ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ
CELL FOR MEASUREMENT OF FLUID ELECTRIC CONDUCTIVITY

Изобретение относится к измерительной технике и к технике измерения свойств материалов с помощью электромагнитных средств, в частности к конструкциям измерительных сосудов (ячеек) для проведения таких измерений в жидких средах.
Известна ячейка для измерения тангенса угла диэлектрических потерь и удельного объемного электрического сопротивления [ГОСТ 6581-75. Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний М.: ИПК изд-во стандартов. 16 с. Дата введения 01.01.77]. Ячейка содержит выполненный в виде плоского металлического сосуда наружный (высоковольтный) электрод, внутри которого и соосно с ним установлены с образованием измерительного конденсатора внутренний (измерительный) и охранный металлические электроды, размещенные и закрепленные на изолирующем основании, выполненном в виде крышки упомянутого сосуда, а исследуемая жидкость заливается до заполнения межэлектродного пространства. Недостатком известного устройства является наличие гальванического контакта между электродами и исследуемой жидкостью, который вызывает в ячейке возникновение сложных электрохимических явлений электродной поляризации и сопровождается значительными погрешностями при измерениях на низкой частоте, а особенно - на постоянном токе. В частности, на характер поляризации и на величину погрешности оказывает большое влияние материал электродов, поэтому для изготовления электродов желательно использовать благородные металлы (платину), что приводит к значительному удорожанию конструкции.
В последнее время большое внимание уделяется разработке нового экспериментального диэлькометрического метода, названного индуктивным или L-методом и позволяющего изучать в слабых вихревых электрических полях соленоидальных L-ячеек низкочастотные поляризационные процессы в жидкостях, по искаженные токами проводимости. [Семихина Л.П. Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях: диссертация… доктора физико-математических паук: 01.04.01 / Ин-т аналит. приборостроения РАН. - Санкт-Петербург, 2007. - 230 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-1/372]. В работе [Семихина Л.П.] подчеркивается, что метод исследования позволяет получить новую информацию о свойствах и внутренней структуре жидкостей, пригодную для построения их адекватных теоретических моделей. Реализация метода требует создания новых, более совершенных ячеек для проведения измерений.
Известна также ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, содержащая проточный сосуд для исследуемой жидкости, образованный диэлектрической трубкой, поверх которой намотана катушка индуктивности [Заринский В.Л., Ермаков В.И. Высокочастотный химический анализ. - М.: Наука, 1970. - С.74]. При этом измеряемая жидкость обязательно должна заполнять весь объем диэлектрической трубки, которая может быть изогнутой. Недостатком известного устройства по этому изобретению является недоступность рабочего объема диэлектрической трубки для проведения регулярной профилактической очистки ячейки и возникающие в связи с этим трудности при проведении исследований в средах, где может происходить сильное обрастание за счет осаждения грязи, масла, жира, гипса или извести. Обрастание стенок ячейки приводит к сужению площади поперечного сечения рабочего объема ячейки и к увеличению значения измеряемого сопротивления, т.е. вносит значительную дополнительную погрешность в результаты измерения. В работе [стр.3, пункт 2.1.1.1] подчеркивается, что конструкция ячейки должна быть удобной для ее разборки и проведения тщательной очистки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, содержащая открытый диэлектрический сосуд прямоугольной формы для исследуемой жидкости, выполненный из изоляционного материала, снабженный как минимум двумя плоско-параллельными электродами, ограничивающими заполненный жидкостью измерительный участок (канал) [См. Измерения в промышленности: Справ, изд. в 3-х кн. Кн.3. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - М.: Металлургия, 1990. - С.169-171].
Недостатком этого устройства также является наличие гальванического контакта между электродами и исследуемым раствором, который вызывает возникновение сложных электрохимических явлений электродной поляризации и сопровождается значительными погрешностями при измерениях. В частности, на величину погрешности большое влияние оказывает материал электродов.
Задачей изобретения является создание простого устройства для измерения электрической проводимости жидкости, в котором отсутствует гальванический контакт между электродами и исследуемым раствором и связанные с этим значительные погрешности при измерениях.
Еще одной задачей изобретения является создание устройства, обладающего конструкцией, удобной для ее разборки и проведения тщательной очистки, что приводит к повышению точности и повторяемости результатов измерений при проведении исследований в средах, где может происходить сильное обрастание за счет осаждения грязи, масла и т.д.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет отсутствия в устройстве гальванического контакта между электродами и исследуемым раствором, кроме того, точность и повторяемость результатов измерений повышаются при проведении исследований в средах, где может происходить сильное обрастание за счет осаждения грязи, масла и т.д., одновременно упрощается процесс проведения разборки и очистки ячейки в процессе эксплуатации, а также расширение области применимости ячейки за счет получения возможности проведения исследований в средах, где может происходить сильное обрастание за счет осаждения.
Технический результат достигается тем, что ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, содержащая открытый диэлектрический сосуд прямоугольного сечения для исследуемой жидкости, выполненный из изоляционного материала снабженный как минимум двумя измерительными электродами, ограничивающими заполненный жидкостью измерительный участок (канал), согласно изобретению дополнительно снабжена герметичной крышкой, выполненной из изоляционного материала, упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской спирали Архимеда, имеющей одинаковое сечение по всей длине канала, а электроды изолированы от исследуемой жидкости слоем диэлектрика с образованием б.
Технический результат может быть достигнут и тем, что упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской квадратной спирали.
Технический результат может быть достигнут и тем, что упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской прямоугольной спирали.
Технический результат может быть достигнут и тем, что упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской гексагональной спирали.
Технический результат может быть достигнут также и тем, что упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской тетрагональной спирали.
На фиг.1 представлен общий вид ячейки для измерения электрической проводимости жидкости, выполненной в форме плоской спирали Архимеда.
На фиг.2 представлен общий вид ячейки для измерения электрической проводимости жидкости, выполненной в форме плоской квадратной спирали.
На рисунке 3 представлена электрическая схема ячейки, включенной в состав параллельного колебательного контура.
На рисунке 4 представлена электрическая схема ячейки, включенной в состав последовательного колебательного контура.
На рисунке 5 представлены резонансные кривые для различных значений добротности ячейки Q.
На рисунке 6 представлены: а) ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, выполненная в форме плоской гексагональной спирали;
б) ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, выполненная в форме плоской октагональной спирали.
Ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, (фиг.1, 2) содержит плоское диэлектрическое основание 1, в толще которого выполнен открытый диэлектрический сосуд 2 прямоугольного сечения для исследуемой жидкости, выполненный из изоляционного материала. Сосуд снабжен как минимум двумя измерительными электродами 3, установленными на входном и выходном патрубках 4 ячейки. Электроды 3 ограничивают заполненный жидкостью измерительный участок (канал). Упомянутый измерительный участок (канал) выполнен в форме плоской спирали Архимеда, имеющей одинаковое сечение по всей длине канала, а электроды 3 изолированы от исследуемой жидкости слоем диэлектрика. Ячейка снабжена герметичной крышкой 5, выполненной из изоляционного материала, которая не позволяет жидкости не только выливаться из ячейки, но и переливаться из пространства одного витка спирали в пространство другого витка поверх разделяющей их стенки сосуда. На фиг.3, 4 представлена ячейка 6, включенная в состав параллельного и последовательного колебательного контура.
Ячейка для измерения электрической проводимости жидкости может быть выполнена также в форме плоской гексагональной спирали (рис.6а) или в форме плоской октагональной спирали (рис.6б).
Предлагаемая ячейка для измерения электрической проводимости жидкости, работает следующим образом. Полное сопротивление ячейки, выполненной в виде плоской спирали (сопротивление между контактами 3), имеет значительную индуктивную составляющую. Для измерения электрической проводимости ячейки чаще всего используются резонансные методы [Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений. - М.: Машиностроение, 1979. - 256 с.]
Ячейка включается в измерительную схему, представляющую собой последовательный или параллельный колебательный контур (рис.3-4). Для проведения измерений диэлектрической проницаемости жидкости с помощью предлагаемой ячейки необходимо дополнительно иметь перестраиваемый по частоте генератор колебаний, измеритель частоты и регистрирующую аппаратуру. Вещественную часть диэлектрической проницаемости обычно определяют но изменению резонансной частоты колебательного контура, а мнимую часть - по изменению его добротности.
Форма резонансных кривых для различных величин добротности Q показана на рис.5. Добротность Q радиотехнического колебательного контура с включенной в него ячейкой обратно пропорциональна активным потерям в нем. Конструкция измерительной ячейки предусматривает прохождение силовых линий электромагнитного ноля колебательного контура через анализируемую среду, поэтому потери в контуре зависят от электрической проводимости исследуемой среды. Исследование зависимости добротности колебательного контура от удельной электрической проводимости исследуемой среды, заполняющей ячейку, то есть определение постоянной ячейки, проводится на нервом этане, перед вводом ячейки в эксплуатацию.
Проградуировав предварительно измерительную ячейку по жидкостям с известной диэлектрической проницаемостью, можно по резонансным кривым определить диэлектрическую проницаемость исследуемой жидкости.
Преимуществами предлагаемой ячейки для измерения электрической проводимости жидкости, являются повышение точности и информативности измерений с одновременным расширением области применения устройства.
Повышение точности измерений электрической проводимости жидкости достигается за счет того, что отсутствует гальванический контакт между электродами и исследуемым раствором, который вызывает возникновение сложных электрохимических явлений электродной поляризации и сопровождается значительными погрешностями при измерениях. По нашим оценкам, точность повышается примерно с 10% до 2-3%.
Расширение информативности и области применения достигается за счет того, что предлагаемая ячейка позволяет изучать в слабых вихревых электрических полях плоских катушек низкочастотные поляризационные процессы в жидкостях, не искаженные токами проводимости, а также может использоваться в средах, где может происходить сильное обрастание за счет осаждения грязи, масла, жира, гипса или извести. Конструкция ячейки позволяет производить регулярную профилактическую очистку ее рабочего объема от нарастаний, приводящих к сужению рабочего капала ячейки и изменению ее сопротивления.