Устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости

 

Союз Советских

Социапистических

Республик

ОП ИСАНИИ

ИЗЬ6РЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 928215 (61 } Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 03. 04. 80 (21) 2902601/23-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 150!х82. Бюллетень Лв 18

{51) М. Кл.

G 01 и 27/02

3ЬеударатюлИ кеметет

CCCP ае делам езебретелия н открытей (53) УД K 543. 257 (088. 8) Дата опубликования описания 15 -05.82

1- ., „.

В. Н.Хажуев,. А.В. Плошинский и АМ.OoHpl4BPe

- i..

/ .! (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель

< 5ЦУСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИИОСТИ

ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к исследованию электрофизических свойств растворов электролитов и может быть использовано в промьииленной кондуктометрии в системах контроля различных химико-технологических процессов, связанных с переработкой электропроводящих жидкостей, для анализа сточных вод и загрязнений водных бассей нов, в океанологии, экспериментальной гидродинамике, в метрологичес— 1О кой практике для построения образцовых средств измерений удельной электрической проводимости (УЭП) .

Известно устройство для измерения

1S электропроводности потоков жидкости, содержащее изолированный участок трубопровода с охватывающим его тороидальным трансформатором, два электрода, погруженные в жидкость, протекающую по трубопроводу, и установленные по обе стороны трансформатора; источник переменного напряжения, согласующий трансформатор, измерительный блок и регистратор. Принцип действия устройства основан на измерении сопротивления жидкости между электродами, которое зависит от значения УЭП исследуемой жидкости (1) .

Недостатками известного устройства являются низкая точность и чувствительность, ограниченные быстродействие и функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости, содержащее корпус с проточной трубкой, два тороидальных трансформатора, установленных снаружи проточной трубки аксиально ей, источник переменного напряжения с согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителя. Связь между измерительным и питающими трансформаторами осуществя-. - г: н чз928?15

30

4 азом.

3 рез жидкостный виток с изменяющейся УЭП (27 ..

Однако данное устройство имеет низкую точность и чувствительность, ограниченное быстродействие и ограниченные функциональные возможности, а также большие габариты и сложность конструкции.

Цель изобретения - повышение чувствительности, точности и быстродействия.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения электропроводимости потоков жидкости, содержа . щем корпус с проточной трубкой, два токоидальных трансформатора, установ, ленных снаружи проточной трубки ак- сиально ей, источник переменного напряжения с согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителя, проточная трубка корпуса снабжена двумя электродами один из которых установлен у входного отверстия трубки внутри ее, а второй электрод размещен в конце трубки с переходом на наружную поверхность корпуса, при этом первый электрод связан с согласующим трансформатором,линией, проходящей между тороидальными трансформаторами, а входная дифференциальная цепь усилителя, подключенная к выходным обмоткам тороидальных трансформаторов, выполнена в виде двух усилителей. преобразователей тока в напряжение.

Это позволяет сформировать две независимые чувствительные зоны, разнесенные по пространству с помощью электродов, создать такие условия течения жидкости в зонах, 1ри которых одновременно измеряются йе- искаженная структура поля УЭП (краевой эффект) и усредненное значение

ЭУП (эффект гидродинамического соглаживания, дифференциально включить тороидальные трансформаторы с помощью двух усилителей - преобразователей тока в напряжение, а также использовать электроды в роли жесткого малогабаритного корпуса удобообтекаемой формы.

На фиг.1 предСтавлен первичный измерительный преобразователь устрой ст ва, общий вид; на фи г. 2 - .функциональная схема устоойства.

Устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости (см. фиг.l) содержит удобообтекаемый герметичный корпус 1, погруженный в свободный поток 2, с проточной трубкой 3 и двумя аксиально расположенными в нем тороидальными трансформаторами

4 и, электрод 6, установленный внутри трубки 3, с выводом 7, пропущенным между трансформаторами 4 и 5 и электрод 8 с выводом 9, установленный в конце трубки 3 с переходом на наружную поверхность корпуса 1; согласующий трансформатор 10 (см. фиг.21, к вторичной одновитковой обмотке 11 которого подключены выводы

7 и 9 от электродов 6 и 8, а к первичной обмотке 12 подключен источник 13 переменного напряжения, два усилителя — преобразователя тока в напряжение 14 и 19, входы которых подключены к выводам трансформаторов 4 и 5 соответственно, а выходы— к дифференциальному усилителю 16, 25 блок регистрации и управления 17, состоящий из последовательно присоединенных к выходу усилителя 16, детектора 18, усилителя 19 низкой частоты и исполнительного механизма 20.

Устройство работает следующим обПри погружении первичного измерительного преобразователя устройства в исследуемый поток 2 {см. Фиг.1) корпус 1 с проточной трубкой 3 Формирует жидкостный виток связи, охватывающий тороидальные трансформаторы 4 и g. При приложении переменного напряжения от источника 13 (см. Фиг.2) через согласующий трансформатор 10 к электродам 6 и 8 в жидкости образуются два параллельных контура с токами 21 и 22 и, следовательно, последовательные, относительно оси трубки 3 (см. Фиг.1), чувствительные зоны. Первая зона в районе входного отверстия трубки 3 на участке: передний край электрода 6, установленного на внутренней поверхности трубки .3, -,передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1. Вторая зона — внутри проточной трубки 3 на участке: задний край электрода 6 — передний край электрода 8 внутри трубки 3.

При этом направление токов 21 и 22 (см. Фиг.2) в трубке 3, стекающих с:

9282

5 электрода 6 в чувствительные эоны, противоположное. Два контура с токами 21 и 22 в жидкостном витке образуются эа счет того, что только первый электрод 6 связан со вторичной обмоткой ll согласующего трансформатора 10 вйводом 7 (см. фиг.l), пропущенным между тороидальными трансформаторами 4 и 5. Вывод 9 от второго электрода 8 не охватывает <о указанные трансформаторы и соединен со вторым концом вторичной обмотки 11 (см. фиг.2) трансформатора 10. Очевидно, что в однородном по УЭП потоке и равенстве между собой кондуктивных по тоянных чувствительных зон, токи 21 и 22, протекающие по контурам, равны между собой и пропорциональны УЭП жидкости. В неоднородном по УЭП потоке (например, 2о в турбулентном) чувствительная зона между передним краем электрода 6 и передним краем электрода 8 на наружной поверхности„ корпуса 1 реагирует на мгновенное значение УЭП в ло- zs кальном объеме потока перед входом в отверстие трубки 3, а вторая чувствительная зона внутри трубки 3 реагирует на осредненное во времени значение УЭП. Чувствительность к Зо пульсации (пространственным локальным неоднородностям УЭП в потоке) обеспечивается эа счет работы первичного измерительнего преобразователя предлагаемого устройства на краевом эффекте. Для обеспечения этого эф. Фекта передний край электрода 6 должен отстоять от входа в отверстие трубки 3 на расстоянии не менее 0,1 внутреннего диаметра трубки 3, а пе- 4о редний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 должен отстоять от входа в отверстие трубки 3 на расстоянии - 10 диаметров отверстия.

Пространственная разрешающая способ- 4S ность (способность преобразователя различать малые локальные неоднородности УЭП в потоке) первой чувствительной зоны. зависит от внутреннего диаметра трубки 3 и расположения передних краев электродов 6 и 8 относительно входа в трубку 3. Высокая точность измерения мгновенных значе.ний УЭП достигается Фокусированием части сопротивления первой чувствительной зоны (порядка 50 ) за счет значительной плотности тока непосредственно перед входом в отверстие

15 6 трубки 3 (краевой эффект) и отнесение электродов из области максималь" ной плотности тока (передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1) и активного гидродина мического воздействия потока 2! (ne редний край электрода 6 внутри трубки 3). Выбор конкретных расстояний передних краев электродов 6 и 8 относительно входа в отверстие трубки 3 и краев электродов 6 и 8 внутри . трубки 3 может широко изменяться в зависимости от целей и задач исследований, конструктивных требований и условий эксплуатации. Например, при использовании устройства в качестве измерителя турбулентных пульсаций передний край электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 предпочтительно выносить эа пределы краевой чувствительной зоны, ограниченной, в первом приближении, условной сферой с радиусом порядка 5 диаметров отверстия трубки 3 относительно ее края, а передний край электрода Ь предпочтительно устанавливать на расстоянии порядка 0,5 - 1 диаметра внутреннего отверстия трубки 3 от входа в нее. Поскольку расположение краев электродов 6 и 8 определяет масштаб усреднения и кондуктивную постоянную первой зоны, то этим определяется и выбор расстояния не менее 1 диаметра отверстия трубки 3 между краями -электродов 6 и 8 внутри трубки 3, определяющего значение кондуктивной постоянной второй зоны.

При расположении краев электродов 6 и 8 непосредственно вблизи края входного отверстия трубки 3 устройство предпочтительнее применять для исследования тонко-слоистой структуры жидкости, например при вертикальном зондировании океана, поскольку повышается способность первичного измерительного преобразователя различать более тонкие слои, неоднородные qo УЭП. На основании изложенноt-o регламентируется установка переднего края электрода 8 на наружной поверхности корпуса 1 на расстоянии

1 — 10 диаметров и переднего края-электрода 6 на расстоянии не менее

0,1 диаметра отверстия трубки 3 от входа в нее, а также расстояние не менее 1 диаметра между краями элект" родов 6 и 8 внутри трубки 3.

При работе устройства в потоке локальные концентрационные или тем.R = " " 2700, (1) 20 где Vg - скорость течения жидкости в Tpy6 e(Vg CV, где Vскорость набегающего потока);

d - диаметр внутреннего отверстия трубки;

V - кинематическая вязкость жидкости.

30

При необходимости дополнительное, сглаживание пульсаций внутри трубки

3 легко осуществить конструктивными мерами, например введением сглаживающей решегки, объединенной с электродом 6. Комбинированием расположения краев электродов 6 и 8 внутри трубки 3, диаметра и формы трубки 3 можно выбирать необходимую

40 постоянную времени второй чувствительной зоны с учетом транспортного запаздывания жидкости в ней и .степени сглаживания пульсаций УЗП ,(усреднение во времени) в трубке 3.

Удовлетворительное выполнение условия Re z 2700 достигается уже при расположении задиего края электрода

6 на расстоянии порядка 5 диаметров внутреннего отверстия трубки 3 от

50 входа в нее со стороны набегающего потока 2. Расположение электрода 8 внутри трубки 3 с переходом на наружную поверхность корпуса 1 позволяет также практически полностью исключить влияние отрыва течения с кор. 55 пуса 1 на гидродинамическую обстановку в районе второй чувствительной зоны.

7 g2821 пературные неоднородности УЭП входят в краевую чувствительную зону, далее частично сносятся потоком вдоль образующей корпуса 1 и частично проникают в отверстие трубки 3, По ме- 5 ре прохождения линейного участка от края входного отверстия трубки 3 до второй чувствительной зоны между задним краем электрода б и передним краем электрода 8 внутри трубки 3 пульсации скорости и УЭП затухают.

Расположение второй чувствительной зоны внутри трубки 3 и ее диаметр выбираются такими, чтобы в ее сечении число Рейнольдса (Re), харак- 15 теризующее режим течения жидкости ,(ламинарный или турбулентный), было меньше критического, т.е.

5 8

Обязательными условиями при измерении пространственно-временной структуры УЭП исследуемого турбулентного потока являются минимальные искажения поля пульсаций, вносимые корпусом 1, независимость измерений от сноса и срыва потока 2, низкий уровень шумов гидродинамической породы. Это достигается в предлагаемом устройстве одновременно и во взаимосвязи локализацией чувствительных зон перед входом в отверстие трубки 3 и внутри нее, реагирующими на мгновенное и усредненное значения УЗП, приданием удобообтекаемой формы корпусу 1 (например, в виде эллипсоида вращения), выбором формы внутреннего отверстия трубки 3 (например, в виде конфузо ра, а также диффузора, профиля Вен-! тури и др ) .

При выбранных расстояниях краев электродов 6 и 8 относительно друг друга и края входного отверстия трубки 3 удобообтекаемой формы корпуса 1 достигается как стабильность гидродинамической обстановки, так и стабильность поверхностных условий на электродах 6 и 8. Вместе с этим, расположение краев электродов 6 и 8 на корпусе 1 и внутри трубки 3 определяет выбор кондукти вных постоян%ых чувствительных зон, которые долж ны быть приблизительно равными или, по крайней мере, одного порядка. Поэтому расстояние между задним краем электрода 6 и передним краем электрода 8 внутри трубки 3 должно быть не менее 1-го диаметра отверстия трубки 3, Высокая стабильность переходных сопротивлений на электродах 6 и 8 обеспечивается достаточно большой активной поверхностью электродов (не менее единиц квадратных миллиметров), подключением электродов 6 и 8 посредством выводов 7 и 9 к одновитковой обмотке 1-1 (см. фиг.2) трансформатора 10, образованием двух параллельных контуров с приблизительно одинаковыми сопротивлениями в них, а также единым тепловым .режимом электродов 6 и 8. При этом

1 следует отметить, что два параллельных .контура, каждый из которых охватывает соответствующие тороидальные трансформаторы 4,или 5, образуются при условии, если только один вывод 7 (см. фиг.1} от электрода 6 пропущен между трансформаторами 4

928215

9 и 5. В результате такого включения электроды 6 и 8 образуют эквипотенциальную поверхность с самобалансирующими переходными сопротивлениями, обусловленными емкостями двойно- 5 го электрического слоя, на краях электродов 6 и 8. Поэтому значения токов 21 и 22 (см. Фиг.2}, протекающих по каждому контуру, не зависят от состояния поверхностных условий на электродах 6 и 8, а целиком определяются значениями УЭП в соответствующих чувствительных зонах.

Повышение точности и чувствительности в предлагаемом устройстве дости- 13 гается за счет самокомпенсации по,стоянной составляющей (среднего зйачения УЭП), коррелированных помех электромагнитной и гидродинамичес-кой природы, сведения к минимуму 20 влияния нестабильности источника питания, а также путем подключения к трансформаторам 4 и 5 двух уси,1телей - преобразователей тока в напряжение 14 и 15, и решается за счет 23 образования усилителями 14 и 15 дифференциальной входной цепи усилителя 16. При этом трансформаторы 4 и

5 включаются в режим трансформаторов тока (режим короткого замыкания 30 за счет низкого входного сопротивления усилителей — преобразователей .

14 и 15, составляющего единицы Ом и менее), что, в освою очередь, позволяет повысить отношение сигнал/шум на входах усилителей 14 и 15 и стабильность коэффициентов передачи трансформаторов 4 и 5, исключить дифференцирование в трансформаторах

4 и 5 сигналов сложной формы и умень- 40 шить влияние температурной нестабильности магнитной проницаемости при преобразовании сигналов в каждом канале.

Очевидно, что в однородной сре- 45 де при равенстве кондуктивных постоянных и коэффициентов передачи каждого канала сигнал на выходе усилителя 16 равен нулю. В неоднородном по УЭП потоке 2 на выходе усилителя 16 появляется разностный амплитудно-модулированный сигнал, который в блоке регистрации и управления 17 детектируется (181, усилиВается 19) и пОступает на испОлнительный механизм 20 (например, цифровой вольметр, спектроанализатор, звуковой сигнализатор, система автоматического регулирования.и др.1

10 ю

С помощью устройст ва обеспечивается измерение мгновенных, средних и пульсационных значений УЭП в широком амплитудно-частотном диапазоне как в трубопроводах, так и в свободном потоке. Следует также отметить простоту конструкции и малые габариты первичного измерительного преобразователя, достигаемые эа счет использования электродов 6 и 8 как по прямому назначению, так и в качестве несущего жесткого корпуса.

Малые габариты преобразователя, удобообтекаемая форма его тела позволяет устанавливать его практически в любых трубопроводах диаметром по,» рядка 5 мм и более. Одновременно с этим существенно упррщается процедура периодической поверки и градуировки устройства в процессе эксплуатации. Для него не требуется приготовления больших количеств стандартных растворов, больших термостатированных объемов и применения нестандартного оборудования.

Изготовлен макет устройства са следующими характеристиками:

Корпус в виде эллипсоида диаметр . вращения 2ВАО им

Диаметр внутреннего отверстия трубки, мм 2

Два спаренных магнитопровода для каждого тороидального трансформатора

М2000НИ1 К 16 86

Расстояние от края входного отверстия трубки до второй чувствительной зоны, мм 20

Кондуктивная постоянная чувствительных эон, м 500

Напряжение и частота пи- 100 мВ, тания электродов 16 кгц

Входное сопротивление усилителей — преобразователей менее тока в напряжение, Ом 3

Электроды выполнены из нержавеющей стали и выполняют также функцию. корпуса. Внутренний объем корпуса с трансформаторами заливают эпоксидным компаундом. Испытания проводятся в гидродинамическом стенде {скорость потока до -5 м/с, УЭП-2 См/м). Локальные неоднородности создаются путем впрыска в рабочий участок раствора повышенной концентрации или температуры.

Лабораторные испытания показыва-. ют, что устройство обеспечивает измерение средних значений УЭП в диаформула изобретения

11 9 пазоне 0,1 - 10 См/м с погрешностью не более 0„53; измерение среднеквадратических и мгновенных значений пульсаций УЗП в диапазоне 0,01

103 относительно фонового значения с погрешностью 5 - 103 в частотном диапазоне до 500 Гц; коэффициент подавления пульсаций внутри трубки (эффективность гидродинамического сглаживания) порядка 100 и масштаб пространственного осреднения 10

15 мм.

Испытания устройства на долговременную стабильность его градуировочных характеристик показывают высокую стабильность поверхностных условий на электродах и кондуктивных постоянных (не хуже 0,23 от номинального значения за 200 ч непрерывного нахождения преобразователя в солевой воде).

Устройство для измерения электропроводимости потоков жидкости, содержащее корпус с проточной трубкой, два тороидальных трансформатора, установленных. снаружи проточной труб282 l5 12 ки аксиально ей, источник переменного напряжения с Согласующим трансформатором, усилитель с дифференциальной входной цепью, блок регистрации и управления, подключенный к выходу усилителя, о. т л и ч а ющ е е с я тем, что", с целью повышения чувствительности, точности и быстродействия, в нем проточная

10 трубка корпуса снабжена двумя электродами, один из которых установлен у входного отверстия трубки внутри нее, а второй электрод размещен в конце трубки с переходом на наруж1S ную поверхность корпуса, при этом первый электрод связан с согласующим трансформатором линией, проходящей между тороидальными трансформаторами, а входная дифференциаль20 ная цепь усилителя, подключенная к выходным обмоткам тороидальных трансформаторов, выполнена в виде двух усилителей - преобразователей тока в напряжение.

2S Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ У 1281567, кл. G 01 N 27/22, 1969.

2. Патент США Ф 3806798, 30 кл. G Ol и 27/42, 1974 (прототип}.

Составитель Э. Скорняков

Редактор В.Бобков Техред И. Рейвес Корректор A,Дзятко

Заказ 3226/54 Тираж 883 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, >l(-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4