 1 и 15 составляющего единицы Ом и менее), что, в «свою очередь, позволяет повысить отношение сигнал/шум на входах усилителей и 15 и стабильность коэффициентов передачи трансформаторов 4 и 5, исключить дифференцирование в трансформаторах и 5 сигналов сложной формы и умень шить влияние температурной нестабильности магнитной проницаемости при преобразовании сигналов в каждом канале.

Очевидно, что в однородной ереде при равенстве кондуктивных постоянных и коэффициентов передачи каждого канала сигнал на выходе усилителя 16 равен нулю. В неоднородном по УЭП потоке 2 на выходе усилителя 16 появляется разностный амплитудно-модулированный сигнал, который в блоке регистрации и управления 17 детектируется p8l, усиливается (19) и поступает на исполнительный механизм 20 (например, цифровой вольметр, спектроанализатор звуковой сигнализатор, система автоматического регулирования-и др.|

510

С помощью устройства обеспечивается измерение мгновенных, средних и пульсационных значений УЭП в широком амплитудно-частотном диапазоне как в трубопроводах, так и в свободном потоке. Следует также отметить простоту конструкции и малые габариты первичного измерительного преобразователя, достигаемые за счет использования электродов 6 и 8 как по прямому назначению, так и в качестве несущего жесткого корпуса. Малые габариты преобразователя, удобообтекаемая форма его тела позволяет устанавливать его практически в любь1х трубопроводах диаметром noj рядка 5 мм и более. Одновременно с этим существенно упррщается процедура периодической поверки и градуировки устройства в процессе эксплуатации. Для него не требуется приготовления больших количеств стандартных растворов, больших термостатированных объемов и применения нестандартного оборудования.

Изготовлен макет устройства со следующими характеристиками:

Корпус в виде эллипсоида диаметр вращения20 0 нм

Диаметр внутреннего отверстия трубки, мм 2 Два спаренных магнитопровода для каждого тороидального трансформатора М2000НМ1К 16-86

Расстояние от края входного отверстия трубки до второй чувствительной зоны, мм 20 Кондуктивная постоянная чувствительных зон, м 500 Напряжение и частота пи- 100 мВ, тания электродов 16 кГц Входное сопротивление усилителей - преобразователей менее тока в напряжение. Ом 3 Электродывыполнены из нержавеющей стали и выполняют также функцию, корпуса. Внутренний объем корпуса с трансформаторами заливают эпоксидным компаундом.Испытания проводятся в гидродинамическом стенде (скорость потока до 5 м/с, УЭП-2 См/м). Локальные неоднородности создаются путем впрыска в рабочий участок раствора повышенной концентрации или температуры.

Лабораторные испытания показывают, что устройство обеспечивает измерение средних значений УЭП в диаirпазоне 0,1 - 10 См/м с погрешностью не более 0,5%; измерение среднеквад ратических и мгновенных значений пульсаций УЭП в диапазоне 0,01 относительно фонового значения с погрешностью. 5 10% в частотном диапазоне до 5РО Гц; коэффициент подавления пульсаций внутри трубки (эффективность гидродинамического сглаживания) порядка 100 и масштаб пространственного осреднения 10 15 мм. Испытания устройства на долговременную стабильность его градуировочных характеристик показывают высокую стабильность поверхностных условий на электродах и кондуктйвных постоянных (не хуже 0,2% от номинального значения за 200 ч непрерывного нахождения преобразователя в солевой воде). Формула изобретения Устройство для измерения электро проводимости потоков жидкости, содержащее корпус с проточной трубкой два тороидальных трансформатора, ус тановленных, снаружи проточной труб5ки аксиально ей, источник переменного напряжения с Согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителяi отличающееся тем, что , с целью повышения чувствительности, точности и быстродействия, в нем проточная трубка корпуса снабжена двумя электродами, один из которых установлен у входного отверстия трубки внутри нее, а второй электрод размещен в конце трубки с переходом на наружную поверхность корпуса, при этом первый электрод связан с согласующим трансформатором линией, проходящей между тороидальными трансформаторами, а входная дифференциальная цепь усилителя, подключенная к выходным обмоткам тороидальных трансформаторов, выполнена в виде двух усилителей - преобразователей тока в напряжение. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент ФРГ № 1281567, кл. G 01 N 27/22, 1969. 2.Патент США fP 380б798, кл. G 01 N 27А2, 197 (прототип).