устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред

Формула изобретения

Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее цилиндрический корпус, два основных электрода, подсоединенных к источнику питания, измерительный электрод, соединенный с одной клеммой вольтметра, и амперметр, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено диэлектрической прокладкой, в которую с двух сторон заподлицо установлены два токовых электрода, экран, в котором с двух сторон заподлицо размещены основные электроды, выполненный из изоляционного материала и закрепленный на корпусе на другой стороне от диэлектрической прокладки, последовательно соединенные переменный резистор и выключатель, установленные в цепь источника питания, причем электроды, прокладка и экран выполнены пластинчатыми и размещены на цилиндрической поверхности корпуса вдоль его оси симметрии, при этом амперметр включен между токовыми электродами, а другая клемма вольтметра подсоединена к токовому электроду, ближайшему к измерительному.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких расплавов и растворов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока либо при их отсутствии, в том числе в локальных объемах расплавов и растворов с высокой температурой нагрева, агрессивностью и вязкостью.

Известно устройство, содержащее датчик, состоящий из цилиндрической изоляционной прокладки, разделяющей установленные заподлицо с ней два полудисковых токовых электрода, которые закреплены на изолирующем пластинчатом экране, выполненном из диэлектрического материала, двух измерительных штыревых электродов, расположенных с другой стороны экрана под токовыми электродами, а также два регистратора напряжения, один из которых включен между измерительными, а другой между токовыми электродами, соединенные последовательно амперметр и переменный резистор, включенные между токовыми электродами, и средство для измерения и фиксирования положения датчика в пространстве [1] Изменением положения датчика добиваются максимизации показаний первого регистратора напряжения, после чего изменением сопротивления переменного резистора добиваются совпадения показаний регистраторов напряжения. В условиях известных геометрических размеров датчика по показаниям регистраторов напряжения и амперметра находится плотность тока и удельная электропроводность изучаемой среды (жидкой, твердо-жидкой, сыпучей).

К недостаткам устройства относится наличие в его составе подбираемого до начала измерения прецезионного переменного резистора. Диапазон изменения электрического сопротивления резистора должен находиться на основе заранее неизвестных априорных сведений. Минимальное значение сопротивления электрической цепи, состоящей из амперметра, переменного резистора и подводящих проводов, должно быть меньше заранее неизвестного сопротивления участка исследуемой среды, вытесняемой изоляционной прокладкой и токовыми электродами. Кроме того, при использовании устройства выполняется достаточно сложная операция подгонки плотности тока, протекающего через токовые электроды, под плотность тока, протекающего в изучаемом локальном объеме. Это усложняет процесс измерения. Измерительные электроды, выполненные в виде тонких штырей, имеют низкую химическую и термическую стойкость. Это снижает производительность работы датчика при измерении химически активных и высоконагретых сред. Устройство неработоспособно при отсутствии сторонних источников тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее два основных электрода, подсоединенных через регистратор тока амперметр к источнику, контрольные (измерительные) электроды, размещенные радиально вокруг одного из основных электродов, которые через многопозиционный переключатель и измерительную цепь соединены с этим основным электродом [2]

К недостаткам устройства относится низкая химическая и термическая стойкость щупа (датчика) устройства, т.к. все электроды выполнены в виде тонких стержней. При многократном измерении вязких и липучих сред (жидких, твердо-жидких, сыпучих) возникает трудность с удалением налипших на датчик остатков после очередного измерения. Остатки задерживаются между близко расположенными и многочисленными стержнями (электродами), выступающими из рабочего торца датчика. Остатки могут высыхать, образуя твердую слаборастворимую корку, которая, являясь плохоэлектропроводной, либо неэлектропроводной, может вносить существенные погрешности в процесс измерения. При исследовании расплавов, температура плавления которых выше комнатной, остатки кристаллизуются. Все это затрудняет возможность многократного использования датчика.

Использование устройства для измерения в условиях действия сторонних источников тока может приводить к ошибке измерения. Ток от сторонних источников, протекая по участку изучаемой среды между вторым основным и ближайшим к нему измерительным электродами, создает на нем дополнительное падение напряжения U_д. В этом случае в токовой цепи устройства действует не один, а два источника питания внутренний с ЭДС Е₁ и дополнительный с напряжением U_д. В результате алгебраического суммирования источников E₁ и U_д изменяется сила тока, регистрируемая амперметром. Меняется числитель формулы для оценки удельной электропроводности среды. Знаменатель же зависит от силы тока, но на расследуемом участке среды не зависит от действия сторонних источников тока, поскольку в исследуемом локальном объеме среды ток от внутреннего источника стягивается к первому основному электроду радиально. Дополнительное падение напряжения U_д от сторонних источников на одном участке, расположенном между измерительным и первым основным электродами, в знаменатель формулы входит со знаком "+", а еще одно U_д1 на другом таком же участке, но расположенном диаметрально противоположно первому, со знаком "-". Происходит взаимное элиминирование падений напряжения от сторонних источников в изучаемом объеме среды, ограниченном полусферой, по которой расположены измерительные электроды.

В основу изобретения положена задача создать такое устройство для измерения электропроводности жидких (а также твердо-жидких, сыпучих) сред, конструкция которого позволяла бы измерять удельную электропроводность высокотемпературных, агрессивных, вязких сред как в условиях действия сторонних источников тока, так и без них.

Существо изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее цилиндрический корпус, два основных электрода, подсоединенных к источнику питания, измерительный электрод, соединенный с вольтметром, амперметр, дополнительно снабжено диэлектрической прокладкой, в которую с двух сторон заподлицо установлены два токовых электрода, экран из изоляционного материала, в котором с двух сторон заподлицо размещены основные электроды, закрепленный на корпусе на другой стороне от диэлектрической прокладки, последовательно соединенные переменный резистор и выключатель, установленные в цепь источника питания, причем электроды, прокладка и экран выполнены пластинчатыми и размещены на цилиндрической поверхности корпуса вдоль его оси симметрии, амперметр включен между токовыми электродами, а второй конец вольтметра подсоединен к токовому электроду, ближайшему к измерительному.

Устройство позволяет производить измерение в высоконагретой агрессивной вязкой среде как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. Все элементы датчика за исключением изолирующей прокладки и экрана установлены заподлицо, что способствует предотвращению перегрева и разрушения элементов. Это увеличивает срок службы датчика устройства и упрощает удаление остатков исследуемой среды после измерения.

Ток от внутреннего источника питания в исследуемой среде идет от одного основного электрода к другому. Поскольку они выполнены в виде удлиненных пластин компактного сечения, то возникающие при этом расходящиеся эквитоковые поверхности имеют форму не тора, а приближаются к двум группам расходящихся цилиндров. Таким образом, по оси датчика ток распределен равномерно. Поскольку одна из групп цилиндров охватывает корпус датчика, который сам имеет строго цилиндрическую форму, то эквитоковые поверхности вытесняются за пределы неэлектропроводного корпуса и непосредственно у корпуса еще точнее соответствуют цилиндрической. За счет наличия внутри контура движения тока корпуса датчика происходит как-бы подправление не вполне концентрической формы эквитоковых линий ближе к концентрической. Эквитоковые линии у поверхности корпуса в локальном участке исследуемой среды, имеющем форму кольца и расположенном диаметрально противоположно экрану, идут вдоль поверхности корпуса. На этом участке замеряются сила тока и падение напряжения. Сила тока I₁ измеряется с помощью "лепестка", состоящего из токовых электродов с размещенной между ними диэлектрической прокладкой. Токовые электроды соединены через амперметр, обладающий малым электросопротивлением. Падение напряжения U₁ замеряется между измерительным и ближайшим к нему токовым электродами. Исследуемый локальный объем среды имеет высоту h, равную ширине токового электрода, ширину b, равную длине токового электрода, и длину l, равную дуговому расстоянию между серединой измерительного и рабочей поверхностью ближайшего к нему токового электрода. Так как сила тока замеряется в непосредственной близости от поверхности корпуса датчика и измерительный электрод расположен вровень с поверхностью корпуса, то точность оценки удельной электропроводности исследуемого локального объема среды оказывается высокой.

Сторонние источники тока силой I_д создают на исследуемом участке среды дополнительное падение напряжение U_д. Общее падение напряжения на участке от внутреннего и сторонних источников тока

U₂=U₁U_g, (1)

где знак "+" означает совпадение направления тока I_д с током I₁, а знак "-" противоположное направление.

Аналогично, общая сила тока на участке

I₂=I₁I_д. (2)

Замеряя U_д и I_д при отключенном внутреннем источнике тока, а затем U₂ и I₂ при включенном источнике, можно определить U₁ и I₁. Тогда



где оценка удельной электропроводности локального объема среды, Смм^-1;

R активное электросопротивление исследуемого участка среды, Ом;

l расстояние между серединой измерительного и ближайшим к нему токовым электродом по дуге окружности, м;

S площадь поперечного сечения открытой поверхности токового электрода, м²;

усредненные по нескольким замерам значения силы тока от внутреннего и сторонних источников тока в соответствии с формулой (2), A;

усредненные по нескольким замерам значения падений напряжения и внутреннего и сторонних источников тока в соответствии с формулой (1), B.

Длина дуги



где r радиус корпуса датчика, м;

n центральный угол корпуса датчика, опирающийся на дугу длиной l между измерительным и ближайшим к нему токовым электродами, град.

Площадь поперечного сечения токового электрода

S=bh, м², (5)

где b длина токового электрода, м;

h ширина токового электрода, м.

Подставляя (4) и (5) в (3), окончательно имеем



где константа устройства.

При отсутствии сторонних источников тока I_д=0, I₂=I₁, U_д=0, U₂=U₁.

Несмотря на то что направление тока от сторонних источников через "лепесток" может быть произвольным, сама сила тока от них I_д и вызываемое падение напряжения U_д на измеряемом участке среды полностью исключаются из конечного результата и, таким образом, согласно формуле (6) не оказывают влияния на получаемую оценку удельной электропроводности среды.

Расположение электродов не на торцовой, а на цилиндрической поверхности корпуса позволяет получить равномерное распределение плотности по длине измеряемого участка среды. Тем самым упрощается элиминирование влияния на результаты измерения q сторонних источников тока.

Расположение основных электродов на пересечении цилиндрической поверхности корпуса датчика с плоскими поверхностями экрана позволяет обеспечить близкие к концентрическим эквитоковые линии у поверхности корпуса. Введение в конструкцию устройства экрана позволяет увеличить минимальную длину эквитоковых линий, замыкающихся в исследуемой среде по другую от "лепестка" сторону корпуса и тем самым увеличить электросопротивление этого участка электрической цепи. В результате возрастает полезная часть тока, протекающего вокруг корпуса и чувствительность датчика. Введение "лепестка", состоящего из двух токовых электродов, разделенных диэлектрической прокладкой, позволяет замерить ток у поверхности корпуса. Общая толщина "лепестка" не должна превышать 3 мм, поскольку это нелинейно сказывается как на токах, так и падениях напряжения (см. формулу (6)).

Введение в цепь источника питания выключателя позволяет устройству работать в двух режимах: без внутреннего источника и с ним.

Переменный резистор введен для ограничения тока от внутреннего источника питания.

В сравнении с устройством-прототипом предлагаемое техническое решение позволяет производить измерение высоконагретых, агрессивных, вязких, жидких (твердо-жидких, сыпучих) сред как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. Во время измерения достаточно датчик устройства поместить в исследуемый объем жидкой среды.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из корпуса 1, основных 2 и 3 электродов, токовых 4 и 5 электродов, измерительного 6 электрода, экрана 7, диэлектрической прокладки 8, а также амперметр 9, вольтметр 10, переменный резистор 11, выключатель 12, источник питания 13. Эквитоковые линии от внутреннего источника тока обозначены 14, а от сторонних источников тока 15.

Основные электроды 2 и 3 соединены между собой через последовательно соединенные переменный резистор 11, выключатель 12 и источник питания 13. Токовые электроды 4 и 5 соединены через амперметр 9; измерительный электрод 6 соединен с ближайшим к нему токовым электродом 4 через вольтметр 10.

"Лепесток" состоит из диэлектрической прокладки 8, с двух сторон которой заподлицо с ней установлены токовые электроды 4 и 5. Основные электроды 2 и 3 также заподлицо установлены в экране 7.

Экран расположен диаметрально противоположно середине участка поверхности корпуса, расположенного между "лепестком" и измерительным электродом.

Корпус датчика, экран и диэлектрические прокладки выполнены из твердого изоляционного материала. Если устройство предназначено для работы при высокой температуре исследуемой среды, то материал должен обладать высокой жаропрочностью. Если устройство предназначено для работы при высокой температуре и агрессивности среды, то материал должен обладать высокой жаростойкостью. Примерами таких материалов являются алунд, диборид циркония, карбонитрид бора.

Все электроды выполняют из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой среды материал электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды хорошей коррозионной стойкостью, либо жаростойкостью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12Х18Н10Т, а при высокой агрессивности и температуре среды из платины, тантала, карбида кремния.

Толщина экрана лежит в пределах от 3 мм до r/3, а ширина равна 2r.

Меньшие значения соответствуют меньшим радиусам корпуса датчика. Рекомендуемая ширина электродов составляет 2,51мм. Превышение либо снижение этих значений ведет к понижению точности оценки удельной электропроводности среды. Уменьшение приводит к развитию поляризационных процессов на токовых электродах. Увеличение ведет к значительному отклонению плотности тока у поверхности плотности датчика и на периферии токового электрода, наиболее отстоящей от поверхности корпуса. При этом напряжение фиксируется в приповерхностном слое с одной плотностью тока, средний ток через "лепесток" будет соответствовать другой плотности тока, что будет вносить погрешность в оценку q по формуле (6).

Длина основных электродов одинаковая и соответствует длине экрана, равной 2-3r. Уменьшение длины менее 3r приводит к ухудшению равномерности распределения плотности тока по длине датчика через токовые электроды. Увеличение длины более 3r нецелесообразно, т.к. при этом качество измерения не возрастает, а лишь увеличиваются размеры датчика.

Длина токовых и измерительного электродов не превышает r, что предотвращает влияние концов основных электродов на равномерность распределения плотности тока по длине датчика.

Конец корпуса и конец экрана совпадают.

Для помещения датчика в исследуемый объем жидкой среды устройство снабжено штангой, например, в виде полого стержня (на чертеже не показана), являющейся продолжением корпуса датчика. При необходимости стержень выполняют из жаропрочного либо жаростойкого материалов, внутри прокладывают соединительные провода.

Устройство работает следующим образом.

Датчик погружают в исследуемую среду, например в электросталеплавильную ванну. Замеряется сила тока I_д и напряжение U_д по показаниям амперметра и вольтметра. Включается выключатель. Переменным резистором устанавливается величина тока в измерительной цепи, по возможности не превышая (0,05-0,1)А. (При дальнейшем увеличении тока возрастает поляризация токовых электродов). Фиксируется сила тока I₂ и напряжение U₂. Удельная электропроводность исследуемой жидкой среды находится по формуле (6).

Метрологические характеристики устройства получены при измерении раствора KCl при 20^o нормальной концентрации 0,1H. Результаты приведены в таблице.

Как видно из таблицы, точность измерения предлагаемым устройством соответствует точности измерения устройством-прототипом и практически не зависит от действия сторонних источников тока.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет расширить область применения устройства осуществлять измерение удельной электропроводности высоконагретых, агрессивных, вязких сред как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. Конструкция датчика позволяет увеличить его срок службы. Процесс измерения проще, чем при использовании устройства-прототипа.