RU221908U1 - Датчик кондуктометрический - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники параметров жидких сред, а именно к измерениям электрической проводимости различных типов вод, растворов, технологических жидкостей методом кондуктометрии. Датчик кондуктометрический состоит из корпуса с опорным элементом с пятью кольцевыми электродами и съемным кожухом, при этом опорный элемент представлен как многослойная конструкция, выполнен в виде трубки из нержавеющей стали с загерметизированной нижней частью со встроенным термочувствительным элементом, покрытой изоляционным материалом, поверх которого установлены два измерительных, два возбуждающих и один блокирующий электроды на заданных расстояниях друг от друга и от съёмного кожуха, при этом выводы кольцевых электродов расположены внутри трубки, при этом расстояние между электродами зафиксировано с помощью шести колец из изоляционного материала, съёмный кожух открыт в нижней части, а в верхней части имеет не менее одного бокового отверстия для пропуска жидкости, и прикреплен к корпусу датчика при помощи резьбы, при этом электрическая схема состоит из двух потенциостатов, неинвертирующие входы которых подключены к выходам управляемого генератора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления и вычисления, а инвертирующие входы - с двумя измерительными электродами, выход первого потенциостата подключен к одному возбуждающему электроду, а выход второго потенциостата подключен ко второму возбуждающему электроду через амперметр, информационный выход которого подключен к первому входу блока управления и вычисления, а ко второму его входу подключен термочувствительный элемент, при этом второй возбуждающий электрод соединен с блокирующим электродом через высокоомный повторитель. Техническим результатом заявляемого решения является создание точного кондуктометрического датчика с высокими метрологическими характеристиками и удобным в использовании. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники параметров жидких сред, а именно к измерениям электрической проводимости различных типов вод, растворов, технологических жидкостей методом кондуктометрии.

Метод кондуктометрии для измерения электрической проводимости (электропроводности) жидких сред применяют с конца 19 века. Традиционно кондуктометрический датчик содержит два электрода, между которыми измеряется электрическое сопротивление. Двухэлектродным датчикам свойственны погрешности, обусловленные эффектами поляризации, загрязнением электродов, наличием токов утечки, изменением геометрии ячейки в процессе эксплуатации. Величина погрешностей зависит от конструкции датчика и условий его эксплуатации. Одним из способов повышения точности измерения является применение для измерений переменного тока, что существенно ослабляет влияние эффектов поляризации.

Другим способом уменьшения составляющих погрешностей является применение датчиков, использующих многоэлектродный метод измерений (применение датчиков, содержащих более двух электродов). В четырехэлектродных датчиках через два электрода, называемых возбуждающими или токовыми, пропускают электрический ток, который измеряют или поддерживают постоянным. Два других электрода, называемых измерительными, устанавливают между возбуждающими электродами и используют для измерения напряжения между ними. По значению тока и напряжения рассчитывают значение электропроводности раствора. Для исключения тока утечки («эффекта стенки») в двухэлектродный датчик встраивают третий электрод, а в четырехэлектродный датчик добавляют дополнительный пятый электрод, который является эквипотенциальным с одним из возбуждающих электродов. Также известны шести и семиэлектродные кондуктометрические датчики (ячейки). Встраивание дополнительных электродов в датчик усложняет его конструкцию и предъявляет больше требований к условиям его эксплуатации, поэтому должно быть оправдано появляющимися или улучшающимися характеристиками качества измерений и эксплуатации.

Для производства электродов использовались различные материалы, такие как углерод, никель, титан и нержавеющая сталь. При этом наилучшие метрологические характеристики результатов измерения электропроводности достигались, когда в качестве материала электрода использовалась платина или поверхность электрода покрывалась платиновой чернью.

Известно устройство измерения электролитической проводимости (патент GB1330295A от 12.09.1973), включающее в себя ячейку, имеющую пять электродов, между двумя из которых пропускается постоянный ток от источника тока, между двумя другими электродами, расположенными между первыми двумя электродами, измеряется напряжение, пятый электрод, предотвращающий протекание тока за пределами ячейки и расположенный таким образом, что ток протекает по двум путям, один из которых проходит между указанными первыми двумя электродами, а другой проходит между одним из указанных первых двух электродов и указанным пятым электродом.

Недостатком данного устройства является использование постоянного тока, что приводит к погрешности измерений, связанной с наличием эффекта поляризации электродов.

Из уровня техники также известна кондуктометрическая ячейка (патент РФ 2793925 от 21.07.2022), содержащая пять кольцевых электродов с заданными одинаковыми внутренними и наружными диаметрами, установленных на одной оси на заданном расстоянии друг от друга, два крайних из которых заземлены или подключены друг к другу, третий из которых подключен к генератору переменного тока, а два остальных из которых подключены к измерительной схеме и установлены в промежутке между третьим электродом и одним из крайних, отличающаяся тем, что содержит выполненный из изолирующего материала корпус в виде длинного цилиндрического стакана заданных размеров, в дне которого выполнено осевое отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру электродов, и в полости которого установлены электроды, в промежутках между которыми установлены четыре трубки заданных размеров из непроводящего материала с одинаковыми внутренними и наружными диаметрами, равными соответственно внутреннему и наружному диаметрам электродов, причем трубка, установленная между электродами, подключенными к измерительной схеме, выполнена из термостабильного материала, при этом электроды снабжены уплотнениями в виде колец заданных размеров, установленных в полости корпуса с обеих сторон каждого из электродов, полость корпуса закрыта цилиндрический заглушкой из изолирующего материала, в которой выполнено соосное корпусу осевое отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру электродов и трубок, и которая выполнена подвижной с возможностью сжатия набора из электродов, трубок и уплотнений, в стенке корпуса выполнен продольный канал, в котором уложены провода, подключенные соответственно к пяти контактам, которые установлены в выполненных в стенке корпуса пяти радиальных отверстиях и соединены с соответствующими электродами.

Недостатками данного устройства являются отсутствие встроенного температурного датчика и сложная сборная конструкция датчика. Также данный датчик не предназначен для использования как погружной и требует прокачивания через него исследуемой жидкости, что усложняет его применение и делает невозможным его использование для исследования жидкостей малого объема.

Близким аналогом к заявляемому техническому решению является датчик проводимости (патент EP1621876 от 01.02.2006), содержащий опорный элемент с расположенным на нем пятью кольцевыми электродами таким образом, что тройка (триплет) электродов определяет внутренние промежуточные области между электродами, а дополнительная пара электродов расположена в одной из двух промежуточных зон между электродами тройки. Центральный электрод триплета (электрод возбуждения) соединен с генератором напряжения, который создает ток, тогда как два внешних электрода триплета соединены с землей. Электроды второй пары (измерительные электроды) соединены с измерительной цепью. Эта измерительная схема позволяет определить падение напряжения из-за электропроводности анализируемого вещества между двумя измерительными электродами. Как и в четырехэлектродных ячейках, приложение тока к электроду возбуждения триплета генерирует ток, направленный к внешним заземленным электродам, и, следовательно, создает падение напряжения на второй, внутренней паре электродов. Дополнительный пятый электрод также соединен с землей и таким образом устраняет блуждающие токи между электродом возбуждения и заземленными электродами.

Недостатками указанного датчика являются сложность изготовления, связанная с необходимостью надежной фиксации электродов на полой трубке, изготовленной предпочтительно из стекла, а также неудобство применения, связанные с работой со стеклянным датчиком, снятием и креплением корпуса датчика с использованием уплотнительных колец. К тому же расположение проводов внутри стеклянной трубки может служить источником дополнительных погрешностей измерения.

Задачей полезной модели является разработка устройства с получением более точных результатов измерений и с расширенными эксплуатационными возможностями.

Техническим результатом заявляемого решения является создание точного кондуктометрического датчика с высокими метрологическими характеристиками и удобным в использовании.

Технический результат достигается тем, что датчик кондуктометрический, состоит из корпуса с опорным элементом с пятью кольцевыми электродами и съемным кожухом, при этом опорный элемент является многослойной конструкцией и выполнен в виде трубки из нержавеющей стали с загерметизированной нижней частью и встроенным термочувствительным элементом, покрытой изоляционным материалом, поверх которого установлены два измерительных, два возбуждающих и один блокирующий электроды на заданных расстояниях друг от друга и от съемного кожуха, при этом выводы кольцевых электродов расположены внутри трубки, а расстояния между электродами зафиксировано с помощью шести колец из изоляционного материала, съемный кожух открыт в нижней части, а в верхней части имеет не менее одного бокового отверстия для пропуска жидкости, и прикреплен к корпусу электрода при помощи резьбы, при этом электрическая схема состоит из двух потенциостатов, неинвертирующие входы которых подключены к выходам управляемого генератора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления и вычисления, а инвертирующие входы - с двумя измерительными электродами, выход первого потенциостата подключен к одному возбуждающему электроду, а выход второго потенциостата подключен ко второму возбуждающему электроду через амперметр, информационный выход которого подключен к первому входу блока управления и вычисления, а ко второму его входу подключен термочувствительный элемент, при этом второй возбуждающий электрод соединен с блокирующим электродом через высокоомный повторитель.

Сущность полезной модели поясняется фигурами 1, 2 и 3 где: на фиг. 1 изображен общий вид кондуктометрического датчика в корпусе, на фиг. 2 изображена контактная часть кондуктометрического датчика в разрезе, на фиг. 3 изображена электрическая схема подключения.

Кондуктометрический датчик состоит (фиг.1) из корпуса 1, в нижней части которого расположена контактная часть, состоящая из опорного элемента 5 с электродами и термочувствительным элементом; кожуха 2, соединенного с корпусом с помощью резьбы; колпачка 6 для фиксации проводов; соединительного кабеля 7.

Опорный элемент состоит (фиг.2) из тонкостенной трубки 8 из нержавеющей стали с загерметизированной нижней частью. Поверхность трубки частично покрыта тонким слоем изоляционного материала 9, поверх которого установлены шесть колец из изоляционного материала 10, 11, 12, 13, 14, 15 поочередно с пятью кольцевыми электродами: возбуждающими электродами 16 и 17, измерительными электродами 18 и 19, блокирующим электродом 20; внутри опорного элемента размещен термочувствительный элемент 21.

Электрическая схема (фиг.3) состоит из двух потенциостатов 22, 23, неинвертирующие входы которых подключены к выходам управляемого генератора 24, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления и вычисления 25, а инвертирующие входы - с измерительными электродами 18 и 19. Выход потенциостата 22 подключен к возбуждающему электроду 17, а выход потенциостата 23 к возбуждающему электроду 16 через амперметр 26, информационный выход которого подключен к первому входу блока управления и вычисления 25, а ко второму его входу подключен термочувствительный элемент 21. Возбуждающий электрод 16 соединен с блокирующим электродом 20 через высокоомный повторитель 27. Второй выход блока управления и вычисления 25 является выходом результата измерения и может быть подключен к индикатору, дисплею или персональному компьютеру.

Датчик кондуктометрический состоит из многослойного опорного элемента 5 с термочувствительным элементом 21 и пятью кольцевыми электродами 16, 17, 18, 19, 20, который расположен в нижней погружной части корпуса 1 внутри съемного кожуха 2, выполненного из изоляционного материала, кроме стекла, в виде трубы таким образом, что опорный элемент располагается внутри кожуха 2, не соприкасаясь с его внутренней поверхностью. Тем самым между внутренней поверхностью кожуха 2 и внешней поверхностью опорного элемента 5 формируется измерительный канал, который заполняется испытуемой жидкостью через отверстие внизу кожуха и одно или более отверстий 3, расположенных в верхней части кожуха 2. Опорный элемент крепится к корпусу 1 датчика без возможности его снятия пользователем. Кожух 2 надевается/снимается с корпуса датчика путем вкручивания/выкручивания по винтовой резьбе в случае необходимости очистки поверхности электродов.

Опорный элемент 5 помещен внутри кожуха 2 и имеет сложную многослойную конструкцию, состоящую из тонкостенной трубки 8 из нержавеющей стали с загерметизированной нижней частью. Внутрь трубки 8 в ее нижнюю часть встроен термочувствительный элемент 21. Снаружи трубка покрыта тонким слоем изоляционного материала 9, поверх которого установлены пять кольцевых электродов 16, 17, 18, 19, 20 из нержавеющей стали или другого проводящего материала и шесть колец 10, 11, 12, 13, 14, 15 из изоляционного материала, с помощью которых фиксируется заданное расстояние между электродами 16, 17, 18, 19, 20. Выводы электродов 16, 17, 18, 19, 20 и термочувствительного элемента 21 проходят внутри трубки 8, чем достигается экранирующий эффект для чувствительной измерительной части и, соответственно, снижение погрешности результатов измерений.

Заявляемый кондуктометрический датчик работает следующим образом: с блока управления и вычисления 25 с помощью управляемого генератора переменного напряжения 24 задается напряжение нужной амплитуды и частоты между положительными входами потенциостатов 22 и 23. Благодаря работе потенциостатов через возбуждающие электроды 16 и 17 протекает именно такой ток, который обеспечивает заданное напряжение между измерительными электродами 18 и 19. На блокирующем электроде 20 поддерживается потенциал, равный потенциалу возбуждающего электрода 16. В цепь возбуждающего электрода 16 включен амперметр 26, измеряющий все параметры тока (амплитуда, фазовый сдвиг и пр.). По известному значению напряжения и измеренным параметрам тока с учетом постоянной ячейки, которая определяется предварительно, рассчитывается значение электропроводности. По результатам измерения может проводиться коррекция параметров напряжения (амплитуда, частота) для получения более точных результатов. Для исключения влияния амперметра 26 на идентичность потенциалов блокирующего электрода 20 и возбуждающего электрода 16 между ними включен высокоомный повторитель 27.

Сходными с существенными признаками заявленной полезной модели являются следующие признаки прототипа:

- наличие пяти кольцевых электродов, установленных на одной оси на заданном расстоянии друг от друга, два крайних из которых (возбуждающие электроды) заземлены или подключены друг к другу, а два остальных из которых (измерительные электроды) подключены к измерительной схеме и установлены в промежутке между третьим электродом и одним из крайних;

- окружение опорного элемента защитным кожухом, образующим определенный зазор для испытуемой жидкости между внутренней поверхностью кожуха и электродами на опорном элементе, что обеспечивает определенную постоянную датчика;

- наличие термочувствительного элемента внутри опорного элемента.

Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного изобретения:

- с помощью потенциостатов задается протекание тока через возбуждающие электроды именно такой величины, которая обеспечивает заданное напряжение между измерительными электродами; параметры тока измеряются для расчета электропроводности; такая измерительная схема позволяет проводить коррекции параметров задаваемого напряжения с целью снижения погрешности результатов измерения электропроводности;

- включение в цепь блокирующего электрода высокоомного повторителя, что гарантирует идентичность потенциалов блокирующего электрода и дальнего возбуждающего электрода, тем самым существенно снижает риск появления «блуждающих» токов и позволяет увеличить точность измерений;

- изготовление опорного элемента из тонкостенной трубки из нержавеющей стали, внутри которой расположены выводы электродов и термочувствительного элемента, что упрощает технологию изготовления датчика и позволяет снизить погрешность измерения из-за наличия экранирующего эффекта;

- фиксация кольцевых электродов путем их расположения между кольцами, изготовленными из изоляционного материала, не меняющего своей геометрической формы в ходе эксплуатации датчика, что упрощает технологию изготовления датчика и позволяет наладить серийное производство датчика;

- креплением съемного кожуха путем резьбового соединения, что облегчает процесс разборки датчика для очистки поверхности электродов.

Предлагаемая конструкция кондуктометрического датчика в предложенной совокупности существенных признаков в известных источниках информации не выявлена, что подтверждает ее новизну.

Заявляемый кондуктометрический датчик соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку он может быть многократно произведен и использован по своему назначению с достижением указанного технического результата.

Claims (1)

1. Датчик кондуктметрический, состоящий из корпуса с опорным элементом с пятью кольцевыми электродами и съемным кожухом, отличающийся тем,что опорный элемент представлен как многослойная конструкция, выполнен в виде трубки из нержавеющей стали с загерметизированной нижней частью со встроенным термочувствительным элементом, покрытой изоляционным материалом, поверх которого установлены два измерительных, два возбуждающих и один блокирующий электроды на заданных расстояниях друг от друга и от съемного кожуха, при этом выводы кольцевых электродов расположены внутри трубки, при этом расстояние между электродами зафиксировано с помощью шести колец из изоляционного материала, съемный кожух открыт в нижней части, а в верхней части имеет не менее одного бокового отверстия для пропуска жидкости, и прикреплен к корпусу датчика при помощи резьбы, при этом электрическая схема состоит из двух потенциостатов, неинвертирующие входы которых подключены к выходам управляемого генератора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления и вычисления, а инвертирующие входы - с двумя измерительными электродами, выход первого потенциостата подключен к одному возбуждающему электроду, а выход второго потенциостата подключен ко второму возбуждающему электроду через амперметр, информационный выход которого подключен к первому входу блока управления и вычисления, а ко второму его входу подключен термочувствительный элемент, при этом второй возбуждающий электрод соединен с блокирующим электродом через высокоомный повторитель.