RU1800350C - Устройство дл измерени удельной электропроводности жидких сред - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике дл  измерени  удельной электропровод- нбсти жидких растворов и расплавов в услови х действи  внешних (сторонних) источников тока, в том числе в локальных объемах жидких растворов и расплавов с высокой удельной электропроводностью. Сущность изобретени : устройство содержит диэлектрическую трубку 1, два токовых электрода 3 и. измерительный электрод 4. Введение электропроводной вставки 2 с .посто нным эталонным сопротивлением между двум  токовыми электродами, выполненными с виде сплошных дисков, и соединение между собой электродов через, регистраторы 5, 7 напр жени  позвол ют повысить точность измерени  высоких удельных электропроводностей. 1 табл. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам дл  измерени  удельной электропроводности жидких растворов и расплавов в услови х действи  внешних (сторонних) источников тока, в том числе в локальных объемах жидких растворов и расплавов с высокой удельной электропроводностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  удельной электропроводности , выполненное в виде диэлектрической трубки, в которой расположены заподлицо с внутренней поверхностью три кольцеобразных электрода, двух регистраторов напр жени , магазина сопротивлени  и многопозиционного переключател , причем первый и второй регистраторы напр жений соединены соответственно между первым и вторым, вторым и третьим электродами , а магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, которые соединены последовательно, подключены к второму регистратору напр жени . Падение напр жени  U на первом участке исследуемой жидкой среды фиксируетс  первым регистратором, а падение напр жени  Ui на общем сопротивлении В0бщ двух параллельных электрических цепей - таком же втором участке исследуемой жидкой среды и установленным с помощью многопозиционного переключател  сопротивлении RH из магазина сопротивлений вторым регистратором . Так как сопротивление RH точно известно , а токи на первом участке жидкой среды и общем сопротивлении Р0бщ одинаковы , то по известным геометрическим размерам первого и второго участков жидкой среды и фиксируемым напр жени м определ етс  удельна  электропроводность жидкой среды.

Недостатками известного устройства  вл етс  невозможность измерени  удель- : ной электропроводности среды с высокой удельной электропроводностью.

Через магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель протекает силовой ток, создающий на подвод щих проводах достаточно большое падение напр жени . При измерении высокой удельной электропроводности жидкой среды, например расплавов, электрическое сопротивление подвод щих проводов может оказатьс  не только соизмеримым, но и много выше электрического сопротивлени  второго участка исследуемой жидкой среды. Даже при полностью выведенном из электрической цепи магазине сопротивлений не соблюдаетс  рекомендаци  Ui (0,,4)U. Величина напр жени  Ui мало отличаетс 

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

от U. Точность определени  удельной электропроводности исследуемой жидкой среды по. формуле

ч к Щ-и Т См-мИ ™

резко падает. Она зависит от разности U-Ui в знаменателе формулы (1). Если эта разность мала, то величина ее может оказатьс  соизмеримой с точностью измерени  напр жений в самих регистраторах напр жени . В знаменатель формулы при этом подставитс  помеха. Учитыва , что длины отход щих от датчика проводов достигают нескольких метров, измерение устройством высокой удельной электропроводности исследуемых сред оказываетс  невозможным.

При измерении высокой удельной электропроводности в локальных объемах жидких растворов и расплавов и малой плотности тока на отход щих от датчика проводах наводитс  помеха, котора  в услови х малых значений полезного сигнала приводит к существенному искажению фиксируемого сигнала. Чем на меньшее значение уровень полезного сигнала отличаетс  от уровн  помехи, тем значительнее искажение . Отсутствие экрана на отход щих проводах затрудн ет процесс измерени  высокой, удельной электропроводности жидкой среды.

Наличие в устройстве проводов с силовым током, проход щих через жидкую среду , приводит к возникновению вокруг них значительного электромагнитного пол . Это поле взаимодействует с электромагнитными пол ми, создаваемыми током жидкой среды. Это приводите смещению эквитоко- вых линий в трубке датчика и частичному нарушению равномерности распределени  плотности тока в трубке. В результате возрастает электросопротивление участка жидкой среды между внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами в трубке датчика. Измеренна  величина удельной электропроводности жидкой среды оказываетс  заниженной.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  устройством высоких удельных электропроводностей исследуемых сред.

Цель достигаетс  тем, что устройство дл  измерени  удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены первый, второй и третий электроды, первый и второй регистраторы напр жени , отличающеес  тем, что первый и второй электроды выполнены в виде сплошных дисков, введена электропроводна  вставка с посто нным

эталонным электросопротивлением, расположенна  между первым и вторым электродами , при этом первый электрод соединен через первый регистратор напр жени  с вторым электродом, который соединен через второй регистратор напр жени  с третьим электродом.

Удельна  электропроводность определ етс  по формуле

q к . Ui /-.. ....-1

#

U2

м

(2)

где K константа датчика, См

Кь о

Ui - падение напр жени  на электропроводной вставке, В;

U2 - падение напр жени  на участке жидкой среды датчика, расположенном между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом В;

I - рассто ние между измерительным электродом м ближайшим к нему токовым электродом, м;

S - внутренн   площадь поперечного

сечени  трубки, м

2.

RB - электрическое сопротивление вфгавки, Ом

Устройство позвол ет не только производить измерение в жидкой среде в услови х воздействи  на нее сторонних источников тока, но и использовать эти ис- точники в процессе измерени . Оно дает возможность измерить удельную электропроводность жидких сред не только с низкой , но и с высокой Удельной электропроводностью, производить изме- рение в услови х действи  как сильных, так и слабых сторонних источников тока. Сопротивление вставки датчика известно и посто нно . Падение напр жени  на ней пропорционально току, протекающему внутри трубки датчика как по самой вставке, так и по заключенной в трубке жидкой среде . Падение напр жени  между измерительным электродом и ближайшим к нему тфковым электродом обратно пропорцио- нйльно удельной электропроводности среды . По известным падению напр жени , тбку и геометрическим размерам этого участка жидкой среды определ етс  удельна  электропроводность среды.

Дл  предотвращени  значительных колебаний величины сопротивлени  от температуры резистор выполнен из материала с сопротивлением, мало завис щим от темпе1 ратуры. Это необходимо ввиду того, что тем- пература резистора может,несколько мен тьс , так как он помещаетс  внутрь датчика. Датчик погружаетс  в исследуемую , среду, теМпература которой, во-первых, не

10

15

20

25

30 35 40 45 50

фиксируетс , во-вторых, может мен тьс . Подстановка в формулу (2) величины электросопротивлени  вставки RB не должна вносить значительных дополнительных погрешностей в величину оценки удельной электропроводности жидкой среды. Величина должна оставатьс  достаточно посто нной в услови х колебани  температуры вставки/Поэтому вставка выполн етс  из материала с сопротивлением, мало завис щим от температуры.

Резистор в отличие от прототипа помещаетс  внутрь трубки датчика и выполн етс  в виде электропроводной вставки. За счет перРМбщени  резистора внутрь датчика исключаютс  отход щие от датчика провода с силовым током. При этом сопротивление участка электрической цепи между токовыми электродами известного устройства снижаетс . Так как в известных пределах изменение температуры вставки не оказывает существенного вли ни  на ее -сопротивление, то, таким образом, одновременно устран етс  вли ние температуры на сопротивление подвод щих проводов и, следовательно, колебание тока в трубке.

В отличие от прототипа отсутствие проводов с силовым током, проход щих через жидкую среду, устран ет вли ние возникающего вокруг них электромагнитного пол  на равномерность распределени  плотности тока в трубке. Тем самым обеспечиваетс , более высока  точность измерени  удельной электропроводности жидкой среды .

Дл  устранени  наводок на провода, отход щие от датчика к регистраторам напр жени , они помещаютс  в заземленный экран с диэлектрической оболочкой.

Ввиду отсутстви  силовых проводов с большим поперечным сечением конструкци  предлагаемого датчика устройстёа более компактна.

В предлагаемом устройстве сила тока находитс  по известным значени м Ui и RB:

А

RB

(3)

Электрическое сопротивление на участке жидкой среды, расположённой между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом,

В - Ј А. Ом, (4) q о

где q - удельна  электропроводность жидкой среды, См м

,-1

Откуда

R -S

См м

-1

(5)

По закону Ома дл  участка цепи, расположенного между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом,

U2

R

Ом.

(6)

Так как сила тока на электропроводной вставке и на участке, расположенном между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом, одинаковые (по- 10 следовательно соединенные элементы), то подставив выражение (3) в формулу 6 и далее в уравнение (5), получаем формулу (2).

Сравнение за вленного решени  с другими техническими решени ми показывает, 15 что введенные элементы широко известны, Однако их введение в указанной св зи с другими элементами устройства, а также новое взаимное-расположение деталей приводит к про влению ими новых выше- 20 указанных свойств, позвол ющих повысить точность измерени  высокихудельных элек- тропроводностей исследуемых сред.

На чертеже представлена функциональна 1 схема устройства дл  измерени  удель- 25 ной электропроводности жидких сред.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состо щий из трубки- 1, выполненной из изол ционного материала , электропроводной вставки 2, выполнен- 30 ной из проводника 1-го рода с независимым от температуры и известным сопротивлени- ем,токовых электродов 3, внутреннего кольцевого измерительного электрода 4, а также экранированных соединительных проводов 35 в диэлектрической оболочке с заземлением экрана 5 и регистраторов 6 и 7 напр жени  (например, многопозиционных цифровых вольтметров).

Диэлектрическа  трубка датчика выпол- 40 н етс  из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой, жидкой среды. При высокой температуре среды материал труб- ки должен обладать жаропрочностью, а при 45 повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью либо жаростойкостью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, при высокой агрес- 50 сивности и температуре - из фарфора, керамики , кварца,спеченного алунда..

Электропроводна  вставка выполн етс  из проводника 1-го рода с.известным электрическим сопротивлением, мало зави- 55 с щим от температуры: в первую очередь - это манганин при температуре жидких сред до 250-300°С, дл  бол ее высоких темпера- ,- тур жидких сред (до 450-500°С) - констан- но,

тан и вать дини уров ный соста стан низк жидк вать ний агрес

в ви собо посл с  ди лени

из од ропр пове тель сред рочн сти с жаро зова

дине в сво 6 нап ближ реги

сред мер, пока спос необ жаро ропр . клад

каль прот роли ютс напр на  ходи прос лы (2 пров RB п

/. шен

10

15 20

25

30 35

40 45 50 55 ,- но,

тан и фехраль. Не рекомендуетс  использовать константан в контакте с медными соединительными проводами из-за высокого уровн  в контакте термоЭДС. Температурный коэффициент сопротивлени  при 20°С составл ет дл  манганина (3-6}х10 5, дл  кон- стантана , фехрал  . Дл  низк.ой температуры и агрессивности жидкой среды рекомендуетс  использовать материал эталонных электросопротивлений манганин. Дл  высокотемпературных и агрессивных сред - фехраль.

Вставка может выполн тьс  сплошной, в виде втулки, стержн  или представл ть собой стандартный посто нный резистор. В последнем случае существенно расшир етс  диапазон возможных значений сопротивлений вставки.

Кольцеобразный электрод выполн етс  из однородного материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной пол ризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал должен обладать жаропрочностью , а при повышенной агрессивности среды - коррозионной Стойкостью либо жаропрочностью. Например, может использоватьс  сталь 12Х18Н9Т.. Концы электропроводной вставки 2 соединены с токовыми электродами 3, которые,- в свою очередь, соединены через регистратор 6 напр жени , а измерительный электрод 4 и ближайший к немутоковый электрод3-через регистратор 7 напр жени .

Дл  помещени  датчика в исследуемую среду устройство снабжено штангой (например , в виде полого стержн  - на чертеже не показано), закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика, При необходимости стержень выполн етс  из жаростойкого либо жаропрочного неэлектропроводного материала. Внутри него,про,- .кладываютс  соединительные провода.

Устройство работаетследующим образом.

Датчик погружают в исследуемый локальный объем жидкой среды, по которому протекает рабочий ток (например, в электролит гальванической ванны). Регистрируютс  показани  регистраторов 6 и 7 напр жени , соответственно Ui и U2. Удельна  электропроводность жидкой среды находитс  по формуле (2). Процесс измерени  прост и занимает мало времени. Из формулы (2) следует, что при посто нной электропроводности жидкой среды q с увеличением RB пропорционально увеличиваетс  отноUi „

. Поэтому если априорно извест/ . шение

U2

ЧТО RB

R, то это приводит к

неравенству Ui« U2 и дл  повышени  точности измерени  удельной электропроводности жидкой среды требуетс  либо повысить чувствительность регистратора 6 напр жени , либо увеличить RB. При измерении высокой удельной электропроводности жидких сред рекомендуетс  меньшее значение RB. а при измерении низкой удельной электропроводности - большее. Целесообразно стремитьс  к выполнению соотношени  RB R. Определение RB возможно методом вольтметра-амперметра, т.е. пропусканием измер емого тока по вставке от независимого источника через подвод щие провода и измерением на вставке образующегос  падени  напр жени . RB находитс  по закону Ома дл  участка цепи.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении удельной электропроводности раствора КС концентрации 0,1 Н при 20°С при пропускании через раствор тока малой плотности и ртути при 20°С. Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что при достаточно малых значени х удельной электропроводности жидкой среды точность измерени  за вл емым устройством и прототипом соизмерима. Дл 

жидкой среды с высокими значени ми удельной электропроводности устройство- прототип непригодно, в то врем  как за вл емое устройство обеспечивает

достаточно высокую точность измерени .

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позвол ет повысить точность измерени  высоких уровней удельной электропроводности сред в услови х действи  слабых сторонних источников тока.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены первый, второй и третий . электроды, первый, второй регистраторы напр жени , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  высоких удельных электропроводностей, оно снабжено электропроводной вставкой с посто нным эталонным электросопротивлением , расположенной между первым и вторым электродами, которые выполнены в

   виде сплошных дисков, при этом первый электрод соединен через первый регистратор напр жени  с вторым электродом, а он, в свою очередь, через второй регистратор напр жени  - с третьим электродом.

   Прототип 28,16 10-

   За вл в- 28.26. ID 6 17.10иэе

   Прототип 28,26 Ю-6 17

   2,72-10

   500 0,li078 -o.iszjiui,i°/ , .

   55.10- 118-Ю 4-l,oM-lC61.03..

   10 -1C -ЮЫО 5|,0 й-10&нст гаке-нет иэие