RU2007707C1

RU2007707C1 - Device for measuring electric conductivity and density of current

Info

Publication number: RU2007707C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Веревкин; В.А. Быстров; А.В. Шевцов
Original assignee: Веревкин Валерий Иванович; Быстров Валерий Александрович
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: conductivity measurements. SUBSTANCE: conductivity transmitter comprises insulating screen 1, half-disc current electrodes 2 and 3 separated by insulating gasket 4, and measuring electrodes 5 and 6 in the form of short pins. Electrodes 2 and 3 are interconnected by successively coupled ammeter 7 and variable resistor 8. Cut in parallel with this electric circuit is voltage recorder 9. Another voltage recorder 10 is cut in between electrodes 5 and 6. EFFECT: improved design. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких растворов и расплавов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока в том числе в локальных объемах растворов и расплавов с высокой вязкостью, а также для измерения плотности тока в локальных объемах вязким растворов и расплавов. The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring the electrical conductivity of liquid solutions and melts under the action of external (external) current sources, including local volumes of solutions and melts with high viscosity, as well as for measuring current density in local viscous volumes solutions and melts.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности, содержащее диэлектрическую трубку с незаземленными дискообразными токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых токовые и один из измерительных электродов расположены внутри трубки, два других измерительных электрода расположены снаружи трубки соответственно над внутренними измерительным и ближайшим к нему токовыми электродами, между токовыми электродами расположена изоляционная прокладка, при этом наружные электроды подключены к первому регистратору, а токовые электроды соединены через амперметр и переменный резистор. The closest in technical essence to the proposed is a device for measuring electrical conductivity, containing a dielectric tube with ungrounded disk-shaped current and ring measuring electrodes, of which current and one of the measuring electrodes are located inside the tube, two other measuring electrodes are located outside the tube, respectively, above the internal measuring and the closest to it current electrodes, between the current electrodes is an insulating strip, at The external electrodes are connected to the first recorder, and the current electrodes are connected through an ammeter and a variable resistor.

При измерении изменяют положение датчика, фиксируют уровень сигнала по первому регистратору. Добиваясь такого положения датчика, при котором уровень сигнала становится максимальным. В найденном положении датчики изменением сопротивления переменного резистора добиваются совпадения показателей регистров напряжения. С помощью амперметра измеряется ток. По известным геометрическим размерам исследуемого участка жидкой среды, току и напряжению определяется удельная электропроводность жидкой среды. Устройство позволяет также измерять плотность тока жидкой среды. When measuring, the position of the sensor is changed, the signal level is fixed according to the first recorder. Achieving a sensor position at which the signal level becomes maximum. In the found position, the sensors by changing the resistance of the variable resistor achieve the coincidence of the voltage register values. An ammeter measures current. The known geometrical dimensions of the studied section of the liquid medium, current and voltage determine the electrical conductivity of the liquid medium. The device also allows you to measure the current density of the liquid medium.

Выполнение датчика на основе непроточной трубки с массивной изоляционной прокладкой посередине имеет ряд недостатков. В частности, если рабочая температура измеряемой среды не намного выше ее температуры плавления, то на границе дискообразных электродов весьма вероятно образование настылей, гарнисажа из закристаллизовавшейся измеряемой среды. В подавляющем большинстве случаев свойства жидкой среды и образовавшегося из нее твердого вещества существенно разнятся. Например, твердые сварочные флюсы АН-20, АН-8, АН-348А и другие являются практические неэлектропроводными. При этом достоверность оценок удельной электропроводности измеряемой среды может существенно снижаться. The implementation of the sensor on the basis of a non-flow tube with a massive insulating gasket in the middle has several disadvantages. In particular, if the working temperature of the medium being measured is not much higher than its melting temperature, then on the border of the disk-shaped electrodes, formation of crusts is very likely, a skull from the crystallized measured medium. In the vast majority of cases, the properties of the liquid medium and the solid substance formed from it vary significantly. For example, solid welding fluxes AN-20, AN-8, AN-348A and others are practically non-conductive. Moreover, the reliability of the estimates of the electrical conductivity of the measured medium can be significantly reduced.

При повторном использовании датчиков с непроточной трубкой может усложняться процесс подготовки его к работе, так как после каждого использования датчика за счет явления хемосорбции в углах перечисления стенок трубки и дискообразных электродов формируются галтели жидкой среды. В этих же местах при работе с вязкой средой, если она является полностью либо частично полимеризуемой при температуре измерения, интенсифицируется процесс налипания остатков вязкой среды. When reusing sensors with a non-flowing tube, the process of preparing it for operation can become complicated, since after each use of the sensor, fillets of liquid medium are formed in the corners of the enumeration corners of the tube walls and disk-shaped electrodes. In the same places, when working with a viscous medium, if it is fully or partially polymerizable at the measurement temperature, the process of sticking of the remains of the viscous medium is intensified.

Если температура плавления исследуемой среды выше комнатной температуры, то при охлаждении датчика эти кольцеобразные образования (галтели жидкой среды) могут кристаллизоваться. If the melting point of the test medium is higher than room temperature, then upon cooling of the sensor these ring-shaped formations (fillets of a liquid medium) can crystallize.

При погружении датчика в вязкую измеряемую среду у поверхности дискообразных электродов могут возникнуть воздушные пробки, снижающие точность измерения. После извлечения из исследуемой вязкой среды остатки ее вследствие плохого стекания могут высыхать, образуя твердую неэлектропроводимую корку, которая может вносить существенные погрешности в процессе измерения. Налипшие остатки вязкой среды могут кристаллизоваться, что затрудняет подготовку датчика к последующим измерениям. When the sensor is immersed in a viscous measured medium, air plugs may occur at the surface of the disk-shaped electrodes, which reduce the measurement accuracy. After extraction from the studied viscous medium, its residues, due to poor runoff, can dry out, forming a solid non-conductive crust, which can introduce significant errors in the measurement process. Accumulated residues of the viscous medium can crystallize, which makes it difficult to prepare the sensor for subsequent measurements.

Цель изобретения - измерение удельной электропроводности и плотности тока в вязких растворах и расплавах. The purpose of the invention is the measurement of electrical conductivity and current density in viscous solutions and melts.

Это заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности сред, содержащее два незаземленных токовых электрода, разделенных изоляционной прокладкой, два измерительных электрода, переменный резистор, амперметр, два регистратора напряжения, средства для изменения и фиксирования положения датчика в пространстве, дополнительно снабжено изолирующим экраном, выполненным в виде пластины из диэлектрического материала, причем измерительные электроды выполнены в виде штырей, соединенных между собой через первый регистратор напряжения и расположенных над токовыми электродами, изоляционная прокладка выполнена в виде полуцилиндра, токовые электроды, соединенные между собой через амперметр и переменный резистор, выполнены в виде полудисков, установленных заподлицо с изоляционной прокладкой, а второй регистратор напряжения включен между токовыми электродами. This consists in the fact that the device for measuring the electrical conductivity of media, containing two ungrounded current electrodes separated by an insulating gasket, two measuring electrodes, a variable resistor, an ammeter, two voltage recorders, means for changing and fixing the position of the sensor in space, is additionally equipped with an insulating screen made in the form of a plate of dielectric material, and the measuring electrodes are made in the form of pins interconnected through the first register at the voltage side and located above the current electrodes, the insulating gasket is made in the form of a half cylinder, the current electrodes interconnected through an ammeter and a variable resistor are made in the form of half disks mounted flush with the insulating gasket, and a second voltage recorder is connected between the current electrodes.

Устройство позволяет не только производить измерения в жидкой (вязкой) среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использовать эти источники в процессе измерения. Измерением величины сопротивления переменного резистора можно добиться равенства показаний регистраторов напряжения на измерительных штыревых и токовых полудисковых электродах. Для повышения точности измерения устанавливается изолирующий экран, который ликвидирует влияние тока через полудисковые электроды на ток, протекающий с внешней стороны датчика, на которой расположены измерительные электроды. При регулировании плотности тока с внутренней стороны экрана последняя постепенно приближается к плотности с внешней стороны изолирующего экрана . При этом взаимное влияние плотностей тока снаружи и изнутри экрана снижается и в пределе стремится к нулю. Если плотность тока снаружи и изнутри изолирующего экрана одинаковы, то никаких выравнивающих токов между сторонами экрана не протекает. При этом погрешность измерения от выравнивающих токов равна нулю. Плотность тока в исследуемой среде распределена равномерно. Так как сила тока, проходящего через токовые электроды, фиксируется амперметром, то можно определить и саму плотность тока. The device allows not only making measurements in a liquid (viscous) medium under the influence of external current sources, but also using these sources in the measurement process. By measuring the resistance value of the variable resistor, it is possible to achieve equal readings of the voltage recorders on the measuring pin and current half-disk electrodes. To increase the accuracy of the measurement, an insulating screen is installed, which eliminates the influence of the current through the half-disk electrodes on the current flowing from the outside of the sensor on which the measuring electrodes are located. When adjusting the current density on the inside of the screen, the latter gradually approaches the density on the outside of the insulating screen. In this case, the mutual influence of current densities outside and inside the screen decreases and tends to zero in the limit. If the current density on the outside and inside of the insulating screen is the same, then no equalizing currents flow between the sides of the screen. In this case, the measurement error from the equalizing currents is zero. The current density in the medium under study is evenly distributed. Since the strength of the current passing through the current electrodes is fixed by an ammeter, it is possible to determine the current density itself.

Отказ от цилиндрической формы датчика ( в виде непроточной трубки) обусловлен его планируемой областью применения. Рассматриваемая конструкция создана для облегчения многократного использования устройства при измерении удельной электропроводности вязких сред. Трубка датчика, выполненная из изоляционного материала, как бы развернута в пластину. В связи с этим ликвидирован внутренний кольцевой измерительный электрод, и замер напряжений производится на полудисковых электродах. Так как за счет изолирующей прокладки весь ток датчика протекает через токовые электроды, то большей равномерности распределения плотности тока в токовых электродах способствует их выполнение в виде полудисков. Наружные кольцевые электроды для снижения собственного влияния на распределение тока в среде выполнены в виде коротких штырей и расположены непосредственно над дисковыми электродами. The rejection of the cylindrical shape of the sensor (in the form of a non-flowing tube) is due to its intended field of application. The structure under consideration is designed to facilitate the reuse of the device in measuring the conductivity of viscous media. The sensor tube made of insulating material, as it were deployed into the plate. In this regard, the inner ring measuring electrode was eliminated, and voltage measurements were made on half-disk electrodes. Since due to the insulating gasket all the sensor current flows through the current electrodes, their uniformity in the form of half disks contributes to a more uniform distribution of the current density in the current electrodes. Outer ring electrodes to reduce their own influence on the distribution of current in the medium are made in the form of short pins and are located directly above the disk electrodes.

Два измерительных электрода, расположенные на внешней стороне изолирующего экрана, обеспечивает измерение разности потенциалов на внешней стороне, датчика, на которой размещены измерительные электроды. Для получения одинаковых условий оценки показателей регистраторов напряжения тока на внешней стороне и внутренней стороне изолирующего экрана токовые электроды расположены напротив измерительных электродов. Подключение регистратора напряжения между токовыми электродами обуславливается требованием сохранения измерения в самой исследуемой среде без включения в измерительную цепь других элементов электрической цепи. Two measuring electrodes located on the outside of the insulating screen provides a measurement of the potential difference on the outside of the sensor on which the measuring electrodes are located. To obtain the same conditions for evaluating the performance of voltage recorders on the outer side and the inner side of the insulating screen, the current electrodes are located opposite the measuring electrodes. The connection of a voltage recorder between current electrodes is determined by the requirement to save the measurement in the medium under study without including other elements of the electric circuit in the measuring circuit.

Несмотря на то, что трубка, выполненная из изоляционного материала, в датчике устройства не применяется, условия и принцип измерения остаются таким же, как и в известном устройстве (прототипе). Это связано со следующими обстоятельствами. Despite the fact that the tube made of insulating material is not used in the device’s sensor, the conditions and measurement principle remain the same as in the known device (prototype). This is due to the following circumstances.

После приравнивания с помощью переменного резистора плотности тока с внутренней стороны экрана к плотности тока с наружной стороны экрана в исследуемом локальном объеме среды устанавливается равномерное электрическое поле. В сечениях локального объема среды, перпендикулярных эквитоковым линиям, устанавливаются равные потенциалы (в случае измерения устройством-прототипом аналогично). After equating the current density on the inside of the screen with a variable resistor to the current density on the outside of the screen, a uniform electric field is established in the local volume of the medium under study. In the cross sections of the local volume of the medium perpendicular to the equi-current lines, equal potentials are established (in the case of measurement by the prototype device, similarly).

Из локального объема среды вычленяется полуцилиндр, занимаемый изоляционной прокладкой. С торцов полуцилиндра установлены полудисковые токовые электроды. Внешние поверхности их обращены к исследуемой среде. Через один электрод входит, а через другой выходит электрический ток, причем плотность этого тока такая же, что и через расположенную вокруг исследуемую среду (аналогично в устройстве-прототипе). A semicylinder occupied by an insulating gasket is singled out from the local volume of the medium. Half-disk current electrodes are installed at the ends of the half-cylinder. Their outer surfaces face the medium under study. An electric current enters through one electrode and an electric current comes out through the other, and the density of this current is the same as through the medium under study (similarly in the prototype device).

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, вид сбоку. In FIG. 1 presents a functional diagram of the proposed device; in FIG. 2 - the same side view.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из изоляционного экрана, выполненного из диэлектрического материала, токовых полудисковых электрода 2 и 3, разделенных изоляционной прокладкой 4, измерительных электрода 5 и 6, выполненных в виде коротких штырей, а также амперметр 7, переменный резистор 8, одинаковые регистраторы напряжения (вольтметры) 9 и 10. The device comprises a conductivity sensor, consisting of an insulating screen made of dielectric material, current semi-disk electrodes 2 and 3, separated by an insulating gasket 4, measuring electrodes 5 and 6, made in the form of short pins, as well as ammeter 7, variable resistor 8, the same voltage recorders (voltmeters) 9 and 10.

Токовые электроды 2 и 3 соединены между собой через последовательно соединенные амперметр 7 и переменный резистор 8. Параллельно этой электрической цепи включен регистратор 9 напряжения. Другой регистратор 10 напряжения включен между измерительными электродами 5 и 6. The current electrodes 2 and 3 are interconnected via a series-connected ammeter 7 and a variable resistor 8. A voltage recorder 9 is connected in parallel with this electric circuit. Another voltage recorder 10 is connected between the measuring electrodes 5 and 6.

Диаметр токовых полудисковых электродов 2 и 3 равен диаметру полуцилиндрической изоляционной прокладки 4. Токовые электроды 2 и 3 плотно соединены с прокладкой 4. Полученный полуцилиндр плотно соединен с изоляционным экраном 1. Измерительный электрод 5 и токовый электрод 2 располагаются по разные стороны экрана 1 друг напротив друга. Аналогично измерительный электрод 6 и токовый электрод 3 располагаются по разные стороны экрана 1 друг напротив друга. The diameter of the current half-disk electrodes 2 and 3 is equal to the diameter of the semi-cylindrical insulating gasket 4. The current electrodes 2 and 3 are tightly connected to the gasket 4. The resulting half-cylinder is tightly connected to the insulating screen 1. The measuring electrode 5 and the current electrode 2 are located on opposite sides of the screen 1 opposite each other . Similarly, the measuring electrode 6 and the current electrode 3 are located on opposite sides of the screen 1 against each other.

Изоляционные прокладка 4 и экран 1 выполняются из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При высокой температуре среды материал трубки должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, полихлорвинила, фторпласта, при высокой агрессивности и температуре - из фарфора, кварца, спеченого алунда. The insulating gasket 4 and the shield 1 are made of a material with a low dielectric constant in the operating temperature range of the studied liquid medium. At a high temperature of the medium, the tube material should have heat resistance, and with increased aggressiveness of the medium - corrosion resistance, or heat resistance. For example, at low aggressiveness and temperature of the liquid medium, the tube can be made of ebonite, polyvinyl chloride, fluoroplastic, and at high aggressiveness and temperature, it can be made of porcelain, quartz, and sintered alundum.

Все электроды выполняются из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой среды материала электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12Х18Н9Т, а при высокой агрессивности и температуре среды - из платины, карбида кремния. All electrodes are made of a material with high electrical conductivity and a low tendency to surface polarization. At a significant temperature of the studied medium, the electrode material should have high heat resistance, and with increased aggressiveness of the medium, it should have good corrosion resistance or heat resistance. For example, at low aggressiveness and temperature of the liquid medium, the electrodes are made of steel 12Kh18N9T, and at high aggressiveness and temperature of the medium - from platinum, silicon carbide.

Изолирующий экран служит для предотвращения влияния тока, протекающего через полудисковые электроды на ток, протекающий снаружи датчика. Полудисковые электроды, воспринимающие рабочий ток, обладают большей поверхностной площадью, чем штырьевые. Поляризация понижена, так как с увеличением площади уменьшается плотность тока. Через измерительные электроды и регистратор напряжения протекают очень малы токи (по сравнению с токовыми электродами). В результате, несмотря на малую площадь поверхности контакта, измерительные электроды имеют достаточно низкую плотность тока через них, а значит минимальную поляризационную активность на поверхностях и минимальное отрицательное влияние на точность измерения. The insulating screen serves to prevent the influence of current flowing through the half-disk electrodes on the current flowing outside the sensor. Semi-disk electrodes that sense working current have a larger surface area than pin electrodes. The polarization is lowered, as the current density decreases with increasing area. Very small currents flow through the measuring electrodes and the voltage recorder (compared to current electrodes). As a result, despite the small contact surface area, the measuring electrodes have a fairly low current density through them, which means that there is minimal polarization activity on the surfaces and minimal negative influence on the measurement accuracy.

Средство для измерения и фиксирования положения датчика в пространстве предоставляет собой устройство, имеющее шесть степеней свободы, позволяющее изменять положение трубки во всех трех ортогональных плоскостях и вращать ее в этих плоскостях. The means for measuring and fixing the position of the sensor in space provides a device having six degrees of freedom, which allows you to change the position of the tube in all three orthogonal planes and rotate it in these planes.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Датчик погружается в исследуемую среду, по которой протекает рабочий ток, например в шлаковую ванну установки для электрошлаковой сварки с "длинным" флюсом марки АН-8. Изменяя положение датчика, фиксируют значение напряжения по регистратору 10. Добиваются такого положения датчика, при котором уровень сигнала становится максимальным. В найденном положении датчика изменения сопротивления переменного резистора 8 добиваются совпадения показаний регистраторов 9 и 10. При этом продольная ось полуцилиндра датчика располагается вдоль эквитоковых линий. Производится отчет показаний амперметра 7 и регистраторов 9 и 10 напряжения. The sensor is immersed in the test medium through which the operating current flows, for example, into the slag bath of the electroslag welding facility with the AN-8 long flux. Changing the position of the sensor, fix the voltage value on the recorder 10. Achieve the position of the sensor at which the signal level becomes maximum. In the found position of the sensor, the resistance changes of the variable resistor 8 achieve the coincidence of the readings of the registrars 9 and 10. In this case, the longitudinal axis of the sensor half-cylinder is located along the current lines. An ammeter 7 and voltage recorders 9 and 10 are reported.

Удельная электропроводность находится по формуле
q=

, См ˙ м^-1, (1) где I - ток по показаниям амперметра 7, А;
S - площадь поперечного токового электрода 5, м²;
l - расстояние между токовыми электродами 5 и 6, м;
U - напряжение по показаниям регистраторов 9, В.The electrical conductivity is found by the formula
q =

, Cm ˙ m ^-1 , (1) where I is the current according to the testimony of ammeter 7, A;
S is the area of the transverse current electrode 5, m ² ;
l is the distance between the current electrodes 5 and 6, m;
U - voltage according to the testimony of recorders 9, V.

Плотность тока находится по формуле
j = I/S , А/мм². (2)
Величина сопротивления R_р переменного резистора 8 должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечить изменение плотности тока на токовых электродах от величины, большей фактической плотности тока, в данном локальном объеме до величины, меньшей фактической плотности тока. Минимальное значение сопротивления электрической цепи, состоящей из амперметра 7, переменного резистора 8 и подводящих проводов должно быть меньше сопротивления участка исследуемой среды, вытесняемой изоляционной прокладкой 4, и токовыми полудисковыми электродами 5 и 6. Этим обеспечивается регулируемость величины плотности тока в процессе измерения.The current density is found by the formula
j = I / S, A / mm ² . (2)
The resistance value R _{p of the} variable resistor 8 must be selected so as to provide a change in the current density on the current electrodes from a value greater than the actual current density in this local volume to a value less than the actual current density. The minimum value of the resistance of the electric circuit, consisting of ammeter 7, variable resistor 8, and lead wires should be less than the resistance of the medium to be studied, displaced by the insulating gasket 4, and current semi-disk electrodes 5 and 6. This ensures the adjustable current density during the measurement.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении раствора KCl при 20^оС нормальной концентрации 0,1 Н. Результаты измерения приведены в таблице.Metrological device characteristics obtained in the comparative measurement of KCl solution at 20 ^{° C} normal concentration of 0.1 N. The measurement results are shown in Table.

Как видно из таблицы, точность измерения удельной электропроводности и плотности тока исследуемой среды предлагаемым устройством и устройством-прототипом соизмеримые. As can be seen from the table, the accuracy of measuring the electrical conductivity and current density of the investigated medium by the proposed device and the prototype device are comparable.

Предлагаемое устройство позволяет расширить область применения устройства - осуществлять измерение удельной электропроводности вязких сред в условиях действия стороннего источника. Форма устройства позволяет проводить измерения в вязких средах. При этом датчик легко освобождается от налипающих остатков исследуемой среды и легко подготавливается для следующего измерения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1684724, кл. G 01 R 27/22, 1991. The proposed device allows you to expand the scope of the device - to measure the conductivity of viscous media under the action of an external source. The shape of the device allows measurements in viscous media. In this case, the sensor is easily released from the sticking residues of the test medium and is easily prepared for the next measurement. (56) Copyright certificate of the USSR N 1684724, cl. G 01 R 27/22, 1991.

Claims

DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC ELECTRIC CONDUCTIVITY AND CURRENCY DENSITY, containing two ungrounded current electrodes separated by an insulating gasket, two measuring electrodes, a variable resistor, ammeter, two voltage recorders, means for changing and fixing the position of the sensor in space, characterized in that it is additionally equipped with an insulating a screen made in the form of a plate of dielectric material, and the measuring electrodes are made in the form of pins connected to each other through a a voltage recorder located under the current electrodes, the insulating gasket is made in the form of a half cylinder, current electrodes interconnected through an ammeter and a variable resistor are made in the form of half disks mounted flush with the insulating gasket, and a second voltage register is connected between the current electrodes.