Устройство для измерения плотности тока в жидких средах

 

Изобретение относится к измерительной технике и обеспечивает измерение плотности тока в любом пространственном положении датчика без его поворота и без подгонки плотности тока. Датчик представляет собой соединенные друг с другом три одинаковых элемента - диэлектрические трубки 1 с расположенными в каждой из них двумя токовыми дискообразными электродами 5, разделенными пластинчатой диэлектрической прокладкой 6. Между каждыми токовыми электродами 5 включен соответствующий им регистратор 3 тока. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения плотности тока жидких сред, в том числе в их локальных объемах, без предварительного поворота датчика устройства при установке его в измеряемом пространстве.

Известно устройство для измерения плотности тока в электролитах, содержащее датчик плотности тока, включающий трубку из диэлектрического материала с известной площадью поперечного сечения отверстия, анод, экранирующие и измерительные электроды, вычитающий блок с двумя дифференциальными входами, усилители, измеритель. Измерительные электроды установлены вблизи конца трубки, размещаемого рядом с измеряемым участком детали. С использованием электронной схемы производится изменение тока анода внутри трубки до тех пор, пока плотность тока внутри трубки и снаружи не сравняется. При этом ток анода однозначно характеризует плотность тока.

К недостаткам устройства относится необходимость во время измерения устанавливать трубку в строго ориентированном направлении вблизи того участка детали, плотность электрического тока на котором необходимо замерить. Трубка устанавливается перпендикулярно к поверхности детали, а зазор между концом трубки и деталью должен быть минимальным. Сама деталь служит катодом, поэтому устройство не пригодно для измерения вдали от детали.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред и измерения плотности тока в локальных объемах жидких растворов и расплавов, содержащее датчик в виде диэлектрической трубки, установленных внутри нее два дискообразных токовых электрода, разделенных изолирующей прокладкой, три кольцеобразных измерительных электрода один внутри трубки и два снаружи напротив внутреннего кольцеобразного и ближайшего к нему токового электрода, регистратор тока и переменный резистор, последовательно включенные между токовыми электродами, два однотипных регистратора напряжения, включенных соответственно между наружными электродами и между напротив них расположенными внутренними электродами. Устройство может быть использовано как для измерения удельной электропроводности жидких сред, так и плотности тока в них. При измерении плотности тока трубку устанавливают в исследуемом локальном объеме жидкой среды и поворачивают таким образом, чтобы ее продольная ось располагалась в направлении эквитоковых линий, при этом регистратор напряжения, включенный между наружными электродами, показывает максимальное значение. В найденном положении датчика изменением сопротивления переменного резистора устанавливают показания регистраторов напряжения одинаковыми. По показаниям регистратора тока с учетом известного сечения трубки находят плотность тока.

Недостатком устройства является необходимость ориентации трубки вдоль эквитоковых линий, наличие при измерении операции подгонки плотности тока внутри трубки под плотность тока снаружи трубки. Для поворота трубки устройство снабжено приспособлением, придающим ей дополнительно три степени свободы. Это усложняет конструкцию устройства. Поворот трубки при ее ориентации может приводить к перемешиванию жидкой среды, что может оказаться нежелательным, так как при этом происходит усреднение физико-химических характеристик исследуемой среды в объеме, окружающем трубку. На выполнение операций ориентации трубки при ее повороте в трех ортогональных плоскостях и подгонки плотности тока затрачивается дополнительное время, что исключает использование устройства при измерениях явно нестационарных процессов и удлиняет время нахождения трубки в исследуемой жидкой среде. Если среда агрессивная или высокотемпературная, то сокращается и срок службы устройства.

Задачей изобретения является обеспечение измерений плотности тока в любом пространственном положении датчика, без его поворота и без операции подгонки плотности тока.

Цель достигается тем, что устройство для измерения плотности тока в жидких средах, содержащее диэлектрическую трубку с расположенными в ней двумя дискообразными электродами, разделенными диэлектрической прокладкой, регистратор тока, включенный между токовыми электродами, дополнительно содержит две другие идентичные диэлектрические трубки с расположенными в них парами токовых дискообразных электродов, разделенных диэлектрическими прокладками, два идентичных регистратора тока, каждый из которых включен между установленными в одной из трубок парой токовых электродов, причем диэлектрические прокладки выполнены пластинчатыми, токовые электроды выполнены заподлицо с торцами трубок, которые жестко закреплены относительно друг друга в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью неэлектропроводного каркаса.

Плотность тока находится по формуле j S, A/м² (1) где I₁, I₂, I₃ сила тока через первую, вторую, третью трубки, А; S площадь поперечного сечения отверстия трубки, м².

Процесс измерения упрощается. Устройство позволяет пpоизводить измерение плотности тока в локальном объеме жидкой среды без поворота скрепленных между собой трубок при любом их положении в исследуемом пространстве.

Следовательно, датчик устройства состоит из соединенных друг с другом трех одинаковых элементов, каждый из которых включает в себя трубку с внутренним диаметром 3-15 мм и с установленными в нее двумя дискообразными токовыми электродами, разделенными пластинчатой диэлектрической прокладкой. Электроды соединены между собой регистратором тока и выполнены из фольги, либо из пластин толщиной 0,05-1 мм. Пластинчатая прокладка также имеет толщину 0,05-1 мм. Таким образом, толщина всего пакета-лепестка, состоящего из помещенных в короткую трубку двух электродов, разделенных прокладкой, не превышает 3 мм, и датчик устройства представляет собой трехлепестковую конструкцию. Каждый лепесток с помощью каркаса установлен ортогонально друг к другу.

Через каждый лепесток проходит электрический ток, фиксируемый регистраторами тока. Ввиду ортогонального расположения лепестков, общий ток, протекающий в данном локальном объеме жидкой среды, будет разлагаться на три ортогональные составляющие проекции вектора силы тока на оси координат, совпадающие с продольными осями трубок. Каждая проекция вектора силы тока проходит внутри одной из трубок. Ввиду этого полная измеряемая плотность тока в данном локальном объеме жидкой среды находится по формуле (1) на основе замеров силы тока через каждый лепесток с помощью регистраторов тока.

Регистратор тока, как и электроды, обладают высокой электропроводностью. Учитывая малые толщину и диаметр каждого лепестка, устройство оказывает незначительное влияние на электропроводность, а значит и на плотность тока в технологическом агрегате. Это позволяет достичь высокой точности измерения.

При любом повороте трехлепестковой конструкции устройства меняются величины проекций вектора силы тока на оси координат, совпадающие с продольными осями трубок. Однако их геометрическая сумма всегда будет оставаться одной и той же равной общей силе тока. Таким образом, результаты измерения не зависят от поворота датчика в измеряемом пространстве.

При измерении не требуется операции подгонки плотности тока. Производится лишь отсчет показаний трех регистраторов тока. Это упрощает и сокращает процесс измерения.

Толщина диэлектрической прокладки и электродов снижены до минимума, за счет чего минимизируется толщина лепестка и степень его влияния на электропроводность и плотность тока в технологическом агрегате. В связи с тем, что устройство специализированное и предназначено для измерения плотности тока, а также в связи с отсутствием операции подгонки плотности тока, концы каждой трубки обрезаны с двух сторон до электродов. Число лепестков увеличено до трех для обеспечения возможности замеров всех трех проекций силы тока. Неэлектропроводный каркас закрепляет лепестки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях на определенном расстоянии друг от друга.

Таким образом, сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны. Однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, а также их взаимное расположение приводит к появлению новых вышеуказанных свойств, позволяющих производить измерение плотности тока в любом пространственном положении и без подгонки плотности тока.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения плотности тока в жидких средах.

Устройство содержит три одинаковых лепестка 1, неэлектропроводный каркас 2, три одинаковых регистратора тока 3. Каждый лепесток 1 состоит из диэлектрической трубки 4, двух дискообразных токовых электродов 5 и диэлектрической прокладки 6.

Лепестки 1 с помощью стержней каркаса 2 закреплены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях хоу, хоz и yoz. В каждом лепестке 1 токовые электроды 5 разделены диэлектрической прокладкой 6 и вставлены в короткую трубку 4 заподлицо с ней. Регистратор тока 3 у каждого лепестка 1 включен между токовыми электродами 5.

Диэлектрические трубки 4, прокладки 6 и каркас 2 выполняются из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При высокой температуре среды материал трубок и каркас должны обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой температуре жидкой среды диэлектрические трубки, прокладки и каркас могут выполняться из эбонита, полихлорвинила, фторопласта, при высокой температуре из фарфора, керамики, кварца, спеченного алунда.

Электроды 5 выполняются из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой среды материал электродов должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой агрессивности и температуре из стали 12Х18Н9Т, а при высокой из платины, карбида кремния.

Электроды входят в трубку герметично. Через полые стержни каркаса 2 сделаны отводы к регистраторам тока 3. Трубки 4 лепестков 1 предназначены для предотвращения электрического тока между парами электродов по жидкой среде у их краев. Такая опасность имеет место, поскольку толщина диэлектрических прокладок 6 не превышает 1 мм.

Устройство снабжено полой штангой для помещения датчика в исследуемый локальный объем жидкой среды (на схеме не показана). Каркас датчика жестко соединяется со штангой. Внутри штанги размещены токоподводы ко всем трем регистраторам тока 3.

Устройство работает следующим образом.

Датчик погружается в исследуемый локальный объем жидкой среды. Отсчитываются показания регистраторов тока. Плотность тока находится по формуле (1).

В случае, если для данного лепестка датчика эквитоковые линии располагаются неперпендикулярно поверхности электрода, то вектор силы тока разлагается на две геометрические составляющие проекцию вектора на продольную ось трубки и проекцию вектора на плоскую поверхность электрода + (2) Составляющая тока проходит через соответствующий регистратор тока (сила тока I₁ или I₂ или I₃ в формуле (1). Составляющая двигается в электроде вдоль его плоской поверхности. Если электроды выполнены из материала с большей электропроводностью, чем исследуемая жидкая среда, то при ≠ 0 сила тока будет дополнительно увеличиваться за счет перераспределения тока с соседних с электродом участков жидкой среды. Таким образом, может происходить искривление эквитоковых линий в направлении более электропроводных дисковых электродов и снижение точности измерения. Чем ближе электропроводность материала электродов приближается к электропроводности исследуемой среды, чем меньше диаметр электродов, тем меньше это отрицательное влияние. Однако уменьшение электропроводности электродов нежелательно, так как при их малых размерах резко увеличивается собственное электросопротивление, резко меняющее реальную плотность тока, протекающего через данную трубку датчика. Поэтому рекомендуется ограничивать диаметр электродов значениями 3-15 мм. Если устройство предназначается для работы с жидкими средами с пониженной электропроводностью, следует ограничиться нижними пределами диаметра.

Для снижения отрицательного влияния более электропроводных электродов на результаты измерения плотности тока за счет искривления эквитоковых линий, лепестки датчика разнесены относительно друг друга. Расстояние l от места сочленения стержней каркаса до трубки лежит в пределах одного-двух диаметров трубки. Меньшие значения l соответствуют более электропроводной жидкой среде.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении плотности тока в растворе KCl нормальной концентрации 0,1 Н при 20^оС. Результаты измерения приведены в таблице.

Как видно из таблицы, точность измерения плотности тока исследуемой среды при межэлектродном расстоянии в технологическом агрегате в 200 мм и расстоянии от места сочленения стержней каркаса до трубки l 10 мм предлагаемым устройством и устройством-прототипом соизмеримы.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет производить измерение плотности тока в жидких средах в любом пространственном положении датчика без его поворота и исключает операцию подгонки плотности тока. Упрощается процесс измерения, упрощается конструкция приспособления для установки и поворота датчика в ориентированное положение, не происходит усреднения физико-химических характеристик исследуемой среды в объеме, окружающем датчик, сокращается время измерения, увеличивается стойкость датчика.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В ЖИДКИХ СРЕДАХ, содержащее диэлектрическую трубку с расположенными в ней двумя токовыми дискообразными электродами, разделенными диэлектрической прокладкой, и регистратор тока, включенный между токовыми электродами, отличающееся тем, что снабжено двумя дополнительными диэлектрическими трубками, в каждой из которых расположены пара токовых дискообразных электродов, разделенных диэлектрической прокладкой, и двумя дополнительными регистраторами тока, каждый из которых включен между соответствующей парой токовых электродов, при этом диэлектрические прокладки выполнены пластинчатыми, а токовые электроды расположены заподлицо с торцами трубок, которые жестко закреплены одна относительно другой в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью неэлектропроводного каркаса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2