Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред

 

Сущность изобретения: устройство состоит из пластинчатого неэлектропроводного корпуса, к которому перпендикулярно прикреплен неэлектропроводный диск 2, с обеих сторон которого установлены по центру токовые электроды 3 и 5, один из которых, расположенный в корпусе, выполнен в виде полуцилиндра с рабочими поверхностями в виде 1/4 шара, а электрод, расположенный с другой стороны диска, выполнен в виде полушара. Измерительные электроды 4 через последовательно соединенные переключатель 9 и регистратор 8 напряжения подсоединены к токовому электроду 3, который через последовательно соединенные резистор 6 и регистратор 7 тока соединен с токовым электродом 5. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких растворов и расплавов, в том числе в узких локальных объемах в условиях действия нескольких внешних (сторонних) источников тока при пониженной плотности тока и повышенной вязкости среды.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидких среды, содержащее диэлектрическую трубку с двумя расположенными внутри трубки дискообразными электродами, между которыми расположена диэлектрическая вставка с двумя кольцевыми электродами, при этом оба кольцевых электрода расположены внутри трубки по одну сторону от неэлектропроводной вставки, дискообразные электроды соединены через регистратор тока и диод. В устройстве используется и внутренний источник тока, позволяющий производить измерение как при наличии, так и при отсутствии сторонних источников тока. Кроме того, устройство позволяет измерять удельную электропроводность при пониженной плотности тока от сторонних источников.

К недостаткам устройства относится наличие в датчике непроточной трубки значительной длины и диаметра, что затрудняет использование устройства для измерения в узких локальных объемах и повышенной вязкости исследуемой среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, выполненное в виде двух основных (токовых) электродов, подключенных к внутреннему источнику, контрольных (измерительных) электродов, соединенных с измерительной цепью, и регистратора. В измерительную цепь введен переключатель, а контрольные электроды расположены радиально вокруг одного из основных электродов.

Устройство специализированное и имеет весьма низкую точность измерения в условиях действия в исследуемой среде одного или ряда сторонних источников тока. Ток от сторонних источников создает между токовыми (основными) электродами дополнительное падение напряжения. Этот дополнительно возникающий источник тока, находящийся в токовой цепи, изменяет величину регистрируемой силы тока. Сумма же падений напряжения от сторонних источников тока в объеме между первым токовым (основным) и расположенными радиально вокруг него измерительными (контрольными) электродами практически всегда равна нулю при любом направлении тока от сторонних источников. В результате при неизменном знаменателе расчетной формулы изменяется числитель и тем больше, чем больше ток от сторонних источников. Получаемая оценка удельной электропроводности жидкой среды может сколь угодно отличаться от истинного значения как в одну, так и в другую стороны в зависимости от напряжения действия сторонних источников тока в промежутке между токовыми электродами.

В то же время при отсутствии сторонних источников тока устройство имеет достаточно высокую точность и может быть использовано для изучения вязких жидких сред, так как датчик не содержит в себе замкнутых и полузамкнутых полостей в достаточно узких локальных объемах из-за небольших размеров рабочего конца датчика.

В основу изобретения положена задача создания устройства для измерения удельной электропроводности с повышенными технологическими возможностями и расширенной областью использования, конструкция которого обеспечивала бы надежное измерение удельной электропроводности исследуемых, в том числе вязких сред в условиях действия одного или нескольких сторонних источников тока в узких локальных объемах, в том числе вблизи электродов технологических агрегатов без опасности возникновения дуги между датчиком устройства и электродами агрегата при пониженной плотности тока от сторонних источников.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее датчик, включающий неэлектропроводный корпус, два токовых электрода, измерительные электроды, расположенные радиально относительно первого токового электрода, последовательно соединенные переключатель и регистратор напряжения, включенные между первым токовым и измерительными электродами, регистратор тока, снабжено неэлектропроводным диском, с одной стороны закрепленным по диаметру перпендикулярно корпусу, выполненному в виде пластинчатой стойки, в которой установлены измерительные электроды и первый токовый электрод, рабочие части которого выполнены в виде 1/4 шара и расположены на диске симметрично относительно корпуса по обе его стороны, с другой стороны диска в центре расположен второй токовых электрод, выполненный в виде полушара, и введен переменный резистор, включенный последовательно с регистратором тока между токовыми электродами.

Удельная электропроводность находится по формуле Cм·м^-1 где k_i= м; k₁= м оценка удельной электропроводности жидкой среды, см˙м^-1; m константа устройства; ток, протекающий через токовые электроды, усредненный по результатам параллельных опытов, А; k₁,k_i постоянные весовые коэффициенты, м; , , - средние значения (по данным параллельных опытов) падения напряжения на участке исследуемой среды между первым токовым электродом и соответственно одним из измерительных электродов под номером 4(1),4(i) или 4(i'); i текущий номер измерительного электрода при отсчете от электрода 4(1), наиболее удаленного от сужающего устройства по часовой стрелке до электрода 4(n), наименее удаленного от сужающего устройства, 1≅i≅n;
i' текущий номер измерительного электрода при отсчете против часовой стрелки от электрода 2', стоящего следом за наиболее удаленным от сужающего устройства электродом 4(1) до электрода 4(n'), наименее удаленного от сужающего устройства, 2≅i'≅ n;
N 2n-1 общее число измерительных электродов;
r₁ радиус окружности, по которой располагаются измерительные электроды, м;
r₂ радиус токового электрода, м.

Устройство позволяет не только производить измерение в жидкой среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использовать эти источники в процессе измерения.

Неэлектропроводный диск выполняет роль сужающего устройства. Симметричность диска относительно оси OZ обеспечивает и симметричность распределения эквитоковых линий относительно оси OZ, что дает объемную симметрию эквитоковых линий и обеспечивает возможность оценки падений напряжения в усеченных шаровых секторах по результатам замера падений напряжения вдоль плоской стенки корпуса между измерительными и первым токовым электродом. Диск обеспечивает сжатие эквитоковых линий в локальном объеме, в котором происходит измерение удельной электропроводности жидкой среды. В результате в нем возрастает плотность тока, что дает возможность производить измерения при пониженной плотности тока от сторонних источников.

Выполняя высоту корпуса много меньше диаметра диска, например, Н<0,1D<SUB>д

Изменением сопротивления переменного резистора можно изменять электропроводность участка электрической цепи между токовыми электродами и тем самым часть тока, проходящего через центр сужающего устройства. В результате изменяется степень усиления плотности тока, протекающего по измерительному локальному участку жидкой среды. Это позволяет производить измерение как при пониженой, так и большой плотности тока от сторонних источников.

Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что введенные элементы широко известны, однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, изменение конструкции элементов, их взаимное расположение приводит к появлению новых вышеуказанных свойств, позволяющих расширить область использования, технологические возможности устройства: осуществить измерение удельных электропроводностей жидких сред, в том числе вязких, с высокой точностью при наличии одного или нескольких сторонних источников тока в узких локальных объемах, в том числе и вблизи электродов технологических агрегатов при высокой, либо пониженной плотности тока от сторонних источников. Это дает возможность сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения изобретательному уровню.

На фиг.1 представлена функциональная схема (а) устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред, на (б) то же, вид сверху; на фиг.2 показан характер деформирования эквитоковых линий в исследуемой среде при помещении в нее датчика устройства; на фиг.3 представлен усеченный шаровой сектор первого рода, выделенный из исследуемой локальной области; на фиг.4 представлен усеченный шаровой сектор второго рода, выделенный из исследуемой локальной области; на фиг.5 представлена схема для определения высот шаровых секторов, выделяемых из исследуемой локальной области.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из корпуса 1, выполненного в виде пластинчатой стойки, диска 2, выполняющего роль сужающего устройства, первого токового электрода 3, группы измерительных электродов 4, второго токового электрода 5, переменный резистор 6, регистратор тока 7, регистратор напряжения 8, переключатель 9.

Первый 3 и второй 5 токовые электроды соединены между собой через переменный резистор 6 и регистратор тока 7. Кроме того, первый токовый электрод 3 соединен с измерительными электродами 4 через многопозиционный переключатель 9 и регистратор напряжения 8. С помощью переключателя первый токовый электрод соединяется через регистратор напряжения с одним из измерительных электродов 4(1), 4(2),4(n); 4(2'), 4(3'),4(n').

Корпус 1 и диск 2 (сужающее устройство) выполнены из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При значительной температуре среды материал должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды хорошей коррозионной стойкостью, либо жаростойкостью.

Например, пpи низкой агрессивности и температуре жидкой среды корпус и сужающее устройство выполнены из эбонита, а при высокой агрессивности и температуре из фторпласта, спеченного алунда.

Корпус и сужающее устройство выполнены из тонких пластин, что снижает размер датчика и уменьшает искажение эквитоковых линий при разделении изучаемого пространства корпусом на две равные части.

Токовые и измерительные электроды выполнены из однородного материала с высокой электропроводностью. Кроме того, материал токовых электродов должен обладать низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал электродов должен иметь высокую жаропрочность, а при повышенной агрессивности среды хорошую коррозионную стойкость, либо жаропрочность.

Первый (на фиг.1а верхний) токовый электрод 3 может быть выполнен в виде полуцилиндра, с обоих торцов заканчивающегося четвертью шара того же радиуса r₂, что и полуцилиндр. Электрод лежит в центре дискообразного сужающего устройства. Сверху полуцилиндр полностью закрывается тонким неэлектропроводным корпусом, выполненным в виде пластинчатой стойки, установленной перпендикулярно плоской поверхности сужающего устройства. Четверти шара, в сумме образующие полушар, остаются незакрытыми и именно они контактируют с жидкой средой.

Второй (на фиг.2 нижний) токовый электрод 5 имеет форму полушара того же радиуса r₂, что и четверти шара первого токового электрода. Второй токовый электрод установлен в центре дискообразного сужающего устройства на плоской поверхности с другой его стороны.

Измерительные электроды выполнены из тонкой проволоки, поскольку ток, протекающий через них на регистратор напряжения, мал и практически не вызывает их поляризации. Измерительные электроды располагаются в корпусе по окружности радиусом r₁ относительно центра четверти сферы первого токового электрода. Проволоки электродов выступают с одной стороны корпуса на величину выбега, составляющего (0,5-1,5) мм. Изменение выбега в указанных пределах не оказывает существенного влияния на результаты измерения.

Средство для изменения и фиксирования положения датчика в пространстве представляет собой любое устройство, имеющее 6 степеней свободы, позволяющее изменять положение датчика во всех трех ортогональных плоскостях и вращать его в этих плоскостях (на схеме не показано). Кроме того, средство позволяет фиксировать датчик в любом из возможных положений.

На фиг.2 нанесены эквитоковые линии 10, которые деформируются вблизи сужающего устройства 2 датчика. Измерительные электроды 4 установлены в корпусе 1 датчика по окружности радиусом r₁ относительно центра О четвертинки сферы первого токового электрода 3 с радиусом r₂. Центр О находится на продолжении линии сопряжения ближайших плоских поверхностей корпуса и сужающего устройства и таким образом лежит как в плоскости корпуса, так и в плоскости сужающего устройства. Картина деформирования эквитоковых линий практически симметрична относительно оси координат ОZ. D_д диаметр диска сужающего устройства, Н высота корпуса.

Усеченный шаровой сектор 11 первого рода (см.фиг.3), выделенный из исследуемой локальной области, представляет собой шаровой сектор первого рода с центральным углом α₁, радиусом r₁ и шаровым сегментом 12, от которого со стороны вершины О корпуса отняли шаровой сектор первого рода с тем же центральным углом α₁, меньшим радиусом r₂ и шаровым сегментом 13. Из полученной геометрической фигуры удалена ее половина (разрез по оси OZ). Исследуемая область жидкой среды представляет собой четверть шара радиусом r₁ с центром в точке О, из которого отняли четверть меньшего по размерам шара 3 радиусом r₂ с центром в той же точке О. Ось цилиндрической системы координат OZ направлена из центра О в плоскости корпуса через ось симметрии первого измерительного электрода 4(1). оr ось радиусов, h₁ высота усеченного шарового сектора первого рода 11.

Усеченный шаровой сектор второго рода 14, выделенный из исследуемой локальной области, представляет собой шаровой сектор второго рода с внутренним центральным углом α₁, наружным центральным углом α₂, радиусом r₁, шаровым поясом 15, от которого со стороны вершины О конусов отняли шаровой сектор второго рода с теми же центральными углами соответственно α₁ и α₂, меньшим радиусом r₂ и шаровым поясом 16. Из полученной геометрической фигуры удалена ее половина (разрез по оси OZ), h₂ высота усеченного шарового сектора второго рода 14.

На фиг.5 окружность радиусом r₁=ОВ=ОD, по которой располагаются измерительные электроды, имеет центр в точке О, h₁ высота шарового сектора первого рода, в центре шарового сегмента которого находится измерительный электрод 4(1), h₁ r₁-AO, h₂ высота шарового сектора второго рода, в центре шарового пояса которого находятся измерительные электроды 4(2) и 4(2'); h₂ OA-OC, h₃ высота шарового сектора второго рода, в центре шарового пояса которого находятся измерительные электроды 4(3) и 4(3'), h₃ OC, α₁, α₂, α₃ центральные углы шаровых секторов.

Устройство работает следующим образом.

Движок переменного резистора 6 устанавливается в среднее положение, многопозиционный переключатель 9 в первое положение, при котором регистратор 8 напряжения соединяется с первым электродом 4(1).

Датчик погружают в исследуемую жидкость так, чтобы центр О первого токового электрода приблизился к центру изучаемого объема жидкости (см.фиг.2). Изменяя положение датчика, устанавливают ось OZ в направлении эквитоковых линий в изучаемом локальном объеме жидкости. Для этого, фиксируя показания регистраторов тока 7 и напряжения 8 (см.фиг.1), поворачивают датчик в такое положение, при котором показания регистраторов 7 и 8 будут максимальными. Если при этом абсолютные значения соответственно силы тока и напряжения будут соизмеримы с абсолютными ошибками измерения этих параметров, то увеличивают коэффициент усиления устройства путем уменьшения задействованного сопротивления резистора 6. При выходе показаний регистраторов 7 и 8 за пределы шкал коэффициент усиления устройства уменьшают увеличением задействованного сопротивления резистора 6. Измеряются падения напряжения между первым токовым 5 и каждым измерительным электродами 4(1), 4(2),4(n); 4(2'), 4(3'),4(n') путем переключения многопозиционного переключателя 9 и измерения напряжения регистратором напряжения 8. Замеряется ток через токовые электроды по показанию регистратора тока 7. Удельная электропроводность жидкой среды в изучаемом локальном объеме находится по формуле.

При измерении неэлектропроводный диск сужающего устройства устанавливается в объеме жидкой среды перпендикулярно эквитоковым линиям, а ось OZ по направлению эквитоковых линий. Между токовыми электродами существует хорошая электрическая связь через амперметр и переменный резистор. Ток, ранее проходивший по объему жидкости, ограниченной цилиндром с поперечным сечением, равным диску сужающего устройства после перекрытия его датчиком разветвляется на две части: первая часть стягивается к первому токовому электроду в центре сужающего устройства, а остальной ток обтекает диск со всех сторон, заходя при этом в соседние участки жидкой среды. В результате увеличивается плотность тока как на изучаемом локальном объеме вблизи токового электрода, так и на соседних с диском участках жидкой среды.

Эквитоковые линии у сферической поверхности первого токового электрода располагаются в направлении вектора напряженности электрического поля, т.е. перпендикулярно поверхности. Так как расстояние l r₁-r₂ от измерительных электродов до поверхности первого токового электрода мало (не превышает нескольких миллиметров), то в изучаемом локальном объеме жидкой среды эквитоковые линии располагаются практически по прямым, нормально к поверхности первого токового электрода (см.фиг.2). В то же время в окружающем пространстве более широких размеров, в которое входит и изучаемый локальный объем, линии тока располагаются симметрично относительно оси OZ. Максимальная плотность наблюдается вблизи оси OZ, так как там ток движется по прямой, длина пути и создаваемое ему электрическое сопротивление минимальны. По мере отклонения от OZ путь тока растет, сопротивление увеличивается, и плотность падает. Таким образом, объемы с равными плотностями тока симметричны относительно OZ, а в сферообразном изучаемом локальном объеме представляют собой усеченные секторы (см.фиг.3,4).

Измерительные электроды располагаются вокруг первого токового электрода радиально и равномерно. Разобьем изучаемый локальный объем на секторы так, чтобы каждый измерительный электрод располагался в центре одного из секторов. При этом электрод 4(1) окажется в усеченном секторе первого рода (см. фиг. 3), а остальные по два электрода 4(2) и 4(2'); 4(3) и 4(3'); 4(n) и 4(n') в усеченных секторах второго рода (см.фиг.4).

Через усеченный шаровой сектор первого рода протекает ток I₁ через усеченные шаровые секторы второго рода, соответственно I₂, I₃,I_n. Их сумма известна и равна измеряемому току
I I₁ + I₂ + I₃ +. + I_n Или через падение напряжения на усеченных секторах и их сопротивления
I + + + + Сопротивление i-го (где 1 ≅i≅n) усеченного сектора
R_i= где q оцениваемая удельная электропроводность исследуемой жидкой среды;
l_i длина i-го усеченного сектора, l_i r₁-r₂;
S_i средняя площадь поперечного сечения i-го усеченного шарового сектора.

С учетом этого, перегруппировывая токовое уравнение относительно , будем иметь, что
где
k₁= k_i= Для повышения достоверности получаемой оценки удельной электропроводности изучаемого локального объема жидкой среды производится усреднение по множеству, а в формуле вместо одного падения напряжения принимается полусумма двух падений напряжений, относящихся к данному усеченному шаровому сектору. Константа устройства m, зависящая от конструкции датчика, учитывает погрешности, вносимые измерительными электродами, корпусом, нелинейностями и допущениями. Величину m определяют предварительно по экспериментальным данным, полученным для жидкой среды с известной электропроводностью.

Сопротивление переменного резистора выбирается из условия
R_ц ≅ R ≅ 4R_ц,
R_ц=
q_a априорное значение удельной электропроводности исследуемой жидкой среды;
D_д диаметр диска сужающего устройства (см.фиг.2). Меньшие значения R рекомендуются для меньших плотностей тока от сторонних источников.

Диаметр диска сужающего устройства D_д выбирается, исходя из условий работ устройства в диапазоне
20 ≅ D_д ≅ 100 мм.

Меньшие значения D_д рекомендуются для больших плотностей тока от сторонних источников.

Влияние высоты стенки корпуса, толщины диска сужающего устройства и прочих на результаты измерения учитываются константой устройства m.

Метрологические характеристики устройства получены при измерении раствора KCl при 20^оС концентрации 0,1 Н. Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что устройство-прототип пригодно для измерения при отсутствии сторонних источников тока. При наличии сторонних источников оно не обеспечивает достаточно высокой точности измерения, особенно при высоких плотностях тока от сторонних источников, в то время как предлагаемое устройство гарантирует высокую точность измерения даже при малых плотностях тока.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет расширить область использования, технологические возможности устройства, с высокой точностью осуществляет измерение удельных электропроводностей жидких, в том числе вязких сред при наличии одного или нескольких сторонних источников тока, в узких локальных объемах, в том числе и вблизи электродов технологических агрегатов при высокой, либо пониженной плотности тока от сторонних источников.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД, содержащее датчик, включающий неэлектропроводный корпус, два токовых электрода, измерительные электроды, радиально расположенные относительно первого токового электрода, последовательно соединенные переключатель и регистратор напряжения, включенные между первым токовым и измерительными электродами, регистратор тока, отличающееся тем, что снабжено неэлектропроводным диском, с одной стороны закрепленным по диаметру перпендикулярно корпусу, выполненному в виде пластинчатой стойки, в которой установлены измерительные электроды и первый токовый электрод, рабочие части которого выполнены в виде 1/4 шара и расположены на диске симметрично относительно корпуса по обе стороны, с другой стороны диска в центре расположен второй токовый электрод, выполненный в виде полушара, и введен переменный резистор, включенный последовательно с регистратором тока между токовыми электродами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6