Устройство для измерения электропроводности жидких сред

.3 1.Б( ГОСУДРСТБЕН-ЫЙ КО 1 ИТЕТПО 11 ЗОБРЕТЕНИЯМ и О 1(РЕ 1 ТИЯУПРИ ГКНТ СССР цЯО 1- /, 11,1-, -1 л; 21 4893589/2"22 25,12,9046 15,09,92, Б 1 ол. . 34,71 Сибирский метэллургическ.й инст 1;тт им, Серго Ордконикидэе72) В,4. Веревкин, В.А. Быстров, В.;е Бе лев и П,И, Воронцовг 56) Авторе;(Ое свидетел ство СССР 1 ь 1684724, кл, 3 01 1 27/О/. С С". ,Р 27 22, 1989.54 УС ГРИСТВС .плй 1,43,.БР=,-11 л . у,Р,/В 111 - И,И "11:" С 1:/5 Использовэ.-и 8; в.1 змео,1 т.:ль:1 Ой тдохн;,- ке, в чэстности для Оэствгоов и оэ,"пгэвав ИзооретЗнлд Относится к иэмеритдль" ной тяхнике., в .1 эстности к ,сгройствэм ДЛЯ ИЗМВРЯНИЯ УДЯЛЬ Ой ЭПЕКТРОПРОВОДНОСТИ Х(ИДКИХ ОЭСТВОООРи ОЭСПЛЭ ВОЯ. В ТОМ ЧИСЛ 8 В ИХ ПОКЭЛЬ.1 ЫХ ООЬЕМЭХ. В УСЛО Р и я х де й с т в ян 81. н и х (т 81 О о н л и х) и с т о ч" НИКОВ ТОКЭ.ИзвесЯн ко 1 Тэктныи цэтчик вля лзме- РЯН 1 лЯ УЛЕЛ НОЙ ЭЛЯКТ 1 ЗОГ 1 ОВОДНПСл КОТО рый содержит диэлектрическу 1 О проточную трбк/ с рэсположенными Вгутри кольц 8 ВЫ- ми электродэмл, токовый эл ктроц в середин 8 тоубки, двэ зэ 38 мленных токовьх электрода вблизи открытых концов трубки, пО двэ лзм 8 ритеГьных электродэ с кэж- ДОЙ СТОРОНЫ ЦЯНТОЭЛ ЬН О ГО ТОКОВОГО электрода, При погрженли этого дэтчи;(э В ИССЛЯДУЯМУ 1 О ЖИДКУЮ СРЯДУ И ПООПУСКЭ- нии контролируемого постоянного по Величине токэ ч 8 р 83 токовые зл 8 ктроды ьэ Обдич ПЭрЭХ,лплерИал НЬ 1 Х ЭЛЯК РОДОВ возникает рэзность потенциалов., которая Обоэ но Г 1 оопорЦионэпьнэ уДельнои злектропроводности средьь Сущность изобретения: в устройство введены внтрени: иточн 11 к токе 8 и выключэГТЕЛЬ 6, В.-1 утОЕННле ЗЛОКТООДЫ 2 И 3 соединены через регистрэтор напряжения 6, Расположенные посерддине трубки ", нэружньй 4 и Внутоенни 1 3 электоодь с 08 динены чарез послядовэтяльно включенные выкл Очэтег 1 ь 6, эмпЯр 1 етр 7, внутренний источник токэ 8 и пеосменный рез 1 стор 9, Это позвогяет измерять уддльно электро- ПРОВОДНОСТЬ ЖИЭК 1 Х СПЯП,КЭК ПОИ НЭЛИЧИИ, ЭК И Отс/ТСТ;,ИИ СТОООНЕ 11;Х ИСТО л 111 КОВ ТОКЭ,тэбл 1 ип,Нядостэтко 1 и устройствэ является невоз 11 ОЖ 11 ость 1;эгеояния негьной -ляктропроводности жид(ой соедь Вслов 1 ях ОднОвременного прете:эни по 1 яй токе От СТОРОННЕГО ИСТОЧНИКЭ.4 звестен контэктный дятчик для измерения удельной электрлческой проводимости вод окяэнэ, выполнен 1 ь 1 Й В Вице обрьвного зондэ обтекэемой формь са сквозным Отверстием вдогь оси симметрии, Внутри отверстия ээподлицо с диэлектрической поверхностью стенк,1 размещены -ри КОЛЬЦЕВЫХ ЗЛЕКтРОДЭ КРЭЙНле ЭЭКОРОЧЕНЫ между собой), ПринЦИП действия дэтчикэ основэн нэ измерении сопротивлечия жидкос-, и мяжц коэйн 1111 И и центоэльным элдктродом, которое зависит от текув 1 о ЗНЭЧ 8 НИЯ УДЯЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПООВОДНОС ГИ СОЯЛЫ,устрОЙство сп 8 циэгизирОВэнное и Во время иэмепения не ДОГРдкэется протекэние тока через исспедуемую жидкуо среду от стороннего источника тока. Зто исключэет возможность измерения удельной злект" .; , т,р проводности жидкой среды в действующем агрегате с непрерывным про;акакием через жидкую соеду рабо:ого тока, :-.ример, в электролизной ваНе,Прл измерении в условиях действия стороннего источника часть т.ка От Этого источника идет по участку жидкой среды между крайними электродами, а О нознвя часть - по закоротке крайних электродов. Ток по закоротке может достлгать Весьма бОЛЬШИХ ЗНаЧЕНИй, ЧтО СоэдаЕт ЗЯаяи 8 ЛЬ- ную поляризацию крайних электродов,опротивления электричесх: х цепейв .О здм 8 РУ тока В жиДкОЙ сРБ/:,8 От РьУтР 88 ГО источника возрастают, сьГ тока уменчается. При том же напряжении на электро. дах, создаваемом внутренним источнико. изменение сипы тока привоцит к сшибк определения сопротивления, а значит и удельной электропроводности жид;(ОЙ среды. Принципиально изм 8 р 8.Ле Возмокно было бы лишь при установке датчика строго перпендикулярно эквитоковым линиям стороннего источника. Однако., устройство не снабжено средством для измерения положения (угла наклона) датчика Относительно экВитоковых линий стооокнего источи л а ОТСуТСТВуЮТ Средства дпя ЛЗ 1 Эг.Ьни сирования положенля датчика з исс,;. - ; - мой жидкой среде,Наиболее близким по технической суцности к предлагаемому явгяется усройс Во ДЛЯ Измеренля /Дельной элеКТООГ:роводности, содерл(ащее дЗгектричесую трубку с дискообразными токовыми и кольце,.;ыми измерительными электрсдами, из которых два токовых и один из измерительн: тродов расположень внутри трубкк, .; цва других - снаруки; соответственно на;:; в:.;,-; - ренним измерлтельным и ближа лм к 8- му токовым электродом,Оковые эг 8 кт,)Одь разделены изоляцлонной прокладксл и соедиены :ежду собой через посл -;довательно включенные амперметр и переменный резистор. Наружные электроды соединены Ч 8 Р 83 ПВРВЫЛ Р 8 ГИСТРВТОР НВПРЯ Кек 1 Я, а Внутр 8 нний измеоительный и блыкайший к нему токовый электроды - через Втсрсй р:;. - гистратор напряжения, Устройство позволяет не только производить лзмереня В жидкой соеде в условиях воздейс-Вия на нее сторонних источников потока,О и использовать эти источники в процессе измеренля, При измерении изменяют положение датчика, фиксируют уровень сигнала по первому регистратору, Добивэ:,Отся такого положения датчика, п ри котором уровен ь сигнала становится максимал ьн ь:. В найденном полокении датчика изменением сопротивления переменного резистора добиваются совпадения показаний регистраторов напрякения. С помоцью амперметра измеряется ток. По току и напря(енио на исследуемом участке жидкой с . ды и его лзвестным геометрическим размерам находится удельная электропрсводность жид:ой среды.Я-пегненле датчика на основе непроТОННОЙ тмбки с массивной изолЯЦИОНИОЙпрпклад,(ОЙ посеоедине имеет ояд недотсл Г И всь ц 1 . Вя 1 аС О-атчи(а поивсдит к чвел:8,ному Охлажден,К ЭбьоМИзг,;ерЯЕ;О,ЖИ П(О СПЕ ЯЫ И возрастанигс времени измерения, необходимор,. дя прогрева датИка и снижения его Влян. я на результаты измерения, Если Оаооая темпераРра изм 8 ря 8 мой жидкоЙ ср 8 ды не намьОГО Выше 88 температуры плавяГния, та Ггп границе дискообразных электсодов В;сь; а вероятно образоганиенас"ьл-.,:. гаг:.Исака из з-крсталлизовавшейся измеря, ой сред Б подавляющем большин тве сгучаев свойства жидкой сое,цы и образовавшегося из нее твердого вецества существенно рознятся, Например.твердые сварочные флюсы АН, АН-В, АН- А и д" являются практически неэлектОэпоовсдны ,;, При этом достоверностьН:Х ОЦ, Н: К ЯЦЕЛЬОй ЭЛЕКТРО 1 РОВопно, ТИ ИЗ;сЕО 8,ОЙ Х(ИВКОЙ СРВДЫ МОКетГ,Щ ;1О, Н ; 1,- ь ЯПри повторном использовании Датч;анегОоточнс Й Груб;(ОЙ мокэт;гслОкнитьсяПСОцеСС ГОпГСГГОВКИ его К рабо,е, Т,К, ПССЛ 8а-; ; 1,1, лдания Да "вакф ".а ЧеЯВГекия хе О-Орб Ии В "глах пересе ения стенок",у,-кицискообсВзньх .-,Лектр;, лов ДьМОИ жЛД;ОИ Г ОВДЫ ВЫЬ 8 КОМа Г О ТеЛпе;.затурь, ТО и ри Охл ажекли лати(а зтиКО,ь Зобразн-,8 Обазсвания Га8 5 о ( ,(ристаллизо , - ОяПри ОГожеьи цаЬи : ; -. кг (1 н.лр:Вм,О Оедг ч повеохн,.с:, д КО,ар=.; -1 .ых эектроцг;Огут возн,Кзт Воздг Нные;.,"Й .у,рч ;.исъ 11 ЙС 88, 3 ТО можетаЗЫ;-;ат,Сс На теМПЕРВ(.-,ОТВ; ИЗ дОЯЕМГ 1 СОР 11Г,.ном Об" ему о" ОенО и и значительОм 1 Э111,-, Нил)8,-С ОДПой СТОРСНЬ, ДО. ОИ Сп ВО;, СТРО -ства является возможность вьГОлнения и"еод.,:,р;д ;-,Лкт;(р;ь г.кг,сти : ГООИЯ 1 пе 1 тли "7 ОР(н.Их ГГ ОЧ; И 3(Оиугу, с - ,опь я"топи ВОуэтих источников. Если па производственной необходимости нужно г,роизвести 3;мер удельной электропрс водности жидкойсреды в промежутках между работой агрегата, когда сторонние лсточники тока Отключены, то его выполнение известнымустройством оказывается невозможным,так как питание его измерительных цеггейосуществляется ат тех же стороних источников тока. 10Целью изобретения является обеспечение работы в условиях отсутствия сторонних источников тока,Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащеедиэлектрическую трубку с тремя кольцевыми электродами, оцин из которых располагается снаружи, а два - внутри заподлицо споверхностью стенки трубкл, регистратор 20напрякения, амперметр, переменный резистор, дополнительно содеркит внутреннийисточник тока и выключатель, при этом нарукный электрод и один из Внутреннихэлектродов расположены поссрединс трубки, внутренние электроды соединены черезрегистратор напряжения, расположенныепосередине трубки, наружный и внутреннийэлектроды соединены через последовательно включенные выключатель, амперметр, 30источник тока и переменный резистор.Удельная электропроводность определяется по формуле:ц= 1 -- ,см мО+О 35где М = -- константа датчика, м-1,2 Я1 я - сила дополнительного тока от внутреннего источника тока, А;О - суммарное падение напаяжения 40между внутренними электродами, созданное токами от сторонних и Внутреннего источников тока, В;Оо - падение напряжения между внутренними электродами, созданное током от 45сторонних источников тока. В,Знак "+" в формуле ставится для случаевООо, а "-" - для ООо,Усройство позволяет розводт измерение удельной электропаоводности 50жидкой среды как прл наличии, так и приотсутствии сторонних источников тока,Дополнительный ток 1 л от внутреннегоисточника тока протекает по жидкой средеот одного к другому электроду датчика, расположенным по поперечной оси симметриитрубки, например, от наружного к внутреннему. Ток от внутреннего источника, подходя к наружному электроду, разветвляется надве равные части, Половина тока идет по жидкой среде вдаль наружной стенки трубки, обтекает один из ее концов, заходит внутрь трубки и, двигаясь по внутреннему ,-.ватку жидкой среды В датчике, достигает Внутреннего электрода, расположенного по поперечной оси сим"етрил трубки. Другая половина тока, двигаясь Вдоль наружной стенки трубки. ,обтекает другой ее конец, заходит внутрь трубки и, двигаясь по внутреннему участку жидкой средц в датчике, также достигает электрода, аасполаженнога ПО ОСИ С 1 МЛ 1 ЕтРИИ тРУОКИ,Деление тока ст внугреннего лсточника на две равные части, протекающие, соответственно, через первый и второй концы трубки, а также стаб льность тока, связаны со следующими обстоятельствами, Если в обьемс жидкой среды, расположенной вблизи трубки датчика, удельная электропровод- ность и плотность тока от сторонних источников тока являются достаточно постоянными, то падение напряжения на участках жидкой среды равной длины, но различных площадей поперечнога сечения, будут одинаковыми, Поэтому, несмотря на то, что токи от сторонних источников тока Внутри л снаружи трубки датчика значительно отличаются друг от друга, падения напряжения от них в указанных условиях совпадают, В результате в обоих замкнутых контуоах протекания тока от внутреннего источника тока будут добавляться пары разнь,х и противоположно направленных падений напряжения от сторонних источников тока, Причем положение трубки датчика в жидкой среде относительно источников тока на равенства и противоположность направленности дополнительных падений напряжения влияния не оказывает. В самой трубке половина дополнительного тока протекает по одной половине участка жидкой среды, заключенной в трубке, а другая половина дополнительного тока - встречно по отношению к первой по другой половине участка жидкой средц.Падения напряжения, создаваемые данными токами на всем участке жидкой среды, заключенном в датчике, равны и противоположно направлены, Б результате в сумме они не оказывают воздействия на так отсторонних источников тока.Половина дополнительного тока, про-. - кая по участку жидкой среды в половине трубки, создает на участке среды, закл юченном между внутренними электродами падение напряжения:где Яр - электрическое сопротивление жидкои среды в трубке датчика на участке электр" ческой цепи, расположенномежду в, тренними электродами.Ток от сторонних источников создает на том ке участке жидкой среды паденлз напряжения: Оо -1 Вр,где- сила тока от сторонних источниковтока.Общее падение напряжения на участкежидкой среды, располоьг нном в датчикемежду внутренними электродами,О = Оо+ Оц = Оо + - 9 - Кр 3 нак "+" соответствует случаю, когда ОО ,а "-" - когда ОО, Откуда 15 Це де Я - площадь поперечного сечения труб,и;1 - расстояние между электродами.Из формулы (5) получается формула (1),Если измерение проводится при отсутствии сторонних источников тока, тов формуле(3) равно нулю, а, значит, и величина О 0 в формулах (5) и (1) тоже равна нулю. Это частный случай при использовании устройстьа. В более общем случае присутствуют и1токи ток - 9-, а, значит, величины Оо и О2 в формулах (5) и (1). В формуле (4) и ве, формулах (5) и (олученных на ее оснознак "-" соответствует нию токови - - по2 согласному напра исследуемому участку жидкой среды в датчике, расположенному между внутренними электродами, Знак "+" соответствует случаю, когда токнаправлен встречно току Величина тока 1 будет зависеть не только от самих сторонних источников, но и от угла поворота продольной оси симметрии трубки датчика относительно эквитоковых линий, Максимально возможное значение 1 при данных источниках тока и прочих равных условиях достигается при совпадении продольной оси симметрии датчика с направлением эквитоковых линий. Точность измерения электропроводности жидкой среды будет зависеть от точности измерения регистратором напряжения величин О иО 0, а также силы тока 1 амперметром игеометрических размеров 1 и 3 датчика. Ве 5 личина О определяется при разомкнутомвыключателе 3 устройства, когда по участкужидкой среды в трубке между внутреннимиэлектродами протекает лишь ток 1 от сторон 10 них источников тока, а ток - ф- отключен.2Напряжение О замеряется при включенномвыключателе Я, когда по тому ке участкупротекает и ток 1 и ток215 Внутренние электроды датчика служатдля снятия падения напряжения с участкажидкой среды, расположенной в трубкемежду ними. Кроме того, внутренний электрод, расположенный посередине трубки,2 О участвует в передаче тока р х;едкой среде,Наружный электрод служит также для передачи тока 1 жидкой среде. Регистратор напряжения служит для замера напряженийО 0 и О, Амперметр служит для замера тока25 1, Выключагель 3 предназначен для обеспечения работы устройства в двух режимах:при отключенном Я - в режиме замера Оо ипри включенном- в режиме замера О и и.Источник тока позволяет создать ток 1 вЗО исследуемом объеме жидкой среды, Переменнцй резистор В предназначен для ограничения величины тока 1 устройства врежиме замера О и 1,Устройство позволяет производить из 35 мерение удельной электропроводностижидкой среды как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. При измерении на исследуемом участке жидкойсреды фиксируется падение напряжения4 О от тока, создаваемого сторонними источниками тока, а также от суммы токов, создаваемых сторонними и внутреннимиисточниками тока. Замеряется сила тока отвнутреннего источника. По результатам за 45 меров и известным геометрическим размерам исследуемого участка средыопределяется ее удельная электропроводность,Таким образом, сравнение заявляемого5 О решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные злементц широко известны. Однако ихвведение в указанной связи с другими элементами устройства, а также новое взаим 55 ное расположение деталей привалит кпроявлению ими новых вышеуказанныхсвойств, позволяющих расширить функциональные возможности устройства. Это даетвозможность сделать вывод о соответствиипредложенного технического решения критерию изобретения "существенные отличия",На чертеже представлена функциональная схема устоойства для измерения удельной электропроводности жидких сред.Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из трубки 1, выполненной из изоляционного материала, двух внутренних 2 и 3 и одного наружного 4 кольцевых электродов, а также регистратор напряжения 5, выключатель 6 (например, тумблер), амперметр 7, внутренний источник тока 8, переменный резистор 9.Внутренние электроды 2,3 располагаются заподлицо с внутренней поверхностью стенки трубки 1, Наружный электрод 4 может устанавливаться как на поверхности, так и заподлицо с наружной поверхностью трубки 1. Наружный 4 и один из внутренних электродов 3 располагаются посередине трубки 1. Внутренние электроды 2,3 соедииены через регистратор напряжения 5. Расположенные посередине трубки наружный 4 и внутренний 3 электроды соединены через последовательно включенные выключатель 6, амперметр 7, внутренний источник тока 8 и переменный резистор 9,Диэлектрическая трубка датчика выполняется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При значительной температуре среды материал трубки должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной способностью, либо жаростойкостью,Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка выполняется из эбонита, полихлорвинила, фторопласта. При высоких агрессивности и температуре - из спеченного алунда.Кольцеобразные электроды выполняются из материала с высокой электропроводностыю и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой жидкой среды материал электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозион ной стойкостью, либо жаростойкостью,Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12 Х 18 Н 9 Т, при высокой агрессивности и температуре среды - из платины, карбида кремния;Внутренний источник постоянного тока (например, гальванический элемент) обес печивает максимальное значение дополнительного тока 1 ащах =(0,05-0,1) А в условиях максимально возможного сопротивления жидкой среды между расположенными по середине трубки датчика, внутренним 3 ина ружн ым 4 зле кт рода ми.Переменный резистор рассчитан намаксимально допустимый дополнительный ток 1 дпах =(0,05 - 0,1) А при условии макси мально возможного сопротивления жидкойсреды между электродами 3 и 4. Номинальное сопротивление резистора В определяется по формуле: 15в -- Д ----Е Е1 цщах 0,05 - 0,1= (10 - 20) Е, Ом,(6) где Ея - ЭДС внутреннего источника тока,В.Увеличение дополнительного токасверх(0,05 - 0,1) А ведет к активизаций поляризационных процессов на электродах 3 и 4и поникению точности измерения 1 см,"Ю,Я.Иоссель. Электрические поля постоянных токов. Л.: Энергоатомиздат, 1986", -стр.59, 81).Для помещения датчика в исследуемую30 средуустройство снабжено штангой, например. в виде полого стержня (не показан),закрепленной любым известным способомк середине трубки датчика, При необходимости стержень выполняется из жаростой 35 кого и жаропрочного материалов, внутринего прокладывают соединительные провода.Устройство работает следующим образом,40 Выключатель 6 находится в отключенном состоянии. Движок переменного резистора устанавливают в положение,соответствующее максимальному значениюего сопротивления,45 Погружают датчик в исследуемую кидкую среду, по которой может протекать рабочий ток от сторонних источников тока(например, в электролитическую ванну).Производят отсчет величины 00 по показа 50 ниям регистратора напряжения 5,Включают выключатель 6. По поканию амперметра 7, изменением сопротивления переменного резистора 9,добиваются значений тока 1 ц(0,05 - 0,1) А,55 Причем минимальное значение тока 1 я должно обеспечивать устойчивый характер измерения самого тока 1 ц амперметром 7, атакже величины напряжения О по показаниям регистратора напряжения 5.Производят отсчет показаний амперме; ра и регистратора напряжения 5, Выкл:.;чатель 6 отключают. Датчик извлекают иэ жидкой среды. Удельную элект;.опроводность жидкой среды находят по формуле (1),Во время измерения датчик в исследуемой жидкой среде должен оставаться неподвижным, т,к, измерение должно выполняться при одном и том же значении тока сторонних источников.При повороте датчика в жидкой среде на 180, значение токов 1 и 4 не меняется. Однако направление токг, в самой трубке датчика станет противоположным, Зто требует смены знака в формуле 1).Если по участку жидкой среды в трубке, расположенному между внутренними элек 1тродами, токии 29- протекают встречно, то рекомендуется устанавливать такое значение токац, которое не допускало бы смену полярности напряжения на регистраторе напряжения 5. В противном случае рекомендуется использовать регистратор напряжения с нулевой средней точкой или со -.,меной полярности,К достоинствам конструкции устройства относится почти полное отсутствие взаимовлияния токов от сторонних и внутреннего источников тока, Зто обеспечивает достаточно высокую точность измерения,М ет рологические ха рактеристики устройства получены при измерении раствора КСпри 20 С нормальной концентрации 0,1 Н. Результаты измерений приведены в таблице.Предлагаемое устройство по сравне нию с прототипом позволяет расширитьфункциональные возможности устройства - осуществлять измерение удельной электропроводности жидких сред как при наличии, так и отсутствии сторонних 10 источников тока.Формула изобретенияУстройство для измерения электроп ро водности жидких сред, содержащее диэлектоическую трубку с тремя кольцевыми электродами, причем иэ них два токовых электрода расположены заподлицо с внутренней. поверхностью диэлектрической 20 трубки, а измерительный электрод - снаружи диэлектрической труб".:- - зд одним из токовых электродов, рег стратор напряжения, регистратор тока, переменный резистор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 25 обеспечения работы при отсутствии сторонних источников тока, в него введены источник тока и выключатель, причем токовый электрод и размещенный над ним снаружи диэлектрической трубки измерительный 30 электрод размещены на поперечной оситрубки и соединены через последовательно соединенные выключатель, регистратор тока, источник тока и переменный резистор, а токовые электроды соединены через регист ратор напряжения,l Составитель В,ВеревкинТехред М,Моргентал Государственного комитета по изобретениям ". открытиям при ГгБ " .СС 113035, Москва, Ж, Раушскал наб 4/ь