RU2054685C1

RU2054685C1 - Device for measuring electric conductivity and density of liquid electrolytes

Info

Publication number: RU2054685C1
Authority: RU
Inventors: А.Г. Абрамов; И.А. Милихин; О.С. Попель; В.Н. Щеглов
Original assignee: Институт высоких температур РАН
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has measuring cell 1 filled with electrolyte 2 and furnished with two probing elements 3,4 rigidly secured relative to each other. Cell is electrically coupled with generator 6 and register 7. One probing element 3 of measuring cell 1, radiator, is placed in common electric circuit with generator 6, other element 4, receiver, is coupled with ac voltage register. Probing elements 3,4 have protective coating chemically inert to medium under investigation. Moreover, placed in circuit of radiator 3 is unit 9 for automatic tuning of generator frequency to resonance frequency of measuring cell. EFFECT: enlarged operating capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для определения электропроводности и плотности жидких электролитов. Устройство может найти применение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в химической, пищевой промышленности, в нетрадиционной энергетике (солевые солнечные пруды и т.п.), а также в системах экологического контроля окружающей среды. Устройство может быть использовано для дистанционного автоматического измерения электропроводности и плотности различных электролитов таких, как водные растворы солей, расплавы металлов и сплавов и т.п. The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for determining the conductivity and density of liquid electrolytes. The device can find application in various sectors of the economy, including in the chemical and food industries, in alternative energy (saline solar ponds, etc.), as well as in environmental monitoring systems. The device can be used for remote automatic measurement of electrical conductivity and density of various electrolytes such as aqueous solutions of salts, molten metals and alloys, etc.

Известно устройство для измерения плотности жидкостей, включающее измерительную ячейку, заполненную исследуемой жидкостью и содержащую два зондирующих элемента, жестко фиксированных друг относительно друга, причем один из элементов является пьезокристаллом и электрически соединен с генератором и регистратором импульса переменного электрического напряжения. На пьезокристалл подают импульс переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты [1] Этот импульс с помощью указанного пьезокристалла преобразуют в ультразвуковой сигнал. Сигнал отражают с помощью второго зондирующего элемента (отражателя) обратно в сторону первого зондирующего элемента. Отраженный сигнал принимают и преобразуют при помощи пьезокристалла в импульс переменного электрического напряжения. Измеряют временную задержку между моментом подачи импульса на пьезокристалл и моментом регистрации прихода отраженного импульса. Плотность жидкости определяют по градуировочным кривым зависимости плотности данной жидкости от времени задержки импульса, которые получают при специальных калибровочных измерениях, с использованием других, например весовых, методов измерения плотности. A device for measuring the density of liquids is known, including a measuring cell filled with a test liquid and containing two probe elements rigidly fixed relative to each other, one of the elements being a piezocrystal and electrically connected to an alternating voltage pulse generator and recorder. A pulse of alternating electric voltage of ultrasonic frequency is applied to a piezocrystal [1] This pulse is converted into an ultrasonic signal using the specified piezocrystal. The signal is reflected using the second probe element (reflector) back to the side of the first probe element. The reflected signal is received and converted using a piezocrystal into a pulse of alternating electrical voltage. The time delay between the moment of applying the pulse to the piezoelectric crystal and the moment of recording the arrival of the reflected pulse is measured. The density of the liquid is determined by calibration curves of the dependence of the density of a given liquid on the pulse delay time, which are obtained by special calibration measurements using other, for example, weight, density measurement methods.

Наиболее существенными недостатками данного устройства являются невысокие точность и надежность измерений, а также ограниченный ресурс работы, что обусловлено сильной зависимостью регистрируемой величины временной задержки от температуры жидкости, ограниченными возможностями уменьшения размеров измерительной ячейки, деградацией во времени свойств и характеристик чувствительных элементов при проведении измерений в агрессивных средах. The most significant disadvantages of this device are the low accuracy and reliability of the measurements, as well as the limited service life, which is due to the strong dependence of the recorded time delay on the liquid temperature, limited possibilities of reducing the size of the measuring cell, time degradation of the properties and characteristics of sensitive elements during measurements in aggressive environments.

Известно устройство для измерения проводимости и плотности электролитов, включающее измерительную ячейку, содержащую один зондирующий элемент (электрические катушки плотно намотанные друг на друга с сильной магнитной связью, обеспечиваемой магнитопроводом), подсоединенный к генератору и регистратору переменного электрического напряжения [2] Исследуемая жидкость, в которую вводят зондирующий элемент, находится вне измерительной ячейки. Принцип работы устройства состоит в использовании эффекта уменьшения добротности колебательного контура зондирующего элемента вследствие диссипативных потерь при увеличении электропроводности среды, окружающей датчик. Переменное электрическое напряжение подают с генератора на первую катушку зондирующего элемента и с помощью регистрирующего прибора регистрируют электрический сигнал на второй катушке этого элемента. A device for measuring the conductivity and density of electrolytes, including a measuring cell containing one probe element (electric coils tightly wound on each other with a strong magnetic coupling provided by the magnetic circuit), connected to a generator and a registrar of alternating electric voltage [2] the liquid in which a probe element is introduced, located outside the measuring cell. The principle of operation of the device is to use the effect of reducing the quality factor of the oscillating circuit of the probe element due to dissipative losses with increasing conductivity of the medium surrounding the sensor. An alternating electric voltage is supplied from the generator to the first coil of the probe element and, using a recording device, an electric signal is recorded on the second coil of this element.

Основным недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, существенно превышающее характерные геометрические размеры датчика, в связи с тем, что на измеряемый сигнал оказывают влияние параметры жидкости в большом объеме окружающем датчик. В результате в ближайшем окружении ячейки должны отсутствовать металлические элементы, что ограничивает сферы применения данного устройства. The main disadvantage of this device is the low spatial resolution, significantly exceeding the characteristic geometric dimensions of the sensor, due to the fact that the measured signal is influenced by the parameters of the liquid in the large volume surrounding the sensor. As a result, metal elements should be absent in the immediate vicinity of the cell, which limits the scope of this device.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по конструкции является устройство для измерения электрической проводимости и плотности жидких электролитов, которое содержит измерительную ячейку, заполняемую исследуемой жидкостью, и два зондирующих элемента (электрода), жестко фиксированных друг относительно друга в пространстве на определенном расстоянии и соединенных с генератором и регистратором переменного электрического напряжения [3] На электроды подают с генератора переменное электрическое напряжение и измеряют его величину и величину электрического тока, протекающего в цепи, включающей в себя генератор, электроды, электролит, находящийся в объеме измерительной ячейки и соединительные провода. Closest to the proposed device in design is a device for measuring the electrical conductivity and density of liquid electrolytes, which contains a measuring cell filled with the test liquid, and two probe elements (electrodes), rigidly fixed relative to each other in space at a certain distance and connected to the generator and AC voltage recorder [3] Alternating voltage is applied to the electrodes from the generator and its magnitude is measured and elichinu electric current flowing in the circuit including the oscillator, the electrodes, electrolyte in the volume of the measuring cell and the connecting wires.

Величину электрической проводимости электролита определяют исходя из измеренных величин тока и напряжения на ячейке. The electrical conductivity of the electrolyte is determined based on the measured values of current and voltage on the cell.

Величину плотности жидкости определяют по градуировочным кривым зависимости плотности электролита от величины протекающего в цепи электрического тока при постоянном во всех измерениях, подаваемом на ячейку напряжения. The value of the density of the liquid is determined by the calibration curves of the dependence of the density of the electrolyte on the magnitude of the electric current flowing in the circuit at a constant voltage in all measurements supplied to the cell.

Существенными недостатками прототипа являются ограниченный ресурс работы устройства, а также невысокие точность, пространственное разрешение и надежность измерений. Significant disadvantages of the prototype are the limited resource of the device, as well as low accuracy, spatial resolution and reliability of measurements.

Невысокая надежность и ограниченный ресурс работы обусловлены изменением поверхностных свойств электродов в процессе их эксплуатации за счет активного разрушающего воздействия электролита. Low reliability and limited service life are due to changes in the surface properties of the electrodes during their operation due to the active destructive effect of the electrolyte.

Невысокая точность измерений электрической проводимости и плотности обусловлена также изменением состава электролита в приэлектродных областях вследствие процессов электролиза и слабой зависимостью электрического сопротивления электролита в ячейке от концентрации ионов в сильных растворах. The low accuracy of the measurements of electrical conductivity and density is also due to a change in the composition of the electrolyte in the electrode regions due to electrolysis processes and the weak dependence of the electrical resistance of the electrolyte in the cell on the concentration of ions in strong solutions.

Пространственное разрешение ограничивается размером приэлектродных областей и возможностью электрического пробоя промежутка между электродами. Spatial resolution is limited by the size of the electrode regions and the possibility of electrical breakdown of the gap between the electrodes.

Устройство не обеспечивает воспроизводимости результатов измерений в ходе продолжительной эксплуатации и требует частых калибровочных экспериментов. The device does not provide reproducibility of measurement results during continuous operation and requires frequent calibration experiments.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства, обеспечивающего дистанционное измерение электрической проводимости и плотности электропроводящей жидкости с высокими точностью, надежностью и пространственным разрешением при длительном эксплуатационном ресурсе датчика. The present invention solves the problem of creating a device that provides remote measurement of electrical conductivity and density of an electrically conductive liquid with high accuracy, reliability and spatial resolution with a long operational life of the sensor.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для определения электропроводности и плотности жидких электролитов, включающем генератор, регистратор переменного электрического напряжения, измерительную ячейку, содержащую два зондирующих элемента, жестко фиксированных друг относительно друга, и электрически соединенную с генератором и регистратором, один зондирующий элемент измерительной ячейки излучатель, включен в единую электрическую цепь с генератором, а другой приемник с регистратором переменного электрического напряжения, причем зондирующие элементы снабжены защитным покрытием химически инертным к исследуемой среде. Кроме того, в цепь излучателя включен блок автоматической настройки частоты генератора на резонансную частоту измерительной ячейки, физический принцип, лежащий в основе работы предлагаемого устройства, состоит в зависимости затухания электромагнитной волны от электропроводности среды, в которой она распространяется. The essence of the invention lies in the fact that in the device for determining the conductivity and density of liquid electrolytes, including a generator, a variable voltage recorder, a measuring cell containing two probing elements, rigidly fixed relative to each other, and electrically connected to the generator and the registrar, one probing element measuring cell emitter included in a single electrical circuit with a generator, and another receiver with a registrar of alternating voltage Ia, the sounding elements are provided with a protective coating is chemically inert to the assay medium. In addition, the emitter circuit includes a unit for automatically adjusting the generator frequency to the resonant frequency of the measuring cell, the physical principle underlying the operation of the proposed device consists in the dependence of the attenuation of the electromagnetic wave on the conductivity of the medium in which it propagates.

Указанное техническое решение позволяет решить поставленную задачу. The specified technical solution allows us to solve the problem.

Длительный эксплуатационный ресурс работы и надежность предлагаемого устройства обеспечиваются прежде всего тем, что в отличие от известных технических решений предлагаемое раздельное подключение зондирующих элементов к генератору и регистратору позволяет защитить зондирующие элементы измерительной ячейки от разрушающего воздействия электролита химически стойким покрытием. В прототипе электроды принципиально должны находиться в электрическом контакте с электролитом, что подвергает их поверхность сильному физико-химическому воздействию электролита. The long operational life and reliability of the proposed device is ensured primarily by the fact that, in contrast to the known technical solutions, the proposed separate connection of the probing elements to the generator and the recorder allows protecting the probing elements of the measuring cell from the destructive effect of the electrolyte by a chemically resistant coating. In the prototype, the electrodes should in principle be in electrical contact with the electrolyte, which exposes their surface to the strong physicochemical effects of the electrolyte.

Повышение точности и надежности измерений с помощью предлагаемого технического решения обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства исключается возможность электролиза исследуемой среды, ее загрязнение продуктами коррозии электродов, а также возникновение электрического пробоя. Это достигается тем, что электрические цепи излучателя и приемника электрически изолированы друг от друга и от исследуемой среды (излучатель включен в единую цепь с генератором, а приемник с измерителем). Измерение перечисленных параметров осуществляется на основе принципа измерения затухания амплитуды высокочастотного электромагнитного сигнала в электропроводящей среде, а не за счет прямого измерения электропроводности, скорости звука или изменения добротности контура в известных устройствах. Improving the accuracy and reliability of measurements using the proposed technical solution is ensured by the fact that, in contrast to the known device, the possibility of electrolysis of the test medium, its contamination by corrosion products of the electrodes, and the occurrence of electrical breakdown are excluded. This is achieved by the fact that the electric circuits of the emitter and receiver are electrically isolated from each other and from the medium under study (the emitter is included in a single circuit with a generator, and the receiver with a meter). The measurement of these parameters is carried out on the basis of the principle of measuring the attenuation of the amplitude of a high-frequency electromagnetic signal in an electrically conductive medium, and not by directly measuring the conductivity, speed of sound, or changing the quality factor of a circuit in known devices.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает также возможность повышения пространственного разрешения. Известное устройство [3] вследствие возможности электрического пробоя межэлектродного пространства и образования приэлектродных слоев не позволяет обеспечить пространственное разрешение лучше нескольких миллиметров. В предлагаемом устройстве пространственное разрешение определяется только конструкционными решениями ячейки, т.е. компактностью взаимного расположения приемника и излучателя, и может быть обеспечено лучше 1 мм. Ни электрического пробоя, ни образования приэлектродных слоев в предлагаемом устройстве не имеет места. The proposed technical solution also provides the opportunity to increase spatial resolution. The known device [3] due to the possibility of electric breakdown of the interelectrode space and the formation of near-electrode layers does not allow for spatial resolution better than a few millimeters. In the proposed device, the spatial resolution is determined only by the structural solutions of the cell, i.e. compactness of the relative position of the receiver and emitter, and can be provided better than 1 mm. Neither electrical breakdown, nor the formation of near-electrode layers in the proposed device takes place.

Как правило, в известном техническом решении [3] зондирующие элементы изготавливаются из материалов платиновой группы, что существенно удорожает стоимость устройства. В предлагаемом устройстве использовать дорогостоящие материалы нет необходимости. Зондирующие элементы могут изготавливаться из любого металла с защитным покрытием поверхности, например полимерным. As a rule, in the known technical solution [3], the probe elements are made of platinum group materials, which significantly increases the cost of the device. In the proposed device to use expensive materials is not necessary. The probe elements can be made of any metal with a protective surface coating, for example, polymer.

Кроме того, чувствительность и точность предлагаемого устройства могут быть существенно увеличены в случае включения в цепь излучателя блока автоматической настройки возбуждающего сигнала на резонансную частоту ячейки. В этом случае значительно возрастает амплитуда принимаемого сигнала, что существенно повышает точность измерения напряжения и чувствительность устройства. In addition, the sensitivity and accuracy of the proposed device can be significantly increased in case of inclusion in the emitter circuit of a unit for automatically setting the exciting signal to the resonant frequency of the cell. In this case, the amplitude of the received signal increases significantly, which significantly increases the accuracy of voltage measurement and the sensitivity of the device.

На чертеже изображено предлагаемое устройство. The drawing shows the proposed device.

Устройство для определения электрической проводимости и плотности жидкого электролита содержит измерительную ячейку 1, которая заполняется при проведении измерений исследуемой жидкостью 2, включающую два зондирующих элемента излучатель 3 и приемник 4, жестко фиксированных друг относительно друга с помощью крепежных элементов 5. Излучатель 3 включен в единую электрическую цепь с генератором переменного электрического напряжения 6, а приемник 4 включен в единую электрическую цепь с регистратором принимаемого переменного электрического сигнала 7. Излучатель 3 и приемник 4 снабжены защитным покрытием 8, химически инертным по отношению к исследуемой среде. A device for determining the electrical conductivity and density of a liquid electrolyte contains a measuring cell 1, which is filled during measurements with the investigated liquid 2, including two probing elements emitter 3 and receiver 4, rigidly fixed to each other using fasteners 5. The emitter 3 is included in a single electrical a circuit with an alternating electric voltage generator 6, and a receiver 4 is included in a single electric circuit with a registrar of a received alternating electric voltage 7. Igna emitter 3 and receiver 4 are provided with a protective coating 8, chemically inert to the assay medium.

Кроме того, в электрическую цепь излучателя между генератором и излучателем включен блок автоматической настройки частоты генератора не резонансную частоту измерительной ячейки 9. In addition, in the electric circuit of the emitter between the generator and the emitter included a block for automatically adjusting the frequency of the generator is not the resonant frequency of the measuring cell 9.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Измерительную ячейку 1 для проведения измерений заполняют жидким электролитом 2, параметры которого необходимо определить. На излучатель 3 подают с генератора 6 переменное электрическое напряжение фиксированной амплитуды. Тем самым возбуждают электромагнитную волну, распространяющуюся в электролите. Электромагнитная волна вследствие наличия электропроводности среды затухает и в ослабленном виде достигает приемника 4. Волну принимают с помощью приемника 4, в котором она возбуждает переменную ЭДС, амплитуду которой измеряют посредством регистратора переменного электрического напряжения 7. При фиксированной амплитуде возбуждаемого сигнала амплитуда принимаемого сигнала характеризует степень затухания электромагнитной волны при ее распространении через электролит, которая в свою очередь зависит от электрической проводимости, т.е. от концентрации заряженных частиц в электролите и его плотности. Для определения абсолютных значений электрической проводимости и плотности используются результаты калибровочных экспериментов. Эти эксперименты проводятся при той же фиксированной амплитуде сигнала генератора. В ходе калибровочных экспериментов электрическая проводимость и плотность электролита измеряются известными методами. По результатам калибровочных экспериментов строятся калибровочные кривые зависимостей электрической проводимости и плотности электролита от амплитуды регистрируемого на приемнике сигнала. Полученные таким образом калибровочные кривые используются для определения электрической проводимости и/или плотности электролита, находящегося в измерительной ячейке. При работе блока автоматической настройки частоты генератора на резонансную частоту измерительной ячейки амплитуда принимаемого сигнала максимальна, что позволяет регистрировать его с повышенной точностью и чувствительностью. The measuring cell 1 for measurements is filled with liquid electrolyte 2, the parameters of which must be determined. The emitter 3 serves from the generator 6 an alternating voltage of a fixed amplitude. Thus, an electromagnetic wave propagating in the electrolyte is excited. The electromagnetic wave, due to the presence of the electrical conductivity of the medium, attenuates and reaches the receiver 4 in a weakened form. The wave is received using the receiver 4, in which it excites a variable EMF, the amplitude of which is measured by the variable voltage recorder 7. At a fixed amplitude of the excited signal, the amplitude of the received signal characterizes the degree of attenuation electromagnetic wave during its propagation through an electrolyte, which in turn depends on electrical conductivity, i.e. on the concentration of charged particles in the electrolyte and its density. The results of calibration experiments are used to determine the absolute values of electrical conductivity and density. These experiments are carried out at the same fixed amplitude of the generator signal. During calibration experiments, electrical conductivity and electrolyte density are measured by known methods. Based on the results of calibration experiments, calibration curves are constructed for the dependences of the electrical conductivity and electrolyte density on the amplitude of the signal recorded at the receiver. The calibration curves obtained in this way are used to determine the electrical conductivity and / or density of the electrolyte located in the measuring cell. During operation of the unit for automatically tuning the generator frequency to the resonant frequency of the measuring cell, the amplitude of the received signal is maximum, which allows it to be recorded with increased accuracy and sensitivity.

Claims

DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND DENSITY OF LIQUID ELECTROLYTES, containing a generator, a signal recorder, a measuring cell filled with the studied liquid and containing two probing elements located at a fixed distance from each other, characterized in that an automatic frequency adjustment unit is inserted into it, inputs which are connected to the terminals of the generator, and the outputs are connected to the first probe element, which is the emitter of the signal, the second probe element, being a signal receiver, connected to the terminals of the signal recorder, the signal receiver being placed inside the signal emitter, which is a screen with respect to the signal receiver, both probing elements are coated with a chemically inert protective coating.