Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред

(55 6 01 М 27 Н БРЕ 2 й институ ов, В,А,Дег 970, ЕНИЯ УДЕЛЬТИ ЖИДКИХ измерительить удельную носится к яет измер ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР О ИСАНИЕ ИЗОК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОССРЕД(57) Изобретение отной технике и позвол электропроводность в условиях деиствия стороннего источника тока. Целью изобретения является расширение области использования за счет обеспечения измерений в условиях стороннего источника тока. Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред включает трубку 1, кольцеобразные электроды 2, 3, 4, магазин 5 активных электрических сопротивлений, переключатель 6, регистраторы 7,8, Особенностью устройства является введение магазина 5, а также использование в качестве регистраторов 7, 8 регистраторов напряжения. 1 табл., 2 ил.10 20 25 30 35 40 50 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерен ия удел ьн ой электро п ро водности жидких растворов и расплавов, в том числе в их локальных обьемах, в условиях действия внешних (сторонних) источников тока.Известен контактный датчик для измерения удельной электропроводности, 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 этого датчика в исследуемую жидкую среду и пропускании контролируемого постоянного по величине тока через токовые электроды на обеих парах измерительных электродов возникает разность потенциалов, которая обратно пропорциональна удельной электропровод- ности среды.Недостатком устройства является невозможность измерения удельной электропроводности жидкой среды в условиях одновременного протекания по ней тока от стороннего источника, Это объясняется следующими причинами. Электропотребители в металлическом кожухе (сварочная ванна, электролизер, шлаковая ванны и ЭШП и др,) подлежат обязательному заземлению, Так как оба токовых электрода вблизи открытых концов датчика являются заземленными, то через электроды к заземлению идет силовой ток, нарушающий нормальную эксплуатацию электроустановки. Изменяется режим работы установки, характер распределения тока в жидкой среде, теплосодержание ее отдельных участков, а следовательно, и значение удельной электропроводности среды,Падение напряжения на заземляющем проводе (участок которого входит в измерительную цепь по замеру силы тока, создаваемого внутренним источником) приводит к дополнительным погрешностям оценки силы тока, Параллельная цепь создается через внутренний источник устройства незаземленная клемма стороннего источника - жидкая среда - токовый электрод в середине трубки (через левую и правую открытые концы трубки) - соединительный провод - амперметр - источник внутренний соединительный провод - земля - заземленная клемма стороннего источника, В результате в измерительной цепи по замеру силы тока действует не один, а два источника. Показания амперметра значительно искажаются. Это искажает измеренную величину удельной электропроводностижидкой среды,При использовании устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред в емкостях, не подлежащих заземлению, воздействие стороннего источника также делает процесс измерения невозможным, Принципиально измерение возможно лишь при установке датчика перпендикулярно эквитоковым линиям стороннего источника. Однако устройство не снабжено средством для измерения и фиксирования положения датчика (процесс измерения предлагает лишь погружение датчика в исследуемую жидкую среду), Кроме того, электромагнитные поля, порождаемые токами от внутреннего и от стороннего источников будут взаимодействовать между собой, приводя к появлению электрических полей и дополнительным погрешностям измерения удельной электропроводности среды.Известно устройство для измерения удельной электропроводности, выполненное в виде диэлектрической трубки с назаземленными дискообразными токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых токовые и один из измерительных электродов расположены внутри трубки, два других измерительных электрода расположены снаружи трубки соответственно над внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами, между токовыми электоодами оасположена изоляционная прокладка, при этом наружные электроды подключены к первому регистратору, внутренний измерительный и ближайший к нему токовый - к второму регистратору, а токовые электроды соединены через амперметр и переменный резистор,Ток, проходящий по объему жидкой среды, расположенному внутри трубки, фиксируется амперметром, Падение напряжения на участке жидкой среды,расположенной между внутренним измерительным и ближайшим к нему токовым электродами, измеряется вторым регистратором напряжения, По известным геометрическим размерам исследуемого участка жидкой среды, току и напряжению определяется удельная электропровод- ность жидкой среды. Устройство позволяет также измерять плотность тока жидкой среды,Выполнение датчика на основе непроточной трубки с массивной изоляционной прокладкой посередине имеет ряд недостатков. В частности, увеличенная масса датчика приводит к увеличенному охлаждению обьема измеряемой жидкой среды ир станию времени измерения, необхо- ропроводности жидкой среды в агрегате сдимому для прогрева датчика и снижения непрерывным протеканием ере д уего влияния на результаты измерения, Если среду рабочего тока, например, расплаварабочая температура измеряемой жидкой шихты в алюминиевом электролизере, где всреды не намного выше ее температуры 5 рабочем режиме невозможно даже краткоплавления, то по границе дискообразных временноеотключение рабочеготока.роятно образование При измерении в условиях действия стонастылей, гарнисажа из закристаллизовав- роннего источника часть тока от этого источшейся измеряемой среды. В подавляющем ника идет по участку жидкой среды междубольшинстве случаев свойства жидкой сре крайними электродами, а основная часть - .ды и образовавшегося из нее твердого ве- по закоротке крайних электродов, Ток пощества существенно рознятн рознятся. Например, закоротке может достичь весьма большихтвердые сварочные флюсычные флюсы АН, АН, АН- значений, что создает значительную поля 348 А и другие являются практически неэ- ризацию крайних электродов. Сопротивлелектропроводными, При этом 15 ния электрических цепей по замеру тока вдостоверность и уть пол ченных оценок удель- жидкой среде от внутреннего источникаропроводности измеряемой жид- возрастают, сила тока уменьшается, рикой среды может существенно снижаться. том же напряжении на электрода, дПри повторном использовании датчика емом внутренним источником, изменениес непроточной трубкой может усложняться 20 силы тока приводит к ошибке определенияпроцесс подготовки его к работе, так как сопротивления, а значит, и удельной электкаждого использования датчика за ропроводности жидкой среды, Принципилишьсчетявленияхемосорбциивуглахпересече- ально измерение возможно было бык трубки и дискообразных элект- при установке датчика строго перпендикуродов формируются галтели жидкой среды, 25 лярно эквитоковым линиям сторт оннего исЕсли температура плавления измеряемой точника, Однако устройство не снабженоы выше комнатной температу- средством для измерения положения (углажидкои среды вышеохлаждении датчика эти кольце- наклона) датчика. относительно эк витоковыхры, то при охлажобразные образования также могут линий стороннего источника, От у у, Отс тств юткристаллизоваться. 30 средства для изменения и фиксирования поП огружении датчика в вязкую изме- ложения датчика в исследуемой жидкой срери пог ужполяряемую среду у пове поверхности дискообраз- де, Кроме того, электромагнитныеных электродов могут возникать воздушные порождаемые токами от внутреннего и стоп обки, снижающие точность измерения. роннего источников, взаимодействуют межНепроточная трубка датчика перекры ду собой, приводя к появлениювает естественный ток (движение) жидкой электрических помехидополнительным посреды, Это можетсказываться натемпера- грешностям измерения удельной электротуру и химсостав измеряемой среды в дан- проводности,ном объеме, особено при значительном токе Целью изобретения является расшире 40 ние области использования устройства,(движении) среды.Указанная цель достигается тем, что усляется контактный датчик для измерения тройство для измерения удельных электроудельной электрической проводимости вод проводностей жидких сред, содержащиеокеана, выполненный в виде обрывного диэлектрическуютрубку,вкоторойрасполозонда обтекаемой формы со сквозным от жены заподлицо с внутренней поверхноверстием вдоль оси симметрии. Внутри от- стью стенки трубки первый, второй и третийве стия заподлицо с диэлектрической электроды, первый, второй регистраторы,поверхностью стенки размещены три коль- дополнительно содержит магазин сопроцевых эл ектрода (крайние закорочены меж- тивлений и многопозиционный переключасобой), Принцип действия датчика 50 тель, а в качестве первого рду со ои),основан на измерении сопротивления жид- регистраторов использу р р рль ют егист ато ыкости между крайними и центральным элек- напряжений, при ем первый и второй регитродом, которое зависит от текущего . страторы соединены соответственно междузначения удельной электропроводности первым и вторым и вторым и третьим элекс еды. 55 тродами, а магазин сопротивлений и многоУстройство специализированное и во позиционный переключатель, которыевремя измерения не допускается протека- соединены последовательно, подключеныние тока через исследуемую жидкую среду параллельно к второму регистратору.от стороннего источника тока, Это исключа- Удельная электропроводность опредеет возможность измерения удельной элект- ляется по формуле1 О"р=К р- (1)где К = -- геометрическая константа дат 1Ячика, мВ 1; - включенное при измерении сопротивление из магазина сопротивлений, Ом;- порядковый номер включенного приизмерении сопротивления в магазине сопротивлений,Ь(1, и);О - падение напряжения между первымкрайним и средним электродами, В;О - падение напряжения между средним и вторым крайним электродами, В;- расстояние между соседними электродами, м;Я - внутренняя плошадь поперечногосечения трубки датчика, м;Предлагаемое устройство позволяет нетолько производить измерение в жидкой 20среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использоватьэти источники в процессе измерения,В известном устройстве (и рототипе) дляопределения удельной электропроводности 25жидкой среды измеряются ток(амперметрпоказывает двойное значение тока), проходящий внутри трубки по жидкой среде исоздаваемое им падение напряжения Омежду парой соседних электродов, Так как 30геометрические размеры , Я датчика известны, то сопротивление В участка жидкойсреды, расположенной между парой соседних электродов,В= -(2)Откуда удельная электропроводностьжидкой средыЯ О О(3)где К = -- геометрическая константа датЯчика,При использовании для измерения рстороннего источника значительную техническую трудность представляет измерениесилы тока , протекающего внутри трубки пожидкой среде, Поэтому в предлагаемом устройстве этот ток не измеряется. Для определения же удельной электропроводности 50жидкой среды через сопротивление В участка жидкой среды, расположенной между парой соседних электродов, составляетсясистема двух линейных алгебраическихуравнений с двумя неизвестными - током55и сопротивлением В. В результате решенияэтой системы определяются значенияи В.Для формирования двух уравнений требуется воспроизведение двух математическихВ В 1 01Вобщ = В + В, (4) Уравнение (4) представляет собой математическую формулировку второй связи. Напряжение 01 снимается со среднего и второго крайнего электродов. Совместное решение уравнений (2) и (4) приводит к выражениям0 - 01,(5) (б)=ОР.Подставим (5) в (2);-- = В 1 (7) Перегруппировав члены уравнения (7) относительно р, получают формулу (1) для определения удельной электропроводности жидкой среды.Таким образом, в связи с тем, что в предлагаемом устройстве по сравнению с известным устранена закоротка между двумя крайними электродами, это позволило фиксировать различные напряжения на расположенныхх друг за другом двух равных участках жидкой среды.Магазин сопротивлений с переключателем обеспечивает создание параллельной электрической цепи с одним из участков жидкой среды внутри трубки датчика, Значения сопротивлений магазина и соответствующих им положений переключателя известны заранее, Поэтому магазин сопротивлений с переключателем позволяетустанавливать контролируемые значения сопротивления параллельной цепи,При данном В величина В 1 оказывает влияние на числитель и знаменатель дроби формулы (5). Чем выше В 1;, тем значение 01 связей токаи сопротивления В. В качестве пеовой связи используется формула (2), Однако измерению подлежит лишь напряжение О (на паре соседних электродов). Сила токаявляется неизвестной.Напряжение 0 в предлагаемом устройство снимается с первого крайнего и среднего электродов. Для формирования второй связи вторую пару электродов известного устройства использовать нельзя, так как напряжение, снимаемое с них, дублирует напряжение, снимаемое с двух других измерительных электродов. В предлагаемом устройстве на втором, равном первому, участке жидкой среды датчика создается другое падение напряжения 01. Это достигается за счет отвлечения части токав параллельную этому участку жидкой среды цепь с известным сопротивлением В 1 ь Сопротивление Вонищ двух параллельных вет- вейближе к значению О, тем меньше числитель. деборида циркония, карбонитрида бора,Значит, для сохранения требуемой точности трубка, например из спеченного алунда.измерения ц требуются более точные при- Первый крайний 2 и средний 3 электробо ы для регистрации О и О 1, Аналогично, ды соединены с регистратором 7. Среднийчем ниже 81 ь тем меньше О 1, Для сохране 3 и второй крайний 4 электроды соединеныния требуемой точности измерения о требу- двумя параллельными электрическими цеется более точный прибор для регистрации пямьй. в первую цепь включен регистратор 8,01, т,е. для обеспечения условий работы ус- во вторую - последовательно соединенныет ойства по .точности, рекомендуется вы- магазин активныхэлектрическихсопротивдерживать соотношение 10 лений 5 и многопозиционный переключа(8) тель 6,Для поддержания напряжения 01 на Для помещения датчика в исследуемуюуровне, соответствующем соотношению (8), среду устройство снабжено штангой(наприслужит магазин сопротивлений с переклю- мер, в виде полого стержня, не показано),чателем, При переключении переключателя 15 закрепленной любым известным способомизменяется величина электрического со- к середине трубки датчика. При необходипротивления йп из магазина сопротивле- мости стержень выполняется из жаростойний, включенного в электрическую цепь, что кого и жаропрочного материалов, внутрипри некотором постоянном В участка жид- него прокладывают соединительные провокой среды изменяет Кобщ (4). В результате 20 да,меняется напряжениеапряжение О 1, Упрощенная принципиальная электриНа фиг. 1 представлена функциональ- ческая схема устройства состоит из сопроная схема устройства для измерения удель- тивления 9 участка жидкой среды,ной лэлектропроводности жидких сред; на размещающейся внутри трубки датчикафиг. 2 - упрощенная принципиальная схе между электродами 2 и 3, сопротивле има устройства. участка жидкой среды, размещающейсями 3Устройство содержит датчик удельной внутритрубки датчика междуэлектродамиэлектропроводности, состоящий из трубки и 4 и включенного в электрическую цепь1, выполненной из изоляционного материа- сопротивления 11 из магазина сопротивлела, первого крайнего 2, среднего 3 и второго 30 ний 5, входящего в функциональную схемукрайнего 4 кольцеобразных электродов, а устройства,т акже магазин активных электрических со- Так как расстояние между электродамипротивлений 5,переключатель 6 многопози и 3 в трубке датчика равно расстоян юиционный, регистраторы 7 и 8 (например, между электродами 3 и 4, а площадь попемногодиапазонные цифровые вольтметры), 35 речного сечения трубки и удельная электроКольцеобразные электроды выполнены проводность жидкой среды в нейиз однородного материала с высокой элект- неизменны, то сопротивления 9 и 10 равныропроводностью и низкой склонностью к (фиг,1 и 2).ерхностной поляризации. При значи- Сопротивление 9 соединено последоваповтельной температуре изучаемой жидкой 40 тельно с параллельнои цепочкои, соссреды материал электродов должен обла- щей из сопротивлений 10 и 11,дать высокой жаропрочностью, а при повы- Устройство рабо 1 ает следующим обрашенной агрессивности среды - хорошей зом.коррозионной стойкостью либо жаростой- Датчик погружают в исследуемую жидкостью. 45 кость, по которой протекает рабочий токДиэлектрическаятрубкадатчика выпал- (например, в гальваническую ванну), Переняется из материала с низкой диэлектриче- ключая с помощью многопозиционного пеской проницаемостью в диапазоне рабочих . реключателя 6 сопротивления магазинатемператур излучаемой жидкой среды, При сопротивлений 5, добиваются установлениязначительной температуре среды материал 50 по регистратору значениятрубки должен обладать высокой жаропроч = (0,5 +0,4)О.ностью, а при повышенной агрессивности При этом напряжение О фиксируется посреды - хорошей коррозионной стойкостью регистратору 7, После этого показания регилибо жаростойкостью. страторов 7 и 8 записываются. РегистрируНапример, при низкой агрессивности и 55 ется величина сопротивлений, Удельнаятемпературе жидкой среды электроды вы- электропроводность жидкой среды нахополняются из стали 12 х 18 Н 9 Т, трубка - из дится по формуле (1).эбонита, При высокой агрессивности и тем- При изменении напряжения между втопературе среды электроды выполняются, рым и третьим электродами при включениинапример из платины, карбида кремния, сопротивления Вв изменяется ток междупервым и вторым электродами. Применение дополнительных мер по стабилизации тока для достижения целей измерения удельной электропроводности жидкой среды в данном случае не требуется. Общий ток несколько изменяется, что практически не оказывает влияния на точность измерения.Если рассмотреть два совершенно одинаковых участка жидкой среды в трубке, то падения напряжения на нихтакже одинаковые. Чтобы сформировать новую математическую связь нужно создать и новые условия, Эти условия создаются путем шунтирования сопротивления В между вторым и третьим электродами сопротивлением В 1 (фиг. 2).Ток на участке между первым и вторым электродами равен 1. На участке между вторым и третьим электродами этот ток разветвляется, Часть тока 12 идет по жидкой среде (по сопротивлению В), а часть - по шунтирующему сопротивлению В 1. В сумме+ 2 = 1, так как сопротивление В между первым и вторым электродами включено последовательно с цепочкой параллельно включенных сопротивлений В и Вц,Тогда01=1 Вобщ, (9) ГдЕ Вобщ - СОПрстИВЛЕНИЕ деуХ ПараЛЛЕЛЬ- ных ветвей В и В 1 (4),Откуда0= (10)В+В 1Падение напряжения же на участке между первым и вторым электродами0 =1 В. (11) Как видно из сравнения формул (10) и (11), после включения шунтирующего сопротивления Вц падение напряжения на участке между первым и вторым электродами равно О, а на участке между вторым и третьим электродами равно 0, примем 01 Ф О, Это и позволяет сформировать новую математическую связь и достичь целей измерения.Изменение в шунтирующей цепи сопротивления В 1 приводит к изменению всех трех токов:11, 12 и. Однако, учитывая малые размеры датчика, это практически не влияет на точность измеоения с. Измерение же 0 и 0 происходит при постоянном, одинаковом значении Вц и токи 1, 2, 1 при этом остаются постоянными,Электрод 2 (фиг, 1) находится в отличныхх от электродов 3 и 4 условиях. Распределение плотности тока по сечению трубки - равномерное, Ток в трубке идет параллельно поверхности кольцеобразных электродов, При этом на более электропроводные но узкие кольца отвлекается лишь незначи 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Если априорно известно примерное значение плотности токав месте измерения жидкой среды, то предварительно можно подсчитать рекомендуемую площадь поперечного сечения отверстия трубки датчика Я, Учитывая, что допустимая величина тока 1 доп в трубке не должна превышать, например, 0,1 А: тельная часть тока, которой можно пренебречь.Между электродами 2 и 3 включен вольтметр с большим внутренним сопротивлением. Примем направление тока в трубке слева направо. Тогда ток, стекающийся из измеряемой жидкой среды к электроду 2, проходящий по вольтметру 7 и растекающийся в измеряемую жидкую среду с электрода 3 весьма малый, Ток 1 (фиг. 2) соизмерим с током 12, Таким образом, к электроду 3 стекается значительный ток, который, проходя по Вп, растекается в жидкую среду с электрода 4.Ввиду малых токов, протекающих по регистратору 7, первый крайний электрод 2 не подвержен поляризационным процессам, Этого нельзя сказать об электродах среднем 3 и.зтором крайнем 4, так как по ним частично проходит и силовой ток, ответвляющий на сопротивление В. Поэтому для снижения отрицательного влияния поляризационных процессов на точность измерения при токах 1 (определяется по формуле (6; превышающих 0,05 А, рекомендуется устанавливать большие значения Вц, которые обеспечивают нахождение 01 на максимально допустимом (см, формулу(8 уровне,Ток, протекающий внутри трубки, можно уменьшить поворотом датчика эа штангу, таким образом, чтобы продольная ось симметрии датчика встала под острым углом к эквивитковым линиям в исследуемом рабочем пространстве (в жидкой среде). Если угол составляет 90, чо ток в трубке практически равен нулю. Поворот датчика в жидкой среде под острым углом к эквивитковым линиям приводит к снижению напряжения 0 на регистраторе 7. Если ток 1(определяемый по формуле (б превышает, например, дол = 0,1 А (который определяется исходя из условия поляризации материала и площади поперечного сечения электродов), рекомендуется изменить положение датчика поворотом его в ту или иную сторону, наблюдая за напряжением 0 и добиваясь его снижения. Снижение гока в трубке позволяет уменьшить активность поляризационных процессов на электродах и повысить точность измерения.,.о 1 О 3 О 0,38 Я= -допПолученная величина не должна быть меньше 25 - 30 мм, исходя из удобства изгогтовления и капиллярных свойств (затекания) получаемого отверстия трубки. Дальнейшее уменьшение тока в трубке достигается поворотом датчика.Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении раствора КО при 200 С нормальной концентрации 0,1 Н.Результаты измерений приведены в таблице, из которой видно, что достаточно высокая точность достигается в случае если выдерживается соответствие напряжения О и О, причем максимальная точность достигается при значении В 1 = сопротивлению исследуемого участка жидкой среды,Предлагаемое устройство по сравнению с известным позволяет расширить область использования устройства, т.е, осуществлять измерение удельной электропроводности жидких сред в условиях действия стороннего источника тока,Как показывают результаты измерений, максимальная точность измерения достигается при значении Вц = В, Исходя из этих соображений априорно и рекомендуется выбирать величину В 31, так как исследователь, а тем более производственник, как правило, при измерении имеет дело не с черным, а с серым ящиком, то заранее известен диапазон возможных изменений величины В, Диапазон изменения 5 сопротивления В 9 из магазина сопротивлений 5 (фиг. 1) следует выбирать таким, чтобы он перекрывал диапазон изменения величи- ныВ,10 Формула изобретенияУстройство для измерения удельнойэлектропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку, в которой расположены заподлицо с внутренней 15 поверхностью стенки трубки первый, второй и третий электроды, первый, второй регистраторы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения измерений в усло виях действия стороннего источника тока,введены магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, а в качестве первого и второго регистраторов используют регистраторы напряжений, причем первый 25 и второй регистраторы соединены соответственно между первым и вторым и вторым и третьим электродами, а магазин сопротивлений и многопозиционный переключатель, которые соединены последовательно, под ключены параллельно к второму регистратору.16 1732248 15 Коррек ктор М. Бланар алии КНТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарин аз 1579ВНИИП Составитель Е, Кущ Техред М,Моргентал Тираж Подписное сударственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,4/5