SU840725A1 - Контактный датчик удельнойэлЕКТРичЕСКОй пРОВОдиМОСТи - Google Patents

Description

Изобретение относится к гидрофизическим измерениям и может быть использовано для исследования тонкой стратификации вод океана, в экспери- > ментальной гидродинамике для измерений параметров турбулентности, в метрологии в качестве образцового средства измерений пульсаций удельной электрической проводимости (УЭП).

Известен контактный датчик для измерения вертикальных распределений УЭП (стратификации) вод океана, выполненный в виде обрывного зонда обтекаемой формы со сквозньвл отверсти- . ем вдоль оси симметрии. Внутри от- 15 верстия заподлицо с диэлектрической поверхностью стенки размещены три кольцевых электрода (крайние закорочены между собой). Принцип действия датчика основан на измерении сопротивления жидкости между крайними и центральным электродом, которое зависит от текущего значения УЭП среды [1] ·

Транспортное запаздывание жидкости в чувствительный объем, низкая стабильность поверхностных условий на электродах и дрейф собственной ЭДС между ними не позволяет измерять малые приращения УЭП, а также воспрйни- 30 мать пространственные неоднородности с масштабом менее единиц метров.⁰ Недостатки устройства - низкая точность и чувствительность, а также невозможность измерения пульсаций УЭП.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является контактный датчик для измерения УЭП, 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 датчика в исследуемую жидкость и пропускании постоянного по величине тока через токовые электроды на обеих парах измерительных электродов возникает разность потенциалов, которая пропорциональна УЭП среды [2] .

Недостатками известного датчика, несмотря на удовлетворительную точности измерения средних значений УЭП в неподвижной жидкости, являются низкая' точность измерения УЭП в водном · потоке, низкая чувствительность и невозможность измерений в малом локальном объеме потока одновременно и средних и пульсационных значений УЭП. Расположение обеих чувствительных зон (имеется ввиду объем жидкости вблизи каждой пары измерительных , электродов) внутри отверстия трубки ⁵ обуславливает недостоверность информации о пространственной структуре неоднородностей УЭП в потоке, вызванную гидродинамическими искажениями локальных неоднородностей при вхож- ·° дении их в отверстие трубки. При этом приблизительно одинаковая гидродинамическая обстановка каждой пары измерительных электродов исключает возможность одновременного иэме- 15 рения в локальном объеме потока средних и пульсационных.значений УЭП. Шумы, вызванные нестабильностью и временным дрейфом собственной ЭДС измери изобретения - повышение точчувствительности измерений, достигается тем, что в кондатчике, один токовый элект35 тельных электродов, резкой неравномер~20 ностью профиля средней скорости и интенсивности турбулентных пульсаций скорости вдоль трубки снижают точность и чувствительность известного датчика к измерению средних значений УЭП.

Таким образом, известный датчик имеет точность и чувствительность при измерении УЭП жидкости в потоке й не обеспечивает одновременного измерения средних и пульсационных значений УЭП в турбулентных потоках.

Цель ности и

Цель тактном род размещен внутри диэлектрической проточной трубки: передний край на расстоянии не менее 2 внутренних диаметров трубки, а задний край на расстоянии не менее 5 диаметров от концов трубки, второй токовый электрод размещен на внешней поверхности конца трубки с переходом на ее внутреннюю поверхность, при этом ' края электрода расположены: на внутренней поверхности - на расстоянии не менее 3 диаметров внутренного отверстия трубки от ее конца, а другой край на наружной поверхности так же на расстоянии не менее 3 диаметров внутреннего отверстия трубки от ее начала, одна пара измерительных электродов размещена на внутренней поверхности трубки между токовыми электродами, а электроды другой пары размещены вблизи входного отверстия, один - на внутренней поверхности, а другой - на наружной ности трубки.

Это позволяет локализовать витёльную зону датчика вблизи входного отверстия со стороны тающего потока, снизить искажение структуры потока телом датчика, использовать эффект гидродинамического сглаживания внутри отверстия для поверхчувстего набе55 ’осреднения пульсаций УЭП во времени, исключить влияние отрыва течения у выходного отверстия трубки, повысить стабильность поверхностных условий на электродах и изменить соотношения амплитуд сигналов, соответствующих средним и пульсационным значениям УЭП при дифференциальном включении пар измерительных электродов.

На фиг. 1 представлен контактный датчик удельной электрической проводимости , общий вид; на фиг. 2 - схема включения электродов датчика.

Датчик для измерения удельной электрической проводимости содержит диэлектрическую проточную трубку 1, токовый электрод 2 внутри трубки 1, токовый электрод 3 на внутренней и наружной поверхностях конца трубки 1, измерительные электроды 4 и 5 вблизи входного отверстия трубки 1, электрод 4 на внутренней поверхности трубки 1, а электрод 5 на наружной поверхности трубки 1, измерительные электроды 6 и 7 на внутренней поверхности трубки 1 между токовыми электродами 2 и 3. Электроды датчика 8 включены в измерительную цепь, которая содержит источник 9, подключенный к токовым электродам 2 и 3, измерительные усилители 10 и 11 с измерительными электродами 4, 5 и б, 7 на их входах, компаратор 12, на вход которого подключены выходы измерительных усилителей 10 и 11, последовательно подключенные к выходу компаратора 12 детектор 13, усилитель 14 переменного напряжения и регистр 15 пульсаций УЭП (например, вольтметр среднеквадратических значений или спектроанализатор), переключатель 16, детектор 17 и регистратор 18 средних значений (например, вольтметр, самописец или ЭВМ, последовательно подключаемые к одному из выходов измерительных усилителей 10 и 11).

Датчик работает следующим образом.

При погружении его в исследуемую жидкость и пропускании стабильного по амплитуде тока от источника 9 через токовые электроды 2 и 3 образуются две чувствительные зоны. Первая на участке между измерительными электродами 4 и 5 относительно входного [отверстия трубки 1, а вторая - между [измерительными электродами б и 7 внутри трубки 1. Очевидно, что в однородной по УЭП среде и равенстве между собой кондуктивных постоянных чувствительных зон разности потенциалов между парами электродов 4, 5 и 6, 7 равны между собой и пропорциональны УЭП жидкости. В турбулентной среде чувствительная зона между измерительными электродами 4 и 5 реагирует на мгновенное значение УЭП в локальном объеме потока перед входом в отверстие трубки 1, а вторая чувстви65 тельная зона между измерительными ' электродами б и 7 реагирует на осредненное во времени значение УЭП. Чувствительность к пульсациям (пространственным локальным неоднородностям УЭП) обеспечивается в предлагаемом датчике за счет работы на краевом ³ эффекте. Для обеспечения этого эффекта передний край токового электрода 2, расположенного на внутренней поверхности отверстия трубки 1, отстоит от входа в отверстие на расстоянии ‘0 не менее 2-х диаметров отверстия трубки 1, а передний край токового электрода 3 на наружной поверхности трубки 1. отстоит от входа на расстоянии не менее 3-х диаметров отвер- 15 стия.

Выбор расстояний передних краев токовых электродов 2 и 3 относитель- _х но входа в отверстие диктуется с од- 20 ной стороны конструктивными требованиями, т.е. возможностью установки вблизи входного отверстия трубки 1 измерительных электродов 4 и 5 с площадью активной поверхности, достаточной для точных измерений УЭП. С другой стороны, обязательными условиями являются обеспечение высокой пространственной разрешающей способности и минимальных искажений структуры потока, вносимых телом датчика. Доста- 30 точная стабильность поверхностных условий на измерительных электродах 4 и 5 достигается уже при площадях порядка 1-2 мм¹ и улучшается с увеличением их площади (5). Влиянием эф- 35 фекта экранирования токовых электродов 2 и 3, зависящего от расстояния между измерительными и токовыми электродами, практически можно пренебречь при расстоянии Е между ними t> 0,7d, до где d --диаметр отверстия (5,6), что распространяется также на выбор активной поверхности электродов б и 7 и установку их относительно краев токовых электродов 2 и 3 внутри трубки 1. 45

Пространственная разрешающая .

способность датчика в основном зависит от расположения измерительных электродов 4 и 5 относительно края входного отверстия трубки 1. Чем ближе электроды 4 и 5 (соответственно и передние края токовых электродов 2 и 3) ко входу в отверстие и чем меньше диаметр отверстия, тем меньшего масштаба однородности УЭП могут 55 быть обнаружены датчиком в потоке. Высокая точность измерений УЭП в статическом и динамическом режимах достигается за счет фокусирования подавляющей части (порядка 50% и'бо- эд лее) сопротивления жидкости между измерительными электродами 4 и 5 непосредственно перед входом в отверстие трубки 1 (краевой эффект) и отнесения электродов из области максимальной плотности тока (электроды и 5) й активного гидродинамического воздействия потока (электроды

2,4) (7).

Выбор конкретных расстояний передних краев токовых электродов 2 и 3 (соответственно и расположение измерительных электродов 4 и 5) относительно входа в отверстие трубки 1 могут варьироваться в широких пределах в зависимости от целей и задач исследований конструктивных требований и условий эксплуатации. Требования к форме и размерам отверстия и самого датчика определяются, прежде всего, общими положениями теории гидродинамики, используемыми при разработке средств измерений флуктуаций различных физических величин в турбулентных потоках. Основными из них являются: минимальные искажения структуры потока, независимость показаний датчика от скоса и срыва потока, удобооптекаемая форма тела датчика, и др.

Приведем рекомендуемое расположение электродов 2, 3 и 4, 5 относительно входа в отверстие трубки 1 для двух основных режимов работы предлагаемого датчика. Например, при использовании датчика в качестве измерителя турбулентных пульсаций электрод 4 и передний край токового электрода 3 на наружной поверхности трубки 1 предпочтительно выносить за пределы краевой чувствительности зоны, ограниченной условной сферой с радиусом порядка 5 диаметров отверстия относительно входа и более относительно входа в отверстие. Следует отметить, что при отнесении электрода 4 на расстояние 5 диаметров и более (соответственно при этом сдвигается и передний край токового электрода 3) размеры чувствительной зоны датчика уже практически не изменяется и масштаб его осреднения в основном определяется диаметром отверстия. При этом достигается минимальные гидродинамические искажения пространственной структуры потока и высокая стабильность поверхностных условий на электродах. При расположении передних краев токовых электродов непосредственно вблизи входа в отверстие датчик предпочтительнее применять для исследования тонкой стратификации (например, при вертикальном зондировании океана) поскольку повышается способность датчика различать боле тонкие слои, неоднородные по УЭП.

Скорость течения жидкости в отверстии трубки 1 определяется прежде всего конструкцией самого датчика (формой отверстия носовой части,геометрическими размерами отверстия) и гораздо меньше скорости набегающего потока. Неоднородность УЭП, воздействующих на краевую зону, частично про7 текает в отверстие, где по мере прохождения линейного участка от края входного отверстия до чувствительной зоны между электродами 6 и 7 затухает. В первом приближении их затухание может быть вычислено как ci¹ = X /d , , где X - длина линейного участка, а d - диаметр отверстия. Дополнительное сглаживание пульсаций в отверстии можно получить за счет придания входному отверстию формы конфузора с различны- . * ми коэффициентами поджатия, введением сглаживающих сеток. При этом необходимо , чтобы число Рейнольдса (Re) в отверстии было меньше критического значения, т.е. Re« 2700. На основании изложенного целесообразно в общем случае зад-15 ний край токового электрода 2 (см.

фиг. 1) устанавливать на расстоянии не менее 5 диаметров отверстия от входа в отверстие трубки 1. Вместе с этим необходимо, чтобы явление отрыва течения не 20 сказывалось на результаты измерений осредненного значения УЭП. Практически полное исключение влияния срыва потока корме датчика на гидродинамическую обстановку в районе измеритель^ ных электродов 6 и 7 достигается за счет установки края токового электрода 3 внутри отверстия трубки 1 на расстоянии не менее 3 диаметров внутреннего отверстия трубки 1 от ее конца. При этом сопротивление участка; край электрода 3 внутри отверстия - конец трубки 1 достаточно для эффективного сглаживания пульсаций.

Расположение электродов 6 и 7 относительно друг друга выбирается в зави симости от кондуктивной постоянной первой чувствительной зоны (между электродами 4 и 5), т. е. сопротивление Жидкости между электродами 6 и 7 должно быть приблизительно равно 40 сопротивлению жидкости между электродами 4 и 5. При этом напряжение между электродами б и 7 пропорционально только среднему значению УЭП исследуемой среды и не зависит от наличия 45 локальных неоднородностей при работе в турбулентных потоках.

Стабильность поверхностных условий на измерительных электродах в предполагаемом датчике достигается, с одной стороны, за счет оптимального выбора гидродинамической обстановки вблизи электродов и с другой - за 'счет подключения пар электродов.4, 5 и 6, 7 к измерительным усилителям 10, 11 (соответственно) с высокими ” входными сопротивлениями (см. фиг.2) Амплитуды - модулированные сигналы, пропорциональные мгновенному и ос-, редненному значениям УЭП, поступают на входы компаратора 12, работающего 60 в режиме дифференциального усилителя и усиливающего только разностный сигнал.

Датчик обеспечивает дифференциальное включение пар измерительных 65 электродов 4, 5 и 6, 7, и, следовательно, повышение точности и чувствительности измерения за счет самокомпенсации в компараторе 12 среднего значения УЭП и паразитных сигналов, вызванных различными дестабилизирующими факторами (загрязнения, помехи, поляризация электродов и т.п.).Одновременно с этим за счет разнесения чувствительных зон при соответствующей гидродинамической обстановке в них. резко улучшается соотношение сигналов, соответствующих средним и пульсационным значениям УЭП. В результате дифференциального включения пар электродов 4, 5 и 6, 7 на вход детектора 13 поступает напряжение пропорциональное только пульсациям УЭП, которое после детектирования и усиления низкочастотным усилителем 14 (например, с полосой пропускания 0,2-200 Гц) заводится на регистратор 15. Напряжение, пропорциональное только среднему значению УЭП и снимаемое с выхода измерительного усилителя 11 после детектора 17 поступает на регистратор 18. Требуемое соотношение сигналов на входах компаратора 12 (выбирается в зависимости от глубины модуляции сигналов) контролируют по регистратору 15 средних значений путем поочередного переключения выходов измерительных усилителей 10 и 11 ключом 16 на канал средних значений. Вместе с этим при подключении канала среднего значения к выходу усилителя 10 и достаточном быстродействии регистратора 15 можно измерить пульсации с большими амплитудами. Следовательно, реализация в датчике двух чувствительных зон и дифференцйальное включение пар измерительных электродов позволяет обеспечить возможность одновременного измерения и средних и пульсационных значений УЭП в турбулентном потоке. · Таким образом, данный контактный датчик удельной электрической проводимости позволяет решить задачу одновременного измерения в локальном объеме стока средних и пульсационных значений УЭП в широком амплитудночастотном диапазоне, повысить точность и чувствительность измерений (приблизительно в 2-3 раза в сравнении с датчиками назначения).

Claims (2)

1.Патент США № 3549989, кл. G 01 N 27/42, 1970.

2.Патент ФРГ № 2617007,

кл. G 01 N 27/07, 1977 (прототип).

Фиг.1

Фиг. г