RU2003967C1 - Устройство дл измерени удельной электропроводности жидких сред - Google Patents

Abstract

Использование измерение удельной электропроводности жидких растворов и расплавов в услови х действи  внешних источников тока Сущность изобретени  в диэлектрической трубке 1 расположены два дискообразных электрода 2 с диэлектрической вставкой 3, кольцевой измерительный 4 и кольцевой токовый 5 электроды Электроды 2 соединены между собой через регистратор 6 тока и диод 7. 1 ил

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам дл  измерени  удельной электропроводности жидких растворов и расплавов, в том числе в их локальных объемах, в услови х деист- ви  внешних (сторонних) источников тока.

Известен контактный датчик дл  измерени  удельной электропроводности, который содержит диэлектрическую проточную трубку с расположенными внутри кольцевыми электродами, токовый электрод в середине трубки, два заземленных токовых электрода вблизи открытых концов трубки, по два измерительных электрода с каждой стороны центрального токового электрода. При погружении этого датчика в исследуемую жидкую среду и пропускании контролируемого посто нного по величине тока через токовые электроды на обеих парах измерительных электродов возникает разность потенциалов, котора  обратно пропорциональнаудельной электропроводности среды (за вка ФРГ № 2617007, кл. G 01 N 27/07, опубл. 1977).

Недостатком устройства  вл етс  невозможность измерени  удельной электропроводности жидкой среды в услови х одновременного протекани  по ней тока от стороннего источника. Это объ сн етс  еле- дующими причинами. Электропотребител  в металлическом кожухе (сварочна  ванна, электролизер, шлакова  ванна при ЭШП и др.) подлежат об зательному заземлению (см, Правила устройства электроустановок. М.; Электроатомиздат, 1986, с.71, 610, 615). Так как оба токовых электрода вблизи открытых концов датчика  вл ютс  заземлен-, ными, то через электроды к заземлению идет силовой ток, нарушающий нормальную эксплуатацию электроустановки. Измен ютс  режим работы установки, характер распределени  тока в жидкой среде, теплосодержание ее отдельных участков, а следо- вательно, и значение удельной электропроводности среды, Падение напр жени  на заземл ющем проводе (участок которого входит в измерительную цепь по замеру силы тока, создаваемого внутренним источником) ведет к дополнительным погрешност м оценки силы тока. Параллельна  цепь создаетс  и через внутренний источник устройства: незаземленна  клемма стороннего источника - жидка  среда - токовый электрод в середине трубки (через левую и правую открытые концы трубки) - соединительный провод - амперметр - внутренний источник - соединительный провод - земл  - заземленна  клемма стороннего источника. В результате в измерительной цепи по замеру силы тока

действуют не один, а два источника. Показани  амперметра значительно искажаютс . Это искажает измеренную величину удельной электропроводности жидкой среды.

При использовании устройства дл  измерени  удельной электропроводности жидких сред в емкост х, не подлежащих заземлению , воздействие стороннего источника также делает процесс измерени  невозможным. Принципиально измерение возможно лишь при установке датчика перпендикул рно эквитоковым лини м стороннего источника. Однако устройство не снабжено средством дл  измерени  и фиксировани  положени  датчика (процесс измерени  предполагает лишь погружение датчика в исследуемую жидкую среду). Кроме того, электромагнитные пол , порождаемые токами от внутреннего и от стороннего источников, взаимодействуют между собой, привод  к по влению электрических полей и дополнительным погрешност м измерени  удельной электропроводности среды.

Известен контактный датчик дл  измерени  удельной электрической проводимости вод океана, выполненный в виде обрывного зонда обтекаемой формы со сквозным отберстием вдоль оси симметрии. Внутри отверсти  заподлицо с диэлектрической поверхностью стенки размещены три кольцевых электрода (крайние закорочены между собой). Принцип действи  основан на измерении сопротивлени  жидкости между крайними и центральным электродами , которое зависит от текущего значени  удельной электропроводности среды (патент США № 3549989, кл, G 01 N 27/42, опубл. 1979).

Устройство специализированное, и во врем  измерени  не допускаетс  протекание тока через исследуемую жидкую среду от стороннего источника тока. Это исключает возможность измерени  удельной электропроводности среды & действующем агрегате с непрерывным протеканием через жидкую среду рабочего тока, например в электролизной ванне.

При измерении в услови х действи  стороннего источника часть тока от этого источника идет по участку жидкой среды между крайними электродами, а основна  часть - по закоротке крайних электродов. Ток по закоротке может достигать весьма больших значений, что создает значительную пол ризацию крайних электродов. Сопротивлени  электрических цепей по замеру тока в жидкой среде от внутреннего источника возрастают, сила тока уменьшаетс . При этом же напр жении на электродах, создаваемом внутренним источником, изменение

силы тока приводит к ошибке определени  сопротивлени , а значит, и удельной электропроводности жидкой среды. Принципиально измерение возможно лишь при установке датчика строго перпендикул рно эквитоковым лини м стороннего источника. Однако устройство не снабжено средством дл  измерени  положени  (угла наклона) датчика относительно эквитоковых линий стороннего источника. Отсутствуют средства дл  изменени  и фиксировани  положени  датчика в исследуемой среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  удельной электропроводности , содержащее диэлектрическую трубку с дискообразными токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых два токовых и один из измерительных электродов расположены внутри трубки, а два других - снаружи соответственно над внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродом. Токовые электроды разделены изол ционной прокладкой и соединены между собой через последовательно включенные амперметр и переменный резистор. Наружные электроды соединены через первый регистратор напр жени , а внутренний измерительный и ближайший к нему токовый электроды - через второй регистратор напр жени  (авт.св. Мг 1684724, кл. G Ot N 19/00, 26.06.89). Устройство позвол ет не только производить измерени  в жидкой среде в услови х воздействи  на нее сторонних источников тока, но и использовать эти источники в процессе измерени . При измерении измен ют положение датчика , фиксируют уровень сигнала по первому регистратору. Добиваютс  такого положени  датчика, при котором уровень сигнала становитс  максимальным. В найденном положении датчика изменением сопротивлени  переменного резистора добиваютс  совпадени  показаний регистраторов напр жени . С помощью амперметра измер етс  ток. По току и напр жению на исследуемом участке жидкой среды и его известным геометрическим размерам находитс  удельна  электропроводность жидкой среды.

Устройство позвол ет производить измерение удельной электропроводности жидких сред в агрегатах с неизвестными точно геометрическими размерами, в том числе вблизи стенок. Точность измерени  практически не зависит от приближени  одного из концов трубки датчика к стенке агрегата . Важным достоинством  вл етс  возможность выполнени  измерени  им удельной электропроводности в услови х

действи  сторонних источников тока Однако устройство неработоспособно при полном отсутствии этих источников. Если по производственной необходимости нужно 5 произвести замер удельной электропроводности жидкой среды в промежутках между работой агрегата, когда сторонние источники тока отключены, то его выполнение изве- стным устройством оказываетс 

0 невозможным, так как питание его измерительных цепей осуществл етс  от тех же сторонних источников тока.

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей устрой5 ства.

Цель достигаетс  тем, что устройство дл  измерени  удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку с двум  расположенными

0 внутри трубки дискообразными электродами , между которыми расположена диэлектрическа  вставка, и двум  расположенными заподлицо с поверхностью трубки кольцевыми электродами, регистратор нэпр же5 ни , регистратор тока, переменный резистор, дополнительно содержит источник тока, диод, второй регистратор тока и выключатель, при этом оба кольцевых электрода расположены внутри трубки по одну

0 сторону от неэлектролроводной вставки, дискообразные электроды соединены через регистратор тока и диод, ближайшие друг к другу дискообразный и кольцевой электроды соединены через регистратор напр же5 ни , этот же дискообразный и второй кольцевой электроды соединены через выключатель , второй регистратор тока, источник питани  и переменный резистор.

Если внутренний источник тока устрой0 ства включен, то удельна  электропроводность определ етс  по формуле

q k

1

1с

U -Ко

См.м

.-1

0)

с где k - - - константа датчика, м ;

- рассто ние между ближайшими друг к другу дискообразным и кольцевым электродами , м;

S - внутренн   площадь поперечного 0 сечени  трубки, м2;

Ig - сила дополнительного тока от внутреннего источника тока. А;

U - суммарное падение напр жени  на участке жидкой среды, расположенном 5 между ближайшими друг к другу дискообразным и кольцевым электродами, создаваемое токами от сторонних и внутреннего источников тока, В;

Uo падение напр жение на том же участке жидкой среды, создаваемое током от сторонних источников тока, В.

Если внутренний источник тока устройства выключен, то удельна  электропроводность определ етс  по формуле

(2)

-1

q k -л- См.м .

Uo

Устройство позвол ет производить измерение удельной электропроводности жидкой среды как при наличии, так и при отсутствии сторонних источников тока.

Если выключатель включен, то дополнительный ток 1Д, пройд  от внутреннего источника тока через регистратор тока и выключатель, попадает на дискообразный электрод. Неэлектропроводна  вставка и встречно включенный диод, установленный между дискообразными электродами, преп тствуют протеканию тока в направлении к второму дискообразному электроду. Дополнительный ток идет по исследуемой жидкой среде внутри трубки. Он проходит мимо кольцеообразного измерительного электрода и, двига сь далее по жидкой среде , попадает на следующий кольцеобразный - токовый электрод, Стекающийс  к токовому кольцевому электроду ток в дальнейшем проходит по переменному резистору и попадает на вторую клемму внутреннего источника тока. В результате протекани  дополнительного тока на участке жидкой среды ближайшими дискообраз- ными и кольцевым измерительным электродами с сопротивлением Rp создаетс  падение напр жени 

ид - 1д.Яр(3) ,

Если трубка в изучаемой жидкой среде установлена так, что направление тока, создаваемого сторонними источниками тока, соответствует пропускному направлению диода, то на том же участке жидкой среды ток от сторонних источников создаетс  падение напр жени 

U0 I.Rp.(4)

Общее падение напр жение на участке U Uo + ид Uo + IA.RP,(5)

откуда

u-Uo (6)

Из формулы (6) получаетс  формула (1). Если измерение проводитс  при отсутствии сторонних источников тока, то ток I в формуле(4)равен нулю, а значит, и величина Uo а формулах (6) и (1) тоже равна нулю. В более общем случае присутствуют и ток 1, и ток }д, а значит, величины Uo и U в формулах (6)и(1).

Если по исследуемой жидкой среде протекает ток I от сторонних источников тока, то измерение может проводитьс  как при включенном, так и выключенном выключателе , т.е. как с дополнительным током 1Д от

внутреннего источника тока, так и без него.

Если ток I достаточно большой, то он

может быть измерен с требуемой точностью

регистратором тока. При этом ток I создает

достаточно большое падение напр жени  Uo на изучаемом участке жидкой среды, которое может быть зафиксировано регистратором напр жени  с требуемой точностью. В этом случае в использовании при измерении дополнительного тока д нет необходимости и выключатель может быть выключен. Из формулы (4)

Uo 1 I

lp I q S

откуда получаетс  формула (2).

Если ток I мал и величины Uo и I, вход щие в формулу (2), не могут быть замерены с требуемой точностью, то и точность определени  величины удельной электропроводности жидкой среды q по формуле (2) оказываетс  недостаточной. В этом случае при измерении целесообразно использовать дополнительный ток д от внутреннего источника, что соответствует включенному

положению выключател  устройства. При этом дл  определени  удельной электропроводности жидкой среды используетс  формула (1).

Величина тока I зависит не только от

сторонних источников, но и от положени  трубки относительно эквитоковых линий, так как ток I от сторонних источников тока, протекающий внутри трубки, проходит через диод, то при благопри тном направлении электрического пол  от сторонних источников диод тока I проводит, а при неблагопри тном ток практически не проводит . Максимально возможное значение I при данных сторонних источниках и прочих

равных услови х достигаетс  при совпадении продольной оси симметрии датчика с направлением эквитоковых линий.

Дискообразные электроды вместе с неэлектропроводной вставкой между ними

предназначены дл  разрыва цепи тока I от сторонних источников, В разрыв ввод тс  регистратор дл  замера I и диод. Диод не дает возможность току л от внутреннего источника протекать от одного дискообразного электрода к другому и далее снаружи трубки по электропроводной жидкой среде к другому концу трубки, внутрь трубки к токовому кольцеобразному электроду. Это позвол ет практически весь ток fo пропуекать по изучаемому участку жидкой среды внутри трубки.. Причем ток д легко фиксируетс  с помощью регистратора тока, установленного в цепи внутреннего источника тока. Так как ток 1Д снаружи трубки не протекает, то на значени  1Д величина приближени  того или иного конца трубки к стенке агрегата вли ние не оказывает. В результате и точность измерени  q также не зависит от приближени  конца трубки к стенке агрегата .

Токовый кольцеобразный электрод участвует в передаче тока д жидкой среде. С измерительного кольцеобразного электрода потенциал подаетс  на регистратор напр жени . Таким образом, измерительный кольцеобразный электрод участвует в измерении с помощью регистратора напр жени  падени  напр жени  на исследуемом участке жидкой среды, вызываемом как током I, так и током 1Д. Совмещение функций обоих кольцеобразных электродов в один в принципе возможно, однако нежелательно из-за развити  на узком кольце токового электрода достаточно активных пол ризационных процессов, которые могут приводить к погрешност м измерени  напр жени . Ввиду много большей площади дискообразный электрод пол ризации подвержен незначительно и поэтому допускает совмещение в себе токовой и измерительной функций.

Регистратор тока служит дл  замера тока 1д. Выключатель предназначен дл  обеспечени  работы устройства в двух режимах: при отключенном выключателе в режиме замера UoH I, при включенном в режиме замера U и 1д. Источник тока позвол ет создать ток д в исследуемом объеме жидкой среды внутри трубки. Переменный резистор предназначен дл  ограничени  величины тока устройства в режиме замера U и д.

Устройство позвол ет производить измерение удельной электропроводности жидкой среды как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. При большом токе I от сторонних источников во врем  измерени  внутренний источник тока не используетс . При этом фиксируютс  ток I и падение напр жени  U0 на исследуемом участке жидкой среды. По результатам замеров и известным геометрическим размерами исследуемого участка среды по формуле (2} определ ют ее удельную электропроводность .

При малом токе f или при его отсутствии используетс  внутренний источник тока. При этом фиксируетс  падение напр жени  от тока, создаваемого сторонними источниками тока, а также от суммы токов, создаваемых сторонними и внутренними источниками тока. Замер етс  сила тока от внутреннего источника. По результатам замеров и известным геометрическим размерам исс- ледуемого участка среды по формуле (1) определ ют ее удельную электропроводность. Таким образом, сравнение за вленного решени  с другими техническими решени ми показывает, что введенные элементы

0 широкоизвестны. Однако их введение в указанной св зи с другими элементами устройства , а также новое взаимное расположение деталей привод т к про влению ими новых свойств, позвол ющих расширить функцио5 нальные устройства.

На чертеже представлена функциональна  схема устройства дл  измерени  удельной электропроводности жидких сред.

Устройство содержит датчик удельной

0 электропроводности, состо щий из трубки 1, выполненной из изол ционного материала , двух дискообразных электродов 2, диэ- лектропроводной вставки 3, кольцевого измерительного 4 и кольцевого токового 5

5 электродов, а также регистратор б тока, диод 7, выключатель 8, регистратор 9 тока, внутренний источник 10 тока, переменный резистор 11 и регистратор 12 напр жени . Диаметр дискообразных электродов 2

0 равен внутреннему диаметру трубки 1. Кольцевые электроды 4 и 5 располагаютс  заподлицо с внутренней поверхностью стенки трубки. Диэлектрическа  вставка 3 изолирует дискообразные электроды 2 друг от друга

5 и представл ет собой тонкую прокладку из изол ционного материала. Дискообразные электроды 2 установлены в трубке 1 датчика с посадкой и образуют с последней герметичное соединение. Дискообразные элект0 роды 2 соединены между собой через регистратор б тока и диод 7. Ближайшие дискообразный и кольцевой измерительный 4 электроды соединены через регистратор 12 напр жени . Этот же дискообразный и

5 кольцевой токовый 5 электроды соединены между собой через .выключатель 8, регистратора 9 тока, внутренний источник 10 тока и переменный резистор 11.

Диэлектрическа  трубка 1 выполнена из

0 материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При высокой температуре среды материал трубки должен обладать жаропрочностью, а при поеышен5 ной агрессивности среды - коррозионной стойкостью либо жаростойкостью. Например , при низких агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, полихлорвинила, при высоких агрессивности и температуре из фарфора, керамики, кварца, спеченного алунда.

Все электроды выполнены из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной пол ризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал элек- тродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например , при низких агрессивности и температуре жидкой среды Электроды выполн ютс - из стали 12x18 НЗТ, а при высоких агрессивности и температуре среды - из пластины, карбида кремни .

Диэлектрическа  вставка 3 может выполн тьс  сплошной в виде тонкой прокладки либо состо ть из воздуха. Материалом вставки должен служить хороший диэлект- рих. Например, при низкой температуре изучаемой жидкой среды может использоватьс  карболит, полихлорвинилова  пленка , гетинакс, а при высокой температуре - слюда.

Регистраторы тока обеспечивают измерение тока в диапазонах изменени  их возможных значений: регистратор б - тока I. a регистратор 9 - тока 1Д, Дл  повышени  чувствительности приборов 6 и 9 рекомендует- с  использовать многопозиционные регистраторы тока.

Выпр мительный диод 7 выбираетс  исход  из ожидаемого максимально возможного значени  тока I и по напр жению, которое должно соответствовать максимально возможному и большему значению, напр жени  источников как сторонних, так и внутреннего. Внутренний источник посто нного тока (например, гальванический эле- мент)обеспечивает максимальное значение тока 0,05-0,1 А в услови х максимально возможного сопротивлени  жидкой среды внутри трубки датчика между- ближайшими друг к другу дискообразным 2 и измерительным кольцевым 4 электродами.

Переменный резистор рассчитан на максимально допустимый дополнительный ток 1Дмакс « 0,05-0,1 А при условии максимально возможного сопротивлени  жидкой среды на участке между ближайшими друг к другу электродами 2 и 4 в трубке датчика. Номинальное сопротивление R резистора 11 определ етс  по формуле

R (1°-2°)-Ед Ом- №

дмакс U.UO - О, i

где Ед - ЭДС внутреннего источника тока, В.

Увеличение дополнительного тока сверх 0,05-0,1 А ведет к активизации пол ризационных процессов на внутреннем дискообразном электроде датчика и понижению точности измерени  (см. Иос- сель Ю.Я, Электрические пол  посто нных токов. Л.: Энергоатомиздат. 1986, с.59, 81).

Дл  помещени  датчика в исследуемую среду устройство снабжено штангой, например , в виде полого стержн  (на чертеже не показан), закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика. При необходимости стержень выполн етс  из жаростойкого и жаропрочного материалов, внутри него прокладывают соединительные провода.

Устройство работает следующим образом . .

Выключатель 8 находитс  в отключенном состо нии. Движок переменного резистора 11 устанавливаетс  в положение, соответствующее максимальному значению его сопротивлени .

Погружают датчик в исследуемый локальный объем жидкой среды, по которому может протекать рабочий ток от сторонних источников тока (например, в электролитическую ванну). Фиксируют значени  I по по- казанию регистратора б тока и U0 по показанию регистратора 12 напр жени . Удельную электропроводность жидкой среды наход т по формуле (2). Если зафиксированные значени  I и U0 малы и соизмеримы с абсолютными ошибками измерени  соответственно регистраторов тока 6 и напр жени  12, то датчик начинают поворачивать так, чтобы обеспечивать рост значений f и U0. После возрастани  I и Uo поворот датчика прекращают, значени  I и Uo вновь фиксируют и по формуле (2) наход т удельную электропроводность исследуемого локального объема жидкой среды.

Если тем не менее максимальные значени  I и Uo остаютс  соизмеримыми с абсолютными значени ми ошибок измерени  соответственно регистраторов тока 6 и напр жени  12, то лереход т к измерению с использованием внутреннего источника 10 тока. В принципе при измерении q внутренний источник тока может использоватьс  в любом случае, в том числе и при значительном превышении величинами I и Uo абсолютных значений их ошибок измерени . Поэтому формула (1) соответствует более общему случаю измерени  q. Однако в данном случае это нецелесообразно, так как q можно измерить указанным выше более простым способом с использованием формулы (2).

При измерении q использование внутреннего источника 10 тока об зательно при полном отсутствии сторонних источников тока, например, при остановке агрегата. В этом случае Uo 0 и из формулы (5) следует, что U 1)д. Тогда формула (1) примет вид

q-k- (9)

Включают выключатель 8. По показанию регистратора 9 тока, изменением со- противлени  переменного резистора 11, добиваютс  значений тока д 0,05-0,1 А. Причем минимальное значение тока 1Д должно обеспечивать устойчивый характер измерени  самого тока 1Д регистратором 9 тока, а также величины напр жени  U по показани м регистратора 12 напр жени . Производ т отсчет показаний регистратора 9 тока и регистратора 12 напр жени . Выключатель 8 выключают. Датчик извлекают из жидкой среды. Удельную электропроводность жидкой среды наход т по формуле (9) (или в общем виде по формуле (1)).

Если при измерении q присутствуют как внутренний, так и сторонние источники то- ка, то вначале при выключенном выключателе 8 по показани м регистратора 6 тока и регистратора 12 напр жени  фиксируют соответственно i и и0. Затем включаетс  выключатель 8, Как и в предыдущем случае, устанавливаетс  ток д 0,05-0,1 А. далее по показани м регистратора 9 тока и регистратора 12 напр жени  фиксируют соответственно 1Д и U. Удельную электропроводность наход т по формуле (1).

Во врем  сн ти  показаний с приборов датчик в исследуемой жидкой среде должен оставатьс  неподвижным, так как в это врем  ток I от сторонних источников должен оставатьс  неизменным. При повороте дат- чика в жидкой среде направление электрического пол  от сторонних источников тока внутри трубки датчика мен етс  от благопри тного дл  диода 7 до неблагопри тного . В первом случае ток I от сторонних источников тока диодом пропускаетс , а во

втором запираетс . Если q измер етс  при выключенном выключателе 8. т.е. без привлечени  внутреннего источника тока, то датчик следует повернуть так, чтобы направление электрического пол  в трубке датчика было благопри тным дл  диода 7. В этом случае регистратор 6 тока регистрирует определенное значение тока от сторонних источников тока. Желательно стремитьс  к такому расположению датчика, чтобы при этом ток I значимо отличалс  от абсолютной ошибки измерени  тока I. Если q измер етс  при включенном выключателе 8. т.е. с привлечением внутреннего источника 10 тока , то положение датчика в исследуемой жидкой среде может оставатьс  произвольным .

К достоинству устройства относитс  почти полное отсутствие вли ни  стенок агрегата , в котором находитс  исследуема  жидка  среда, различных деталей, расположенных внутри агрегата, на точность измерени  удельной электропроводности жидкой среды. Это св зано с тем, что электроды и исследуемый участок жидкой среды , через которые пропускаетс  ток д, наход тс  внутри трубки датчика. Даже полное перекрытие отверсти  трубки, например , при приближении его к стенке агрегата не вли ет на точность измерени  q.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении удельной электропроводности раствора KCI концентрации О,Ж при 20° С. Результаты показывают, что при наличии сторонних источников тока точность измерени  за вл емым устройством и прототипом соизмерима. При отсутствии сторонних источников тока устройство-прототип дл  измерени  q непригодно, в то врем  как за вл емое устройство обеспечивает достаточно высокую точность измерени .

(56) Авторское свидетельство СССР

№ 1684724, кл. G 01 N 27/02,G 01 R 27/22,

опублик. 1991.