Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред

(56) Авторское свидетельство СССРМт 1732248, кл. 0 01 й 27/02, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕУДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЖИДКИХ СРЕД(57) Использование: в измерительноке для измерения удельной электроности жидких растворов и расп 8 ООЗБО А 1 ц 5 6 01 И 27/07,27/42, 6 0 условиях действия внешних (сторонних) источников тока, в том числе в локальных объемах жидких растворов и расплавов с высокой удельной электропроводностью, Сущность изобретения: устройство содержит диэлектрическую трубку 1, два токовых электрода 3 и. измерительный электрод 4. Введение электропроводной вставки 2 с постоянным эталонным сопротивлением между двумя токовыми электродами, вы йолненными в виде сплошных дисков, и соединение между собой электродов через регистраторы 5, 7 напрякения позволяют повысить точность измерения высоких удельных электропроводностей, 1 табл. 1 ил.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 жидких растворов и расплавов с высокой удельной электропроводностью,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности, выполненное в виде диэлектрической трубки, в которой расположены заподлицо с внутренней поверхностью три кольцеобразных электрода, двух регистраторов напряжения, магазина сопротивления и многопозиционного переключателя, причем первый и второй регистраторы напряжений соединены соответственно между первым и вторым, вторым и третьим электродами, а магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, которые соединены последовательно, подключены к второму регистратору напряжения. Падение напряжения О на первом участке исследуемой жидкой среды фиксируется первым регистратором, а падение напряжения О 1 на общем сопротивлении йобщ двух параллельных электрических цепей - таком же втором участке исследуемой жидкой среды и установленным с помощью многопозиционного переключателя сопротивлении Я из магазина сопротивлений вторым регистратором, Так как сопротивление й точно известно, а токи на первом участке жидкой среды и общем сопротивлении йобщ одинаковы, то по известным геометрическим размерам первого и второго участков жидкой среды и фиксируемым напряжениям определяется удельная электропроводность жидкой среды.Недостатками известного устройстваявляется невозмокность измерения удель ной электропроводности среды с высокойудельной электропроводностью.Через магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель протекает силовой ток, создающий на подводящих проводах достаточно большое падение напряжения. При измерении высокой удельной электропроводности жидкой среды, например расплавов, электрическое сопротивление подводящих проводов может оказаться не только соизмеримым,.но и много выше электрического сопротивления второго участка исследуемой жидкой среды. Даже при полностью выведенном из электрической цепи магазине сопротивлений не соблюдается рекомендация 01 = 0,5-0,4)О.Величина напряжения О мало отличается от О, Точность определения удельной электропроводности исследуемой жидкой среды по формуле5 ц= К- ,См м (1)1 О 1 . -1 йц О - арезко падает. Она зависит от разности О - О в знаменателе формулы (1); Если эта разность мала, то величина ее может оказаться соизмеримой с точностью измерения на- "0 пряжений в самих регистраторах напряжения. В знаменатель формулы при этом подставится помеха, Учитывая, что длины отходящих от датчика проводов достигают нескольких метров, измерение устройством 15 высокой удельной электропроводности исследуемых сред оказывается невозможным,При измерении высокой удельной элек тропроводности в локальных Объемах жидких растворов и расплавов и малой 20 плотности тока на отходящих от датчикапроводах наводится помеха, которая в условиях малых значений полезного сигнала приводит к существенному искажению фиксируемого сигнала. Чем на меньшее значе ние уровень полезного сигнала отличаетсяот уровня помехи, тем значительнее искажение, Отсутствие экрана на отходящих проводах затрудняет процесс измерения высокой. удельной электропроводности З 0 жидкой среды.Наличие в устройстве проводов с силовым током, проходящих через жидкую среду, приводит к возникновению вокруг них значительного электромагнитного поля, Это поле взаимодействует с электромагнитными полями, создаваемыми током жидкой среды, Это приводит к смещению эквитоковых линий в трубке датчика и частичному нарушению равномерности распределения 40 плотности тока в трубке, В результате возрастает электросопротивление участка жидкой среды между внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами в трубке датчика. Измеренная величина удель ной электропроводности жидкой среды оказывается заниженной.Цель изобретения - повышение точности измерения устройством высоких удельных электропроводностей исследуемых 50 средЦель достигается тем, что устройстводля измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены 55 первый, второй и третий электроды, первыйи второй регистраторы напряжения, отличающееся тем, что первый и второй электродывыполнены в виде сплошных дисков, введена электропроводная вставка с постоянным10 ка исключаются отходящие от датчика про, вода с силовым током. При этомсопротивление участка электрической цепи между токовыми электродами известного 20 устройства снижается. Так как в известных 25 следовательно, колебание тока в трубке,В отличие от прототипа отсутствие дро-.водов с силовым током, проходящих через жидкую среду, устраняет влияние возника ющего вокруг них электромагнитного поля 40 Ввиду отсутствия силовых проводов с 45= - ,А.01(3)ВвЭлектрическое сопротивление на участке жидкой среды, расположенной между из 50 мерительным электродом и ближайшим кнему токовым электродом,р= -- ,Ом, (4)1,.ц 8где ц - удельная электропроводность жид 55 кой среды, См м 1,Откуда.о= В ,См м эталонным электросопротивлением, расположенная между первым и вторым электродами, при этом первый электрод соединен через первый регистратор напряжения с вторым электродом, который соединен через второй регистратор напряжения с третьим электродом.Удельная электропроводность определяется по формулег= К- ,См м (2),О02где К= - константадатчика, См м;-1,Вь01 - падение напряжения на электро-.проводной вставке, В;102 - падение напряжения на участкежидкой среды датчика, расположенном между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом В",- расстояние между измерительнымэлектродом и ближайшим к нему токовым электродом, м;Я - внутренняя площадьпоперечногосечения трубки, м;Ве - электрическое сопротивлениевставки, ОмУстройство позволяет.не только произ- .водить измерение в жидкой среде в условиях воздействия на нее сторонних иСточников тока, но и испольэовать эти ис,точники в процессе измерения, Оно даетвозможность измерить удельную электропроводность жидких сред не только с низкой, но и с высокой удельной электропроводностью, производить изме рение в условиях действия как сильных, так и слабых сторонних источников тока, Сопротивление вставки датчика известно и постоянно. Падение напряжения на ней пропорционально току, протекающему внутри трубки датчика как по самой вставке, так и по заключенной в трубке жидкой среде. Падение напряжения между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом обратно пропорционально удельной электропроводности средьь По известным падению напряжения, тОку и геометрическим размерам этого участка жидкой среды определяется удельная злектропроводноЕть среды.Для предотвращения значительных колебаний величины сопротивления оттемпературы резистор выполнен из материала с сопротивлением, мало зависящим от темпе ратуры. Это необходимо ввиду того, что температура резистора может, несколько меняться, так как он помещается внутрь, датчика. Датчик погружается в исследуемую ,среду, теМпература которой, во-первых, не фиксируется, во-вторых, может меняться Подстановка в формулу (2) величины электросопротивления вставки В не должна вносить значительных дополнительных погрешностей в величину оценки удельной электропроводности жидкой среды. Величина должна оставаться достаточно постоянной в условиях колебания температуры вставки. Поэтому вставка выполняется из материала с сопротивлением, мало зависящим от температуры.Резистор в отличие от прототипа помещается внутрь трубки датчика и выполняется в виде электропроводной вставки. За счет перемещения резистора внутрь датчипределах изменение температуры вставки не оказывает существенного влияния на ее -сопротивление, то, таким образом, одновременно устраняется влияние температуры на сопротивление подводящих проводов и,на равномерность распределения плотности тока в трубке. Тем самым обеспечивается более высокая точность измерения удельной электроправодности жидкой среды. Для устранения наводок на провода, отходящие от датчика к регистраторам напряжения, они помещаются в заземленный экран с диэлектрической оболочкой,большим поперечным сечением конструкция предлагаемого датчика устройства более компактна.В предлагаемом устройстве сила тока находится по известным значениям 01 и ВвПо закону Ома для участка цепи, расположенного между измерительным электродом и ближайшим к нему токовым(6)Так как сила тока на электропроводнойвставке и на участке, расположенном междуизмерительным электродом и ближайшим к 10 20 30 40 50 электрическим сопротивлением, мало зависящим от температуры: в первую очередь -нему токовым электродом, одинаковые (последовательно соединенные элементы), то подставив выражение (3) в формулу 6 и далее в уравнение (5), получаем формулу.(2),Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает,что введенные элементы широко известны, Однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, а также новое взаимное расположение деталей приводит к проявлению ими новых вышеуказанных свойств, позволяющих повысить точность измерения высокихудельных электропроводностей исследуемых сред.На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред.Устройстао содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из трубки 1, выполненной из изоляционного материала, электропроводной вставки 2, выполненной из проводника 1-го рода с независимым от температуры и известным сопротивлением, токовых электродов 3, внутреннего кольцевого измерительного электрода 4, а также экранированных соединительных проводов в диэлектрической оболочке с заземлением экрана 5 и регистраторов 6 и 7 напрякения(например, многопозиционных цифровых вольтметров). Диэлектрическая трубка датчика выполняется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой. жидкой среды. При : высокой температуре среды материал труб-.ки должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью либо жаростойкостью, Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, при высокой агрессивности и температуре - из фарфора, керамики, кварца, спеченного алунда. Электропроводная вставка выполняется из проводника 1-го рода с,известным это манганин при температуре жидких сред до 250 - 300 С, для более высоких температур жидких сред (до 450-500 С) - константан и фехраль. Не рекомендуется использовать константан в контакте с медными сое.динительными проводами из-за высокого уровня в контакте термоЭДС, Температурный коэффициент сопротивления при 20 С составляет для манганина (3-6)х 10, для константана 5 х 10, фехраля 5 х 10 град . Для низкой температуры и агрессивности жидкой среды рекомендуется использовать материал эталонных электросопротивлений - манганин. Для высокотемпературных и агрессивных сред - фехраль.Вставка может выполняться сплошной,в виде втулки, стержня или представлять 5 собой стандартный постоянный резистор. Впоследнем случае существенно расширяется диапазон возможных значений сопротивлений вставкиКольцеобразный электрод выполняетсяиз однородного материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал должен обладать жароп рочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной Стойкостью либо жаропрочностью. Например, может использоваться сталь 12 Х 18 Н 9 Т.Концы электропроводной вставки 2 сое-динены с токовыми электродами 3, которые, в свою очередь, соединены через регистратор 6 напряжения, а измерительный электрод 4 и ближайший к немутоковый электродЗ - через регистратор 7 напряжения.5 .Для помещения датчика в исследуемую.среду устройство снабжено штангой(например, в виде полого стержня - на чертеже не показано), закрепленной любым известным способом к середине трубки датчика, При необходимости стержень выполняется из жаростойкого либо жаропрочного неэлектропроводного материала, Внутри него про; .кладываются соединительные провода.Устройство работаетследующим образом. б Датчик погружают в исследуемый локальный обьем жидкой среды, по которому протекает рабочий ток (например, в электролит гальванической ванны). Регистрируются показания регистраторов 6 и 7 напряжения, соответственно 01 и 02. Удельная электропроводность жидкой среды находится по формуле (2). Процесс измерения прост и занимает мало времени. Из формулы (2) следует, что при постоянной электропроводности жидкой среды ц с увеличением Вв пропорционально увеличивается отно 01, шенив - . Поэтому если априорно извест 02но, что йВ, то это приводит к1800350 Ст; Он Устройство для изне ренияЯ Отнзситель"ная оеибиа о Си с1 1Ксследуеизне- ная оперения да 1,н 0 Он Отз дейст- изневит. рит. нзнерения,д 2 28,26.10.104 10 1,044 10 нет изме- е 104 1 Сз прототип 28,26 0 17 1 О-з нет измерения н рения Составитель В.ВеревкинТехред М.Моргентал Корректор Л,Пилипенко Редактор Заказ 1160 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва; Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат,"Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина 101 неравенству Ог 02 и для повышения точности измерения удельной электропровод- ности жидкой среды требуется либо повысить чувствительность регистратора 6 напряжения, либо увеличить Вн, При измерении высокой удельной электропроводности жидких сред рекомендуется меньшее значение Йз, а при измерении низкой удельной электропроводности - большее. Целесообразно стремиться к выполнению соотношения йв = й, Определение Я, возможно методом вольтметра-амперметра, т.е. пропусканием измеряемого тока по вставке от независимого источника через подводящие провода и измерением на вставке образующегося падения напряжения. ВО находися по закону Ома для участка цепи,Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении удельной электропроводности раствора КС концентрации 0,1 Н при 20 С при пропускании через раствор тока малой плотности и ртути при 20 С. Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что при достаточно малых значениях удельной электропроводности жидкой среды точность измерения заявляемым устройством и прототипам соизмерима. Для жидкой среды с высокими значениями удельной электропроводности устройство- прототип непригодно, в то время как заявляемое устройство обеспечивает 5 достаточно высокую точность измерения.Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения высоких уровней удельной электропроводности сред в условиях дейст вия слабых сторонних источников тока. Формула изобретения Устройство для измерения удельнойэлектропроводности жидких сред, содержа щее диэлектрическую трубку, в которой расположены первый, второй и третий. электроды, первый, второй регистраторынапряжения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения вы соких удельных злектропроводностей, оноснабжено электропроводной вставкой с постоянным эталонным электросопротивлением, расположенной между первым и вторым электродами, которые выполнены в 25 виде сплошных дисков, при этом первыйэлектрод соединен через первый регистратор напряжения с вторым электродом, а он, в свою очередь, через второй регистратор напряжения - с третьим электродом.