устройство для измерения электрической проводимости и плотности жидких электролитов

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ, содержащее генератор, регистратор сигнала, измерительную ячейку, заполняемую исследуемой жидкостью и содержащую два зондирующих элемента, расположенных друг относительно друга на жестко фиксированном расстоянии, отличающееся тем, что в него введен блок автоматической настройки частоты, входы которого соединены с выводами генератора, а выходы соединены с первым зондирующим элементом, который является излучателем сигнала, второй зондирующий элемент, являющийся приемником сигнала, соединен с выводами регистратора сигнала, причем приемник сигнала размещен внутри излучателя сигнала, являющегося экраном по отношению к приемнику сигнала, оба зондирующих элемента покрыты химически инертным защитным покрытием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для определения электропроводности и плотности жидких электролитов. Устройство может найти применение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в химической, пищевой промышленности, в нетрадиционной энергетике (солевые солнечные пруды и т.п.), а также в системах экологического контроля окружающей среды. Устройство может быть использовано для дистанционного автоматического измерения электропроводности и плотности различных электролитов таких, как водные растворы солей, расплавы металлов и сплавов и т.п.

Известно устройство для измерения плотности жидкостей, включающее измерительную ячейку, заполненную исследуемой жидкостью и содержащую два зондирующих элемента, жестко фиксированных друг относительно друга, причем один из элементов является пьезокристаллом и электрически соединен с генератором и регистратором импульса переменного электрического напряжения. На пьезокристалл подают импульс переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты [1] Этот импульс с помощью указанного пьезокристалла преобразуют в ультразвуковой сигнал. Сигнал отражают с помощью второго зондирующего элемента (отражателя) обратно в сторону первого зондирующего элемента. Отраженный сигнал принимают и преобразуют при помощи пьезокристалла в импульс переменного электрического напряжения. Измеряют временную задержку между моментом подачи импульса на пьезокристалл и моментом регистрации прихода отраженного импульса. Плотность жидкости определяют по градуировочным кривым зависимости плотности данной жидкости от времени задержки импульса, которые получают при специальных калибровочных измерениях, с использованием других, например весовых, методов измерения плотности.

Наиболее существенными недостатками данного устройства являются невысокие точность и надежность измерений, а также ограниченный ресурс работы, что обусловлено сильной зависимостью регистрируемой величины временной задержки от температуры жидкости, ограниченными возможностями уменьшения размеров измерительной ячейки, деградацией во времени свойств и характеристик чувствительных элементов при проведении измерений в агрессивных средах.

Известно устройство для измерения проводимости и плотности электролитов, включающее измерительную ячейку, содержащую один зондирующий элемент (электрические катушки плотно намотанные друг на друга с сильной магнитной связью, обеспечиваемой магнитопроводом), подсоединенный к генератору и регистратору переменного электрического напряжения [2] Исследуемая жидкость, в которую вводят зондирующий элемент, находится вне измерительной ячейки. Принцип работы устройства состоит в использовании эффекта уменьшения добротности колебательного контура зондирующего элемента вследствие диссипативных потерь при увеличении электропроводности среды, окружающей датчик. Переменное электрическое напряжение подают с генератора на первую катушку зондирующего элемента и с помощью регистрирующего прибора регистрируют электрический сигнал на второй катушке этого элемента.

Основным недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, существенно превышающее характерные геометрические размеры датчика, в связи с тем, что на измеряемый сигнал оказывают влияние параметры жидкости в большом объеме окружающем датчик. В результате в ближайшем окружении ячейки должны отсутствовать металлические элементы, что ограничивает сферы применения данного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по конструкции является устройство для измерения электрической проводимости и плотности жидких электролитов, которое содержит измерительную ячейку, заполняемую исследуемой жидкостью, и два зондирующих элемента (электрода), жестко фиксированных друг относительно друга в пространстве на определенном расстоянии и соединенных с генератором и регистратором переменного электрического напряжения [3] На электроды подают с генератора переменное электрическое напряжение и измеряют его величину и величину электрического тока, протекающего в цепи, включающей в себя генератор, электроды, электролит, находящийся в объеме измерительной ячейки и соединительные провода.

Величину электрической проводимости электролита определяют исходя из измеренных величин тока и напряжения на ячейке.

Величину плотности жидкости определяют по градуировочным кривым зависимости плотности электролита от величины протекающего в цепи электрического тока при постоянном во всех измерениях, подаваемом на ячейку напряжения.

Существенными недостатками прототипа являются ограниченный ресурс работы устройства, а также невысокие точность, пространственное разрешение и надежность измерений.

Невысокая надежность и ограниченный ресурс работы обусловлены изменением поверхностных свойств электродов в процессе их эксплуатации за счет активного разрушающего воздействия электролита.

Невысокая точность измерений электрической проводимости и плотности обусловлена также изменением состава электролита в приэлектродных областях вследствие процессов электролиза и слабой зависимостью электрического сопротивления электролита в ячейке от концентрации ионов в сильных растворах.

Пространственное разрешение ограничивается размером приэлектродных областей и возможностью электрического пробоя промежутка между электродами.

Устройство не обеспечивает воспроизводимости результатов измерений в ходе продолжительной эксплуатации и требует частых калибровочных экспериментов.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства, обеспечивающего дистанционное измерение электрической проводимости и плотности электропроводящей жидкости с высокими точностью, надежностью и пространственным разрешением при длительном эксплуатационном ресурсе датчика.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для определения электропроводности и плотности жидких электролитов, включающем генератор, регистратор переменного электрического напряжения, измерительную ячейку, содержащую два зондирующих элемента, жестко фиксированных друг относительно друга, и электрически соединенную с генератором и регистратором, один зондирующий элемент измерительной ячейки излучатель, включен в единую электрическую цепь с генератором, а другой приемник с регистратором переменного электрического напряжения, причем зондирующие элементы снабжены защитным покрытием химически инертным к исследуемой среде. Кроме того, в цепь излучателя включен блок автоматической настройки частоты генератора на резонансную частоту измерительной ячейки, физический принцип, лежащий в основе работы предлагаемого устройства, состоит в зависимости затухания электромагнитной волны от электропроводности среды, в которой она распространяется.

Указанное техническое решение позволяет решить поставленную задачу.

Длительный эксплуатационный ресурс работы и надежность предлагаемого устройства обеспечиваются прежде всего тем, что в отличие от известных технических решений предлагаемое раздельное подключение зондирующих элементов к генератору и регистратору позволяет защитить зондирующие элементы измерительной ячейки от разрушающего воздействия электролита химически стойким покрытием. В прототипе электроды принципиально должны находиться в электрическом контакте с электролитом, что подвергает их поверхность сильному физико-химическому воздействию электролита.

Повышение точности и надежности измерений с помощью предлагаемого технического решения обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства исключается возможность электролиза исследуемой среды, ее загрязнение продуктами коррозии электродов, а также возникновение электрического пробоя. Это достигается тем, что электрические цепи излучателя и приемника электрически изолированы друг от друга и от исследуемой среды (излучатель включен в единую цепь с генератором, а приемник с измерителем). Измерение перечисленных параметров осуществляется на основе принципа измерения затухания амплитуды высокочастотного электромагнитного сигнала в электропроводящей среде, а не за счет прямого измерения электропроводности, скорости звука или изменения добротности контура в известных устройствах.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает также возможность повышения пространственного разрешения. Известное устройство [3] вследствие возможности электрического пробоя межэлектродного пространства и образования приэлектродных слоев не позволяет обеспечить пространственное разрешение лучше нескольких миллиметров. В предлагаемом устройстве пространственное разрешение определяется только конструкционными решениями ячейки, т.е. компактностью взаимного расположения приемника и излучателя, и может быть обеспечено лучше 1 мм. Ни электрического пробоя, ни образования приэлектродных слоев в предлагаемом устройстве не имеет места.

Как правило, в известном техническом решении [3] зондирующие элементы изготавливаются из материалов платиновой группы, что существенно удорожает стоимость устройства. В предлагаемом устройстве использовать дорогостоящие материалы нет необходимости. Зондирующие элементы могут изготавливаться из любого металла с защитным покрытием поверхности, например полимерным.

Кроме того, чувствительность и точность предлагаемого устройства могут быть существенно увеличены в случае включения в цепь излучателя блока автоматической настройки возбуждающего сигнала на резонансную частоту ячейки. В этом случае значительно возрастает амплитуда принимаемого сигнала, что существенно повышает точность измерения напряжения и чувствительность устройства.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство для определения электрической проводимости и плотности жидкого электролита содержит измерительную ячейку 1, которая заполняется при проведении измерений исследуемой жидкостью 2, включающую два зондирующих элемента излучатель 3 и приемник 4, жестко фиксированных друг относительно друга с помощью крепежных элементов 5. Излучатель 3 включен в единую электрическую цепь с генератором переменного электрического напряжения 6, а приемник 4 включен в единую электрическую цепь с регистратором принимаемого переменного электрического сигнала 7. Излучатель 3 и приемник 4 снабжены защитным покрытием 8, химически инертным по отношению к исследуемой среде.

Кроме того, в электрическую цепь излучателя между генератором и излучателем включен блок автоматической настройки частоты генератора не резонансную частоту измерительной ячейки 9.

Устройство работает следующим образом.

Измерительную ячейку 1 для проведения измерений заполняют жидким электролитом 2, параметры которого необходимо определить. На излучатель 3 подают с генератора 6 переменное электрическое напряжение фиксированной амплитуды. Тем самым возбуждают электромагнитную волну, распространяющуюся в электролите. Электромагнитная волна вследствие наличия электропроводности среды затухает и в ослабленном виде достигает приемника 4. Волну принимают с помощью приемника 4, в котором она возбуждает переменную ЭДС, амплитуду которой измеряют посредством регистратора переменного электрического напряжения 7. При фиксированной амплитуде возбуждаемого сигнала амплитуда принимаемого сигнала характеризует степень затухания электромагнитной волны при ее распространении через электролит, которая в свою очередь зависит от электрической проводимости, т.е. от концентрации заряженных частиц в электролите и его плотности. Для определения абсолютных значений электрической проводимости и плотности используются результаты калибровочных экспериментов. Эти эксперименты проводятся при той же фиксированной амплитуде сигнала генератора. В ходе калибровочных экспериментов электрическая проводимость и плотность электролита измеряются известными методами. По результатам калибровочных экспериментов строятся калибровочные кривые зависимостей электрической проводимости и плотности электролита от амплитуды регистрируемого на приемнике сигнала. Полученные таким образом калибровочные кривые используются для определения электрической проводимости и/или плотности электролита, находящегося в измерительной ячейке. При работе блока автоматической настройки частоты генератора на резонансную частоту измерительной ячейки амплитуда принимаемого сигнала максимальна, что позволяет регистрировать его с повышенной точностью и чувствительностью.