Устройство для определения параметров электропроводного взвешенного слоя Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам по определению параметров взвешенных слоев.

Известно устройство, содержащее вертикальный ряд изолированн{з1х, плотно прилегающих друг к другу электродов, диаметром 0,2-0,3 мм с. неизолированными торцевыми частями, смещенными друг относительно друга, причем расстояние между верхним и нижним электродами перекрывает возможные колебания уровня, быстродействующий коммутатор, предварительный усилитель и два шлейфовых гальванометра причем электроды с неизолированными торцевыми частями через коммутатор, предварительньй усилитель и один из шлейфовых гальванометров соединены с землей (металлический корпус пенного аппарата заземлен) , а другой шлейфовый гальванометр имеет вспомогательную электрическую связь с быстродействующим коммутатором l.

Однако известное устройство требует ручной обработки осциллограмм, так как только один сигнал с самого верхнего электрода несет информации о высоте слоя в данный момент и

автоматизировать обработку непосредственных сигналов можно только с помощью мсяцной ЭЦВМ. Кроме того, , устройство не дает непрерывного сигнала, требует коммутации и нуждается в подгонке электродов к зоне колебаний высоты слоя, а также позволяет определять лишь один периметр слоя периодически за некоторое время набора статистических данных.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для определения параметров электропроводного взвешенного слоя, содержащее градиентную цепь с последовательно включенными.парой треугольных электродов, вершины которых направлены на дно слоя с измерителем и источником тока, и неградиентную цепь с последовательно отключенными парой стержневых электродов с измерителями и источником тока, причем источники тока стабилизированы по напряжению, а обе пары электродов установлены вертикально внутри слоя с высотой, превышающей высоту слоя и выполнены сплошными 2.

Недостатком известного устройства является присущее ему противоречие между повышением точности устройств с увеличением угла треугольного электрода, лежащего на дне слоя, и одновременным уменьшением точности в результате затрудненного сообщени межэлектродного пространства с остальным объемом слоя и возникающего искажения структуры, а также противоречие между повышением точности устройства при уменьшении межэлёктр ного расстояния (связанного с увели чением градиента) и соответствующим искажением структуры слоя между эле тродами. Кроме того, для нахождения высоты слоя Н в среде иной электропрово ности требуется переградуировка. Целью изобретения является повышение точности и достижение инвариа тности (независимости) при измерени ях высоты слоя в различных среда.х. Цель достигается тем, что в устройстве для определения параметров электропроводного взвешенного слоя, содержащем градиентную цепь с.после довательно включенными парой треугольных электродов, вершины которых направлены на дно слоя, с измерителем и источником тока, и неградиентную цепь с последовательно вкл ченными парой стержневых электродов с измерителем и источником тока, причем источники тока стабилизирова по напряжению, а обе пары электродо установлены вертикально внутри слоя с высотой, превышающей высоту слоя, и выполнены сплошными, электроды в каждой паре выполнены плоскими, снабжены системой сквозных каналов и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, которое в 2040 раз меньше их средней ширины и заполнено плоскими/элементами, выполненными из несмачиваемого изоляционного материала с системой сквоз ных каналов, сечение которых в 520 раз больше, чем у электродов. Углы при вершинах треугольных электродов Составляют 30-60 . Причем к измерителям тока параллельно подключены конденсаторы емко тью (3-t).10 мкФ. Нафиг.1 изображена общая схема устройства; на фиг.2 - узел 1 на Ьиг. 1. Устройство состоит из градиентной цепи, которая содержит последовательно включенные пару треуголь ных электродов 1, имеющих вершины на дне слоя, измеритель 2 тока, источник 3 тока, а также из неградиентной цепи, которая содержит последовательно включенные пару стержневых электродов 4, выполненных в виде плоских прямоугольников, измеритель 5 тока, источник 6 тока. Источники тока 3 и 6 стабилизированы по напряжению, .что позволяет избежать искажений за счет падения напряжения в цепи. Конденсаторы 7 и 8шунтируют измерители 2 и 5 тока. Углы при вершинах пары треугольных электродов 1, которые расположены на дне слоя, составляют 30-60. Обе пары .электродов 1 и 4 .выполнены из одного материала, например стали, и содержат систему сквозных каналов 9(например сетчатой структуры), а также имеют одинаковое расстояние между электродами 10, которое в 2040 раз меньше средней ширины пар электродов 1 и 4. Расстояние между электродами 10 заполнено плоскими элементами 11 и 12, которые выполнены из. несмачиваемого средой изоляционного материала (для водных электролитов,например капрон). Плоские элементы имеют систему сквозных каналов 13, причем сечение сквозных каналов в элементах в 5-20 раз больше, чем у электродов . Устройство работает следующим образом. При пропускании газа снизу вверх сквозь слой первоначально сплсяиной среды (например электропроводной жидкости) высотой hfjf с скоростью Wf- при помощи газораспределительной решетки, внутри него образуются газовые пустоты, за счет которых высота газожидкостного слоя возрастает и составляет величину Н. При этом электропроводная среда замыкает часть площади изолированных друг от друга электродов в паре треугольных 1 и прямоугольных 4 электродов . Как в градиентной цепи, так и в неградиентной цепи под действием электрического поля источников тока, соответственно 3 и 6, возникают электрические токи, которые измеряются с помощью измерителей 2 и 5 тока (например миллиамперметров). По величине этих токов измеряют объем жидкости во взвешенном слое, отнесенный к площади его горизонтального сечения, .т.е. высоту h, интегральную потенциальную энергию взвешенной среды Е„, высоту центра тяжести слоя Ьцт, высоту слоя Н, абсолютное и относительное V газосодержан не. Для выравнивания, усреднения значений токов во времени, в .устройстве параллельно измерителям 2 и 5 тока подсоединены электрические конденсаторы. Испытания, проведенные в пеннсм аппарате сечением О,26О,125 м при скоростях газа 0,5-3 м/с, и высотах слоя Н Оj1-0,5 м, показали, что для различных условий оптимальным является емкость конденсаторов (3-7)-10 мкФ. В экспериментах по подбору наилучшего угла при вершинах треугольных электродов и расстояния между электродами было установлено, что оба пути повышения точности устройства (за счет увеличения градиента и уменьшения расстояния между элект дами) можно совместить и добиться повышения точности, если электроды выполнить проницаемыми для электропроводной плотной среды и див их системой сквозных каналов .9 (например, изготовив электроды из м таллической сетки). Благодаря такому решению устраняется затрудненность в сообщении межэлектродного пространства и всего объема взвешенного слоя, что обе печивает сохранение реальной структ ры слоя в межэлектродном пространстве и, следовательно, повышение то ности измерений. Оптимальнь1м являет ся угол при вершине треугольного эл трода 30-60, лежащий на дне слоя, и расстояние между электродами, которое в 20-40 раз меньше, чем их средняя ширина. Уменьшение расстояния между элек родами позволяет сократить потерю в величине градиента, который задается геометрической формой электрода, т.е. описанным углом треугольни ка, в результате рассеивания тока. Сближение электродов в парах вызывает опасность короткого замыкания в. измерительных цепях и , помимо этого, большое значение приобретает точное выдерживание расстояния между электродами по всей их площади, в противном случае возника ют погрешности в градиенте, которые . Могут заметно влиять на точность измерений. Установлено, что техническое противоречие устраняется, если между проницаемыми электродами разместить плоские элементы (благодаря которым обеспечивается точное выдерживание расстояния), которые выполнены из несмачиваемого средой материала, (что препятствует об- разованик) ложных цепей между электродами) . Эти элементы снабжены такж системой СКВОЗНЫХ- каналов, причем лишь элементы, сечение каналов которых в 5-20 раз больше, чем у элек родов, отвечают предъявляемым требо ваниям. При выполнении плоскими, прямоугольной формы и из того же материа ла, что и треугольные, и обеспечени равных расстояний между электродами в обеих парах, по отношению тока гр диентной цепи к току неградиентной можно определить высоту слоя. При такой взаимосвязи элементов отношение токов ме)вду плоскими электродами строго пропорционально отношению их смоченных площадей. Рассмотрим фиг.1 На фиг.1 выделены треугольная и прямоугольная части электродов, погруженные в смесь. Площадь этих фигур определяется выражениями 1 и 2, соответственно, а отношение площадей - уравнением 3. s, ib . (1) . S Kih, - - Kh, (3) где БД, Sp - геометрические площади, соответственно, частей треугольного и прямоугольного электродов, погруженных в слой высота слоя , как это видно, из обозначений на фиг.1; К - отношение величины основания всего треугольного электрода 1 к его высоте (ширина Ь основания заштрихованного треугольника есть величина переменная, , т.е. ширина b линейно зависит от высоты слоя. Коэффициент линейной зависимости и составляет К , как это обозначено на фиг.1. К - ширина прямоугольного электрода как показано на.фиг.1величина постоянная, не зависящая от высоты слоя; К .а - результирующий коэффициент в (3) - формуле длярасчета отношения площадей треугольника и прямоугольника М.. Соотношение для М соответствует более наглядному геометрическому- подходу к объяснению принципа действия устройства при измерении главного параметра - высоты слоя. Токи в каждой из пар параллельных электродов пропорциональны их смоченным площадям, поэтому отношение токов будет равно отношению площадей. Видно, что ширина треугольника величина переменная и линейно зависит от высоты, поэтому величина смоченной площади треугольника, обозначенная .штриховкой, находится интегрированием Ь (h) по высоте. Ширина прямоугольника не зависит от высоты. Простые преобразования приводят к уравнению (3). Таким образом, коэффициент К можно легко определить еще на стадии изготовления пар электродов, и он останется для них постоянным, так как все остальные сомножителе, в частности электропроводность среды, сократятся. Отношение токов будет равно K.h Таким образом, устройство, в котором выполнено указанное соотношени. элементов, может быть использовано для измерения уровня (и высоты) не только взвешенных газом слоев жидкости, но и для сплошных жидких слоев самой разнообразной электропро водности. Устройство-пригодно для применения его и как во взвешенных газом слоях твердых электропроводных частиц, так и в сплошных зернистых слоях, где оно может получить самое широкое распространение в народном хозяйстве. Особый интерес может вызвать качественно новая неожиданная способность находить с помощью этого устройства не только высоту сплсаиного слоя порошка или зерен, но и их влажность, поскольку зная величину тока через прямоугольные электроды, и высоту, слоя,- можно определить удельный ток, который про порционален влажности материала. Это свойство с учетом простоты устройства, его изготовления и эксплуатации может получить широкое распространение в сельском хозяйстве и промышленности. Формула изобретения 1. Устройство для определения параметров электропроводного взвешенного слоя, содержащее градиентную цепь с последовательно включенными парой треугольных электродов, вершин которых направлены на дно слоя, с измерителем тока и источнике тока, и неградиентную цепь с последователь но включенными парой стержневых элек тродов с измерителем и источником тока, причем источники, тока стабилизированы по напряжению, а обе пары электродов установлены вертикально внутри слоя с высотой, превышанвдей высоту слоя, и выполнены сплсхиными, отличающееся тем, что . с целью повышения точности и достижения инвариантности при изме- . рении высоты слоя в различных средах, электроды в каждой паре выполнены плоскими, снабжены системой сквозных каналов и расположены на. одинаковом расстоянии друг от друга, которое в 20-40 раз меньше их средней ширины и заполнено плоскими элементами, выполненными из несмачиваемого изоляционного материала с системой сквозных каналов, сечение которых в 5-20 раз больше, чем у электродов . 2.Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что углы при вершинах треугольных электродов составляют 30-60. 3.Устройство по П.1, о ТхЛ и чающееся тем, что к измерителям тока параллельно подключены конденсаторы емкостью (3-7)-10 мкФ. Источники информации, принятые.во внимание при экспертизе 1.Тарат Э.Я., Березин Р.В., Туболкин А.Ф. и др. Новые измерения высоты газожидкостного слоя в пеннс аппарате с переливом пены . ЖПХ 1977 т. 50 1, с, 80-84.. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2760736, кл, G 01 N, 1979 (прототип).

S