ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ С НИЗКОЙ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ
ELECTRICAL CONDUCTIVITY SENSOR MEASURING AGAINST DIRECT CURRENT OF LIQUID SUBSTANCES WITH LOW SPECIFIC ELECTRICAL CONDUCTIVITY

Изобретение относится к физическим исследованиям материалов методом электропроводности и может найти применение в физике, химии, медицине, биологии и других областях естественных наук, где необходимо получить информацию о состоянии, строении и химическом составе объекта исследования по измерению удельной электропроводности.
Известен датчик [1], содержащий керамический корпус с каналами для выводов и измерительной полостью, двумя токовыми электродами, тремя потенциальными зондами, соединенными с измерительной полостью. Керамический корпус выполнен открытым снизу. Между верхним торцом и измерительной полостью керамического корпуса расположен канал для продувания полости инертным газом (пятиэлектродная схема).
Недостатком этого устройства является ограничение измеряемых величин электропроводности снизу. Действительно, с уменьшением удельной электропроводности исследуемой жидкости при фиксированном токе в цепи величину разности потенциалов между двумя токовыми электродами необходимо увеличивать. Однако возможности увеличения разности потенциалов ограничены эффектами поляризации и пробойными эффектами. Следствием уменьшения удельной электропроводности при фиксированном напряжении между двумя токовыми электродами является уменьшение силы тока в цепи. Это при прочих равных условиях (например, при неизменных входных сопротивлениях потенциометров, регистрирующих одновременно три разности потенциалов между тремя потенциальными зондами) приводит к потери точности измерений.
Известно устройство [2] для измерения удельной электропроводности, которое выполнено в виде диэлектрической трубки с токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых токовые и один из измерительных электродов расположены внутри трубки, содержит амперметр, регистраторы, дополнительно содержит переменный резистор, подключенный через амперметр к незаземленным токовым электродам, выполненным в виде дисков, разделенных друг от друга изоляционной прокладкой, при этом наружные электроды, подключенные к первому регистратору, расположены соответственно над внутренним измерительным электродом и ближайшим к нему токовым электродом, которые подключены к второму регистратору (четырехэлектродная схема).
Недостатком этого устройства является ограничение измеряемых величин электропроводности снизу. С уменьшением удельной электропроводности исследуемой жидкости точность измерения и, следовательно, воспроизводимость результатов измерений понижаются. Влияние на точность измерения путем активного вмешательства в процесс измерения - за счет увеличения разности потенциалов между токовыми электродами - ограничено эффектами поляризации и пробойными эффектами. Кроме того, реализация измерений таким устройством усложнена необходимостью специальной регулировки силы тока между токовыми электродами до совпадения плотностей тока снаружи и внутри трубки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее диэлектрическую трубку с расположенными в ней дисковым и кольцевым электродами, диэлектрическую прокладку, расположенную вблизи от дискового электрода и образующую вместе с диэлектрической трубкой стакан, регистратор напряжения, включенный между дисковым и кольцевым электродами, подключенные к дисковому электроду и последовательно соединенные регистратор тока и переменный резистор, отличающееся тем, что дно стакана, представляющее собой диэлектрическую прокладку, выполнено твердым и из того же диэлектрического материала и той же толщины, что и трубка, а в качестве источника питания для измерения использован источник питания технологического процесса, к выходу которого подключен второй вывод переменного резистора [3] (трехэлектродная схема).
В этом устройстве используются сторонние источники токов, протекающих по жидкости во время технологического процесса, например при электрошлаковом переплаве, при электрошлаковой наплавке, сварке и т.п. Проведение измерений электропроводности с помощью такого устройства возможно только во время такого технологического процесса, что является существенным недостатком. В устройстве реализована, с формальной точки зрения, четырехэлектродная схема. Дисковый электрод выполняет одновременно две функции - токового электрода и потенциального зонда. Кольцевой электрод - второй потенциальный зонд. Второй токовый электрод виртуальный, его роль выполняет жидкость в плоскости среза открытого конца трубки. Следовательно, по причинам, аналогичным указанным для рассмотренных выше известных устройств, возможности данного устройства по измерению электропроводности также ограничены снизу.
Цель изобретения - создание устройства для измерения удельной электропроводности по постоянному току жидких веществ с низкой удельной электропроводностью, в том числе в вязких растворах и расплавах, и повышение точности определения электропроводности.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства.
0
0
0
0
1
0
1
Устройство содержит два электрода 1 и 2, диэлектрическую прокладку 3 и два разъема 4 и 5 (не показаны), к которым можно подключить прибор для измерения омического сопротивления по постоянному току; электрод 1 выполнен в виде цилиндра 6 радиуса R и высоты h с N круглыми цилиндрическими сквозными отверстиями 7 радиуса R, оси симметрии отверстий 7 параллельны оси вращения цилиндра 6; электрод 2 выполнен в виде N круглых цилиндрических штырей 8 радиуса r (r<R) и длины h, жестко закрепленных на цилиндрическом основании 9 радиуса R ортогонально торцевой поверхности основания 9, так чтобы пространственное расположение осей симметрии штырей 8 относительно оси вращения основания 9 электрода 2 было таким же, как и пространственное расположение отверстий 7 относительно оси вращения цилиндра 6 электрода 1; диэлектрическая прокладка 3 выполнена в виде цилиндра 10 радиуса R и высоты h с N цилиндрическими сквозными отверстиями 11 радиуса r, оси симметрии отверстий 11 параллельны оси вращения цилиндра 10, а их пространственное расположение относительно оси вращения цилиндра 10 такое же, как и пространственное расположение отверстий 7 относительно оси вращения цилиндра 6 электрода 1; длина штырей 8 электрода 2 не должна превышать суммарной длины цилиндра 6 электрода 1 и цилиндра 10 диэлектрической прокладки: 3-h≤h+h; в цилиндре 6 электрода 1, в основании 9 электрода 2 и в цилиндре 10 диэлектрической прокладки 3 имеются технологические отверстия (не показаны) для обеспечения циркуляции исследуемой жидкости внутри датчика. Электроды 1 и 2 могут быть выполнены полностью из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. В этом случае электрод 1 подключен к разъему 4, а электрод 2 - к разъему 5. При значительной температуре изучаемой среды материал электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью. Например, при низких агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12Х18Н9Т, а при высокой агрессивности и температуре среды - из платины, карбида кремния. Возможно исполнение, когда только стенки отверстий 7 цилиндра 6 электрода 1 и боковые поверхности штырей 8 электрода 2 выполнены из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации, например из платины. В последнем случае все проводящие поверхности электрода 1 соединены между собой шиной со стороны крепления электрода 1 к диэлектрической прокладке 3, выполненной из материала с высокой электропроводностью и подключенной на разъем 4, а все проводящие поверхности электрода 2 соединены между собой шиной со стороны крепления штырей 8 к основанию 9 электрода 2, выполненной из материала с высокой электропроводностью и подключенной на выходной разъем 5. Изоляционная прокладка 3 выполняется из материала с низкой электропроводностью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При высокой температуре среды материал изоляционной прокладки должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью. Например, при низких агрессивности и температуре жидкой среды изоляционная прокладка может быть выполнена из эбонита, полихлорвинила, фторпласта, при высокой агрессивности и температуре - из фарфора, кварца, спеченного алунда.
Устройство - датчик для измерения электропроводности по постоянному току жидких веществ с низкой удельной электропроводностью - работает следующим образом.
Устройство (датчик) погружают в исследуемое жидкое вещество. Датчик заполняется жидкостью. Объем жидкости строго фиксирован и зависит от геометрических размеров датчика. Измеряют, используя один из известных методов, X - омическое сопротивление по постоянному току между разъемами 4 и 5 - сопротивление, вносимое датчиком с исследуемым жидким веществом.
Удельную электропроводность σ исследуемого жидкого вещества определяют по формуле
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>Χ</mi></mfrac><mfrac><mi>k</mi><mrow><mi>π</mi><mi>Ν</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>h</mi><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
где k - постоянная датчика, которая определяется при калибровке.
-9
-2
-2
-1
-2
1
Оценим величину Х для рафинированного подсолнечного масла, имеющего удельную электропроводность порядка 1,8.10 См/м. Конструктивные параметры датчика будем полагать равными: N=10; R=12 мм = 1,2·10 м; r=10 мм = 1,0·10 м; h=80 мм = 8,0·10 м; h=10 мм = 1,0·10 м; k=1.
<mrow />
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Χ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>σ</mi></mfrac><mfrac><mi>k</mi><mrow><mi>π</mi><mi>N</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>h</mi><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1,8</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>1,2</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1,0</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>1,2</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mn>1,0</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>8,0</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1,0</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>≈</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>≈</mo><mn>2,3</mn><mo>⋅</mo><msup><mn>10</mn><mn>7</mn></msup><mtext> </mtext><mi>О</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mn>23</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>О</mi><mi>м</mi><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
-7
-6
2
При разности потенциалов между разъемами 4 и 5 порядка 2,5 В величина тока в цепи будет примерно 0,1 µA = 10 A, а плотность тока между электродами 1 и 2 порядка 2,25·10 А/м. При таких малых значениях плотности тока поляризационные процессы малозначительны и существенно не влияют на результаты измерения удельной электропроводности исследуемого жидкого вещества.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 1538148, кл. G01R 27/22, 1987.
2. Авторское свидетельство СССР № 1684724, кл. G01R 27/22, 1989.
3. Патент РФ № 2046361, кл. G01R 27/22, G01N 27/07, 1992.