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» Kθ,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» Kθ,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 Kθ,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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальных трубопроводах в нефтяной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения проводимости и состава растворов, влажности различных сыпучих веществ устройствами с использованием бесконтактных емкостных кондуктометрических датчиков.

Изобретение относится к устройствам для измерения электрической проводимости жидких многокомпонентных, в том числе агрессивных сред, и может быть использовано для контроля и регулирования технических параметров жидких сред по величине электрической проводимости, например для контроля концентрации растворенных в воде солей и др.

Изобретение относится к области электрических измерений. .

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для измерения проводимости и солевой минерализации воды, бурового раствора и пластовой жидкости.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких растворов и расплавов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля параметров материалов, веществ, изделий и может быть использовано как при изучении их физико-механических свойств, так и в технологических процессах для оценки их качества (наличия) по величине их диэлектрического параметра.

Изобретение относится к физическим методам измерения магнитных характеристик вещества, включая высокие температурные интервалы (до 1600°С). .

Изобретение относится к электроизмерительной технике. .

Изобретение относится к устройствам для измерения свойств жидкостей, в частности удельного электрического сопротивления. .

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.

Наверх