Потенциометрический уровнемер-кондуктометр

(5)5 6 01 Р 23/24 ИЗО НИЯ ПИСА К АВТО(56) Измер и 47, рис. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР МУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исследовательскийи проектно-конструкторский институт охраны. окружающей природной среды в угольной промышленности(57) Изобретение относится к приборостроению и позволяет совместить измерение уровня жидкости с измерением ее удельного сопротивления. Стабилизатор 6 переменного тока подключен к нижнему концу высокоомного электрода 1 и к низкоомному электроду 2. С прибора 7 снимается напряжение, пропорциональное уровню жидкости и не зависящее от ее электропроводности, Для расширения функциональных возможностей введен второй измеритель 8 напряжения, включенный между низкоомными электродами 2 и 3. Произведение напряжений, измеряемых приборами 7 и 8, пропорционально удельному сопротивлению жидкости. 2 ил.Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при измерении уровня и удельного сопротивленияэлектропроводных жидкостей, в том числе. жидкостей, содержащих взвешенные частицыЦель изобретения - расширение функциональных возможностей ура внемеравкондуктометра путем обеспеченияодновременного измерения уровня иудельного сопротивления жидкости,На фиг.1 схематически изображен уровнемер-кондуктометр; на фиг.2 - то же, силлюстрацией вывода основных соотношений физических величин,Устройство содержит первый 1, второй2 и третий 3 электроды, частично погруженные в электропроводную жидкость 4, находящуюся в каком-либо резервуаре сгоризонтальным диэлектрическим дном 5.Между электродом 2 и нижним. концом электрода 1 включен стабилизатор 6 переменного тока, а между верхним и нижним концамиэлектрода 1 - измеритель 7 напряжения свысоким входным сопротивлением, Междувторыми третьим электродами включен второй измеритель 8 напряжения, которыйпредставлен совокупностью дифференциального усилителя 9 и вторичного прибора10. Общая точка двуполярного источникапитания (не показан) дифференциальногоусилителя 9,обозначенная символом ., соединена с нижним концом электрода 1, Выполнение измерителя 8 напряжения можетбыть иным. Электроды соединяются с внешними приборами посредством проводов11-16.Электрод 1 должен быть достаточнотонким и может представлять собой натянутую струну из металла с высоким удельнымсопротивлением, малым температурным коэффициентом и коэффициентом линейногоРасширения, например из нихрома, мвнганина или константана,Электроды 2 и 3 могут быть выполненыиз материала, подходящего для кондуктометрических измерений, например из нержавеющей стали, Сечение электродов 2 и3 может быть значительно больше, чем уэлектрода 1. При этом электрод 3 можнорасположить самым различным образом поотношению к остальным электродам, Провода 12, 13 и 17 могут проходить в измеряемой жидкости, однако в этом случае онидолжны быть герметично изолированы,Провода 14 - 16 могут подсоединяться к любой точке соответствующих электродов,Уровнемер-кондуктометр работает следующим образом. Через жидкость 4 между электродами 2и 1 протекает ток стабилизатора 6 тока.Часть линий тока в жидкости проходит также и через электрод 3, Ток о втекает в элек трод 1 через его боковую поверхность ипроходит по погруженному в жидкость участку электрода 1, практически не ответвляясь в цепь измерителя 7 напряжения,Вследствие относительно высокой элек тропроводности электродов 2 и 3 их поверхности являн 5 тся эквипотенциальными, а в электроде 1 преобладает вертикальная составляющая вектора плотности тока. Можно считать, что она распределяется равномер но по любому поперечному сечению электрода 1, если частота переменного тока невелика, но величина этой составляющей изменяется вдоль погруженной части электрода, Емкостью между электродами и ин дуктивностью датчика в первомприближении можно пренебречь.Выделяют бесконечно малый участок бхэлектрода 1 между точками а и. Ь (фиг.2).Пусть(х) - ток через верхнее сечение эле мента бх, тогда ток(х+дх), текущий черезнижнее сечение элемента сх, имеет вид(х+СХ) =1(Х+ - 1- бх,бгх30Через боковую поверхность участка гх про- ХОДИТ ТОК С бок, Ра ВН Ыйгбок = дОгх (2)где д - погонная межэлектродная электро проводность;О - напряжение между элементами бхэлектрода 1 и электродом 2.По первому закону Кирхгофа(Х) - 1(Х+СЗх) + Сбок = О, (3) 40 где знаки "+" и "-" взяты с учетом условныхположительных направлений, изображенных на фиг,2, причем участок электрода 1 длиной сх рассматривается как узел.45 Подставив в (3) выражения (1) и (2), получают-- дО =О.Ссх(4)С другой стороны, в замкнутом контуре 50 а - Ь - с- г между точками а и с существуетнапряжение О(х), а напряжение О(х+сХ) между точками Ь и с равноОО (х + Ох) = О (Х) + О д -. (5)Напряжение бОэ между торцами элемента Ох электрода 1 равноООэ = гбх, (6)1597580 где г - погонное сопротивление электрода 1.ф Напряжение между точками с и б равнонулю, поскольку поверхность электрода 2,как отмечено, является эквипотенциальной, 5По второму закону Кирхгофа для контура а - , Ь - с - б с учетом условных положительных направлений можно написатьсОэ - О(х+бх) + О(х) = О.Подставив сюда соотношения (5) и (6), 10получают или ВПах)й(аь)-- г =О,бОбх(8) 25 Общим решением этого уравнения является выражение= д 1 е"+ Аге", (9) 30 где а = Чгд, а постоянные А 1 и Аг определяются из граничных условий на концах погруженной в жидкость части электрода 1. Через нижнее основание электрода течет ток о стабилизатора 6, а ток через сечение электрода на высоте уровня жидкости равен нулю.Поэтому при х = Ь= о, (10)априх=О =О,где Ь - значение уровня жидкости.Подставив (10) в (9), получаютАг -А 1А( аЬ -аЬ) г 9 Ь1,(14) т.е,45где о - максимально возможное измеряемое значение уровня, равное длине электрода 1.Соотношение(14) можно записать в ви6 д1 А 1 -оаЬ - аЬе - е АгоаЬ - аЬе - е или Подставив значения А 1 и Аг в (9), получают соотношение, выражающее зависимость .тока, текущего через то или иное сечение электрода 1, от координаты х:55=оаЬ - аЬе - е Дифференциальные уравнения (4) и (7) представляют собой систему, для решения которой продифференцируют уравнение (4) по бх и подставляют в него значение бО бх из уравнения (7). Тогда получаютПадение напряжения Оь на электроде 1 получаются путем интегрирования соотношения (6) по всей погруженной в жидкость части электрода ЬО) =гбх.оПодставив вместоправую часть выражения (11), получают Это и есть выходной сигнал уровнемера,фиксируемый измерителем 7 напряжения.Выражение (12) является монотонновозрастающей функцией Ь 1, причем минимальное значение сигнала стремится к нулюпри Ь -0. Однако зависимость выходногосигнала от Ь не является линейной, выходной сигнал зависит также от электропроводя щих свойств жидкости. Путемразложения (12) в ряды Маклорена по степеням а), можно показать, что при аЬ1О = - гоЬ,12(13)т.е. сигнал пропорционален Ь и не зависитот электропроводяаих свойств жидкости.Так как а = ЧГ 9, условие линейностиимеет вид и тем более выполняется, если Чг 9 1, 1, Ж ,г (15) где Й 1 г - межэлектродное сопротивление датчика при максимальном уровне жидкости;Йэ - сопротивление электрода 1 между его концами .Напряжение между электродами 2 и 3зависит как от высоты, так и от удельногосопротивления жидкости и имеет вид023=АРжо(16) где О 2,з - напряжение между электродами 2 и 3, фиксируемое прибором 10;рж - удельное сопротивление жидкости;А - безразмерная константа, зависящая от взаимного расположения всех трех электродов и определяемая экспериментально.Для получения информации об удельном сопротивлении жидкости рж перемножают измерение величины Оь и О 2,з. Тогда, как следует из формул (13) и (16), результат умножения оказывается пропорционал ьным рж, Можно воспользоваться также паремнсжающим устройством, подав на его входы сигналы Оь и Ог,з, В стационарном состоянии жидкости имеет место эффект ее нагревания током 4, однако он незначителен в случае проточного резервуара.Малая величина сигнала Оь, снимаемого с низкоомного электрода 1, не представляет существенных трудностей при измерениях, поскольку наводки от сторонних источников ЗДС "подсаживаются" на относительно низком сопротивлении электрода 1. Влияние осевших на дно частиц на результат измерения сравнительно невелико.Оно убывает с повышением уровня, так как в формировании сигналов Оь и О 2,з участву ют все слои жидкости. Формула изобретения Потенциометрический уровнемер-кондуктометр, содержащий два вертикально 10 расположенных протяженных металлических электрода с цилиндрической боковой поверхностью, частично погруженные в контролируемую электропроводную жидкость, а также стабилизированный источник 15 питания и измеритель напряжения, каждыйиз которых подключен одним из полюсов к нижнему концу первого электрода, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет 20 обеспечения одновременного измеренияудельного сопротивления жидкости, в него введен третий электрод с цилиндрической боковой поверхностью, размещенный аналогично первым двум, и второй измеритель 25 напряжения, включенный между вторым итретьим электродами, при этом в качестве стабилизированного иоточника питания использован стабилизатор переменного тока, второй полюс которого подключен к второ му электроду, а второй полюс первого измерителя напряжения соединен с верхним концом первого электрода.1597580 Составитель А.КурочкинА.Козориз Техред М.Моргентал Корректо Реда екма каз 3042 Тираж 537 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101