Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред

Устройство предназначено для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде и может использоваться для измерения в других жидкостях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред содержит источник тока, измеритель напряжения, датчик с твердым диэлектрическим корпусом в виде стакана и двумя токовыми электродами, при этом в обрамление датчика входят управляемый источник тока, измерители напряжения и сопротивления, источник питания электромагнитов и микропроцессор, удельная электропроводность жидкости определяется по формуле

где I - известное значение тока через токовые электроды, U - измеренное значение напряжения между потенциальными электродами, α - температурный коэффициент линейного расширения стакана при увеличении температуры на θ от нулевой, γ - коэффициент линейного сжатия измерительной базы стакана при увеличении внешнего давления на P от нулевого, K - «геометрическая константа» измерительной ячейки датчика при нулевых температуре и давлении. Технический результат – повышение точности измерения в конкретной точке среды. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде. Его можно использовать и в других областях.

Для высокоточного измерения удельной электропроводности морской воды в океанографии широко используются кондуктометры с контактными датчиками, число электродов в которых зависит от способов исключения поляризационных эффектов на электродах на результат измерения и формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки [A Guide to Conductivity measurement theory and practice of Conductivity Applications. www.tau.ac.il/XXchemlada/Fills/Conductivity_quick_EN%20(2).pdc]. [Лопатин Б.А. Кондуктометрия. - Новосибирск: Изд-во СА АН СССР, 1964. - 279 с].

Использование только двух токовых электродов в датчике не устраняет влияние поляризационных эффектов на результат измерения и не обеспечивает достижение высокой точности.

Использование четырех электродов, двух токовых (питающих) и двух потенциальных (измерительных), и режима работы с источником тока позволяет устранить влияние поляризационных эффектов на токовых электродах. Однако для формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки датчики выполняют из трубки с пятью (три токовых и два потенциальных) или семью (три токовых и четыре потенциальных) электродами, формирующими электронную пробку на торцах трубки [Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. - Л.: Гидрометиздат, 1986. - 272 с]. Конструкция датчика и измерителя усложняется и существенно ухудшается естественная промываемость датчика, что влияет на репрезентативность и, следовательно, на точность измерения в конкретной точке морской среды.

Наиболее просто задача замыкания электрического поля внутри измерительной ячейки решается при выполнении датчика в форме стакана так, как это предложено, например, в патенте [Патент РФ №2046361, 20.10.1995. Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред. Авторы: Веревкин В.И., Быстров В.А., Поляков С.Е.].

Это устройство содержит «диэлектрическую трубку с расположенными в ней дисковым и кольцевым электродами, диэлектрическую прокладку, расположенную вблизи от дискового электрода и образующую вместе с диэлектрической трубкой стакан, регистраторы тока и напряжения и источник питания».

Это устройство принято в качестве прототипа. Его недостатками для достижения высокой точности являются: влияние поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, плохая естественная промываемость при неподвижном состоянии в неподвижной среде, отсутствие коррекции зависимости геометрических размеров датчика от его температуры и внешнего гидростического давления.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, коррекции влияния температуры корпуса датчика и внешнего гидростатического давления на геометрические размеры датчика, улучшение промываемое™ внутреннего объема датчика.

Эта цель достигается тем, что в измеритель удельной электропроводности жидкости, содержащий источник тока, измеритель напряжения, датчик с твердым диэлектрическим корпусом в виде стакана и двумя токовыми электродами, изменена конструкция датчика установкой клинообразного в 45° диэлектрического вкладыша на дне стакана и выполнением первого токового электрода в виде полудиска на дне стакана и второго токового электрода в виде полукольца по кромке стакана, которые установлены в противоположных секторах окружности поперечного сечения стакана, и в него дополнительно введены два потенциальных точечных электрода, установленных на образующей внутренней стенки стакана на расстояниях от токовых электродов, не меньших диаметра стакана, распределенный резисторный датчик температуры стакана, встроенный в корпус стакана, магнитогидродинамический движитель жидкости из двух U-образных магнитопроводов с катушками намагничивания, первый из которых установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между первым токовым электродом и первым потенциальным электродом, второй магнитопровод установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между вторым потенциальным электродом и вторым токовым электродом, измеритель сопротивления, подключенный по входу к выходам распределенного датчика температуры, источник питания электромагнитов, выходы которого поданы на входы катушек намагничивания, микропроцессор, соединенный входами-выходами с измерителем напряжения, измерителем сопротивления, источником питания электромагнитов, внешним выходом и с источником тока, который выполнен управляемым; причем удельная электропроводность аг жидкости определяется по формуле

где I - известное значение тока через токовые электроды, U - измеренное значение напряжения между потенциальными электродами, α - температурный коэффициент линейного расширения стакана при увеличении температуры на θ от нулевой, γ - коэффициент линейного сжатия измерительной базы стакана при увеличении внешнего давления на P от нулевого, K - «геометрическая константа» измерительной ячейки датчика при нулевых температуре и давлении.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема измерителя. На фиг. 2 показана схема формирования промывающего ячейку потока магнитогидродинамическим движителем (МГД).

Рассмотрим суть предложенного изобретения.

Для измерительной ячейки в форме цилиндра с внутренним диаметром d и длиной h образующей значение удельной электропроводности определяется формулой

где I - ток через ячейку, U - напряжение на ее границах,

- «геометрическая константа» при начальной температуре (нулевой) корпуса датчика и внешнем давлении (нулевом).

При увеличении температуры на θ и давления на P изменяется h и d и, следовательно, K.

Если считать эти изменения независимыми и линейными с известными коэффициентами α и γ, то можем записать

Тогда для значения «геометрической константы» при конкретных температуре и давлении при подстановке выражений (3-6) в выражение (2) получим

Обычно в океанографии измеритель электропроводности входит в состав СТД-комплексов, которые дают информацию о температуре воды и гидростатическом давлении P в точке измерения, например, при зондировании по глубине. Из-за тепловой инерции корпуса датчика электропроводности (стакана) его температура не обязательно будет равна температуре воды, если последняя изменяется. Поэтому температуру стакана θ целесообразно контролировать встроенным распределенным резисторным датчиком температуры как и предлагается в данном устройстве. Информацию о гидростатическом давлении целесообразно заимствовать извне, из данных СТД-комплекса.

Таким образом, при известных α, γ и измеренных значениях θ, P, I и U определяют текущую «геометрическую константу» K_θ,P по формуле (6) и удельную электрическую проводимость жидкости по формуле

где G - электропроводность измерительной ячейки.

Структурно-функциональная схема измерителя удельной электропроводности жидких сред представлена на фиг. 1. В состав измерителя входят датчик элек-топроводимости (ДЭ)1, представленный в 2-х проекциях, управляемый источник тока (УИТ)2, измеритель напряжения (ИН)3, измеритель сопротивления (ИС)4, источник питания электромагнитов (ИПЭМ)5, микропроцессор (МП)6.

ДЭ1 служит для установления количественных соотношений между током и напряжением в измерительной ячейке в соответствии с законом Ома.

ДЭ1 состоит из твердотельного диэлектрического стакана 1₁, на дне которого в верхнем секторе установлен клинообразный диэлектрический вкладыш 1₂ и первый дисковый токовый электрод 1₃ (с выходом T₁) в нижнем секторе, второй токовый полукольцевой электрод 1₄ (с выходом T₂) установлен по кромке горловины стакана в верхнем секторе, по образующей цилиндра на внутренней стенке стакана на расстоянии h друг от друга и не менее d (для образования равномерного электрического поля) от токовых электродов установлены точечные потенциальные электроды 1₅ и 1₆ с выходами П₁ и П₂. В корпус стакана встроен распределенный резисторный датчик температуры 1₇ с выходами С₁ и С₂. К внешней поверхности стакана по вертикальной оси подведены башмаки U-образных магнитопроводов 1₈ и 1₉ с катушками намагничивания 1₁₀ и 1₁₁, имеющими электрические выходы М₁, М₂ и М₃, М₄. U-образные магнитопроводы предназначены для образования совместно с рабочим током I через токовые электроды 1₃ и 1₄ магнитогидродинамического движителя (МГД), за счет силы Лоренца обеспечивающего движение воды внутри стакана для принудительного его промывания. Диэлектрическая вставка 1₂, выполнение токовых электродов в виде полу диска (первого) и полукольца (второго) и установка их в разных секторах окружности сечения стакана необходимы для формирования направления линий электрического тока, нужного для МГД-движителя. Выходы токовых электродов Т₁ и Т₂ соединены с выходами управляемого источника тока 2, выходы потенциальных электродов T₁ и T₂ поданы на входы измерителя напряжения 3, выходы С₁ и С₂ распределенного датчика температуры 1₆ поданы на входы измерителя сопротивления 4, выходы обмоток электромагнитов М₁, М₂, М₃ и М₄ соединены с выходами ИПЭМ 5. Микропроцессор 6 служит для управления измерениями и первичной обработки данных и соединен по цифровым входам-выходам с УИТ 2, ИН 3, ИС 4 и ИПЭМ 5 и внешним выходом измерителя 7.

Приведенная структурно-функциональная схема и состав измерителя справедливы при работе его на постоянном, переменном и знакопеременном токе. Однако для облегчения борьбы с поляризацией токовых электродов, возможности изготовления электродов не из благородных металлов, исключение влияния емкостных составляющих в комплексном сопротивлении измерительной ячейки, целесообразно использовать такую схему включения 4-х электродной измерительной ячейки на знакопеременном токе с автоматической настройкой на активную составляющую сопротивления, которая предложена в патенте [Гайский В.А., Клименко А.В. Кондуктометр // Патент РФ №2312331, 30.06.2005. Опубл. 10.12.2007. Бюл. 34]. Описание реализации этого устройства приведено в работе [Гайский В.А., Клименко А.В., Греков А.Н., Васильев Д.М. Измеритель электропроводности жидкости // Системы контроля окружающей среды / Средства и мониторинг. Сб. науч. тр. МГИ НАНУ. - Севастополь. 2005, - С. 81-84].

Для избежания возникновения межэлектродного потенциала все электороды изготавливаются из одного устойчивого к коррозии в морской воде материала (платина, золото, нержавеющая сталь, тантал и др.). Потенциальные точечные электроды 1₄ и 1₅ с возможно меньшим диаметром (типа острия иглы) устанавливаются заподлицо с внутренней поверхностью стакана.

При использовании знакопеременного тока в работе измерителя управляемый генератор тока 2 имеет в своем составе коммутатор полярности на выходе, измеритель напряжения 3 содержит на входе коммутатор полярности, синфазированный с генератором тока, источник питания электромагнитов 5 также имеет синфазированный с источником тока коммутатор на выходе тока намагничивания для сохранения постоянства направления силы Лоренца в магнитогидродинамическом движителе (МГД), а, следовательно, и направления вынужденного движения жидкости [Общая физика. Электрические и магнитные явления // Справочное пособие / А.И. Ахиезер. - Киев: Наукова думка, 1981. - С. 358]. [https.//en.wikipedia.org/wiki//magnetohydrodynamics].

Во всех случаях измеритель напряжения 3 должен иметь максимально большое входное сопротивление, чтобы не шунтировать измерительную базу между потенциальными электродами. Встроенный в стакан распределенный датчик температуры 1₆ изготавливают из металлов с хорошей термочувствительностью (платины, меди или никеля) и обеспечивают контроль температуры по его сопротивлению, измеряемому с помощью ИС 4.

При измерениях непосредственно в среде с подвижного носителя измерителя (зонда или буксира) стакан датчика хорошо промывается потоком обтекания при соответствующей ориентации относительно потока. При позиционных постановках в неподвижной среде промываемость стакана датчика для обеспечения репрезентативности (и точности) измерений осуществляется с использованием МГД-движителя.

На фиг. 1 условно обозначены полюса N, S электромагнитов, показаны линии рабочего тока и направления векторов потоков и , возникающие за счет силы Лоренца, направление которой определяется по правилу «правой руки».

Подробнее схема формирования промывающего потока в стакане МГД-движителем показана на фиг. 2, где сформированные установкой клинообразного 45° градусного вкладыша на дно стакана и расположением токовых электродов в противоположных секторах окружности сечения стакана электрическое поле с нужными отклонениями направления тока от оси цилиндра представлено на рис. 2а, схема наложения следов магнитных полей с направлением на линии тока показана на фиг. 2б, схема формирования потоков жидкости под воздействием силы Лоренца в МГД-движителе показана на фиг. 2в.

Таким образом, реализованный в стакане датчик за счет специально сформированного электрического поля и линий тока между токовыми электродами и добавленных электромагнитов двойной МГД-движитель порождает продольный вихрь внутри стакана, промывающий измерительную ячейку датчика.

Величина силы Лоренца (и скорость потока V) пропорциональна силе тока и величине магнитной индукции, необходимые значения которых должны быть обеспечены.

Устройство работает следующим образом. В среде измерения стакан датчика заполняется обновляемой жидкостью. Через токовые электроды по входам Т₁ и Т₂ в измерительную ячейку поступает контролируемый ток I, а на выходах П₁ и П₂ потенциальных электродов возникает напряжение U.

При измерениях на разнополярном токе вторичным измерительным преобразователем, который образован источником тока 2 и измерителем напряжения 3 под управлением микропроцессоров, реализуется выделение синфазных составляющих тока I и напряжения U, по которым определяется активная составляющая электропроводности G измерительной ячейки между потенциальными электродами по формуле

Далее для определения удельной электропродности жидкости необходимы градуировочные значения K и коэффициенты α и γ для «геометрической константы» K_θ,Р, которые входят в выражение (8).

При заданной образцового раствора, известных θ₀ и P₀, измеренных I₀ и U₀ из выражения (8) получим

где К - «геометрическая константа» при начальной (нулевой) температуре и начальном (нулевом) давлении, зависящая только от параметров h и d измерительной ячейки.

Задачей градуировки является определение неизвестных K, α и γ.

Для упрощения процедуры не требуется специально стабилизировать температуру и давление, которые можно измерять при взятие отсчетов по четырем образцовым пробам жидкости , для которых в дополнение к выражению (10) справедливы выражения

Попарно поделим выражение (10) на выражения (11) и получим

Введем обозначение

Запишем

После преобразований получим систему линейных алгебраических уравнений вида

с неизвестными α, γ и αγ.

При решении системы (15) по правилу Крамера получим определитель системы

Для представляющих интерес неизвестных получим

- Значение K определим из уравнений (11) как среднее

В рабочем режиме измеряются текущие G, θ и P и удельная электропроводность жидкости вычисляется по формуле (8), где K_θ,P из формулы (7).

Таким образом, поставленная цель повышения точности за счет исключения влияния на результат измерения поляризационных эффектов на токовых электродах, обеспечения замкнутости электрического поля измерительной ячейки, обеспечения репрезентативности измерений в конкретной точке пространства и времени, коррекции изменения геометрических размеров измерительной ячейки от изменения температуры и внешнего давления, достигнута.

Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее источник тока, измеритель напряжения, датчик с твердым диэлектрическим корпусом в виде стакана и двумя токовыми электродами, отличающееся тем, что в датчике установлен клинообразный 45-градусный диэлектрический вкладыш на дне стакана и первый токовый электрод выполнен в виде полудиска на дне стакана и второй токовый электрод выполнен в виде полукольца по кромке стакана и они установлены в противоположных секторах окружности поперечного сечения стакана, в который дополнительно введены два потенциальных точечных электрода, установленные на образующей внутренней стенки стакана на расстояниях от токовых электродов, не меньших диаметра стакана, распределенный резисторный датчик температуры стакана, встроенный в корпус стакана, магнитогидродинамические движители из двух U-образных магнитопроводов с катушками намагничивания, первый из которых установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между первым токовым электродом и первым потенциальным электродом; второй магнитопровод установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между вторым потенциальным электродом и вторым токовым электродом; измеритель сопротивления, подключенный по входу к выходам распределенного датчика температуры; источник питания электромагнитов, выходы которого поданы на входы катушек намагничивания; микропроцессор, соединенный входами-выходами с измерителем напряжения, измерителем сопротивления, источником питания электромагнита, внешним выходом и с источником тока, который выполнен управляемым; причем удельная электропроводность жидкости определяется по формуле

,

где I - известное значение тока через токовые электроды, U - измеренное значение напряжения между потенциальными электродами, α - температурный коэффициент линейного расширения стакана, θ - повышение температуры стакана от нулевой, γ - коэффициент линейного сжатия измерительной базы стакана на измерительной базе при увеличении давления, P - увеличение внешнего давления от нулевого, K - «геометрическая константа» измерительной ячейки датчика при нулевых температуре и давлении.