КОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ
CONTACT SENSOR OF SPECIFIC ELECTRIC CONDUCTIVITY OF LIQUID

Изобретение относится к области измерительной техники, к области кондуктометрии, и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости жидкостей (воды и других электролитов) при физико-химических исследованиях, в том числе и при автоматизированном контроле технологических процессов. Изобретение относится к области контактной кондуктометрии и может быт использовано для измерения удельной электрической проводимости (УЭП) жидкости при контроле технологических процессов и при физико-химических исследованиях. Применение изобретения наиболее целесообразно в области автоматизированных промышленных измерений, особенно в оборудовании ответственного назначения, в котором калибровка или поверка применяемых в нем кондуктометров может быть проведена лишь через значительные интервалы времени или вообще невозможна.
Известны двухэлектродные датчики УЭП жидкости (см. Лопатин Б.А., Теоретические основы электрохимических методов анализа, М., Высшая школа, 1975, с. 105-106), в которых измерение УЭП основано на измерении электрического сопротивления R жидкости между двумя электродами, размещенными в кондуктометрической ячейке.
Двухэлектродным датчикам свойственны погрешности, обусловленные эффектами поляризации жидкости у электродов и загрязнением электродов продуктами коррозии или иными веществами, находящимися в жидкости, наличие токов утечки, протекающих между электродами через жидкость за пределами области ячейки, наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей (газовых пузырей), изменением геометрии ячейки в процессе эксплуатации. Величина этих погрешностей зависит от конструкции ячейки и условий ее эксплуатации. В промышленных условиях величину этих погрешностей очень затруднительно выявить и учесть при измерениях. Одним из способов повышения точности измерения является применение для измерений переменного тока, что существенно ослабляет влияние эффектов поляризации.
Другим способом уменьшения составляющих погрешностей, связанных с загрязнением электродов, является применение датчиков, использующих четырехэлектродный метод измерений. В этих датчиках два электрода, называемые возбуждающими, подключают к источнику электрической энергии - источнику питания ячейки, ток питания ячейки измеряют или поддерживают неизменным, а между возбуждающими электродами устанавливают два электрода, называемые измерительными, с которых снимают напряжение, несущее информацию об УЭП жидкости, заполняющей пространство ячейки.
В настоящее время особую актуальность приобрела задача увеличения интервала между операциями обслуживания кондуктометров до 10 и более лет. В рамках решения этой задачи для уменьшения составляющих погрешности, связанных с загрязнением электродов, часто используют четырехэлектродный метод измерений. Четырехэлектродные датчики менее чувствительны к загрязнению электродов продуктами коррозии или иными веществами, находящимися в жидкости.
Известен датчик УЭП (патент ЕР 1621876, кл. G01N 27/06, G01N 27/07, 01.02/2006), в котором использован четырехэлектродный метод измерения, но для исключения тока утечки добавлен дополнительный - пятый электрод, локализующий электрическое поле внутри ячейки. Все электроды датчика расположены на опорном элементе, который размещен в непроводящем трубчатом корпусе. Дополнительный электрод подключен к тому же полюсу источника питания ячейки, что и наиболее удаленный от него возбуждающий электрод. Поверхности дополнительного и электрически связанного с ним возбуждающего электрода являются эквипотенциальными, что практически полностью исключает тока утечки через пространство, заполненное жидкостью за пределами трубчатого корпуса.
Недостатком этого датчика является повышенное гидравлическое сопротивление зазора между опорным элементом и трубчатым корпусом, что приводит к уменьшению скорости протекания исследуемой жидкости через датчик. При этом увеличивается скорость загрязнения поверхности электродов, что приводит к появлению не учитываемой составляющей погрешности от их загрязнения. Кроме этого, в датчике сохраняются не учитываемые составляющие погрешности, обусловленные наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей, а наличие дополнительного электрода существенно увеличивает длину датчика вдоль его оси.
Известен также контактный датчик УЭП жидкости (патент РФ №2392613, кл G01N 27/06), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемому датчику.
Известный датчик включает опорный элемент и установленные на нем возбуждающие и измерительные электроды, установленные вдоль образующей опорного элемента попарно таким образом, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами, при этом каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару. Опорный элемент может быть выполнен, в частности, в виде трубы, в этом случае электроды расположены на внутренней поверхности опорного элемента, или в виде стержня, в этом случае электроды расположены на боковой поверхности опорного элемента. Датчик подключают к источнику питания ячейки и устройству контроля и обработки данных. Электроды известного датчика не создают значительного гидравлического сопротивления протекания жидкости через датчик, что не приводит к сильному загрязнению рабочих поверхностей электродов датчика. Одновременно достигается уменьшение тока утечки между электродами, так как поверхности электрически соединенных средних электродов пар и, соответственно, область жидкости между этими электродами являются эквипотенциальными, поэтому ток в промежутке между средними электродами отсутствует.
Недостатком является то, что заметно влияние на результат измерений наличие в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей и изменение геометрии ячейки. Кроме того, в известном датчике составляющая погрешности, связанная с загрязнением электродов, хотя и возрастает медленнее, чем в других аналогах, но при длительной эксплуатации ее величина по-прежнему остается неизвестной и может превысить допускаемые пределы.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности измерения УЭП жидкости непосредственно в процессе эксплуатации для обеспечения возможности многолетней эксплуатации датчика без какого-либо обслуживания.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в создании условий, при которых составляющие абсолютной погрешности, обусловленные загрязнением электродов, наличием объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки, в каждой ячейке нарастают практически одинаково, а их относительные значения нарастают различно, что позволяет непосредственно в процессе эксплуатации сформировать оценку результирующей погрешности датчика, учитывающую названные составляющие.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом контактном датчике возбуждающие и измерительные электроды установлены на опорном элементе перпендикулярно его оси, представляют собой круглые плоские диски, одинаковой площади, установленные попарно таким образом, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами, средние расстояния между поверхностями электродов в двух или более парах различаются между собой, диски закреплены на опорном элементе, выполненном в виде отрезка трубы из непроводящего материала, перпендикулярно оси опорного элемента, при этом, каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару, причем, датчик снабжен устройством контроля и обработки данных, содержащее устройство сравнения, формирующее сигнал, зависящий от изменения отношения значений УЭП, измеренных в межэлектродных промежутках упомянутых пар.
Технический результат возрастает по мере увеличения различия среднего расстояния между поверхностями электродов в парах.
На фиг. 1 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов, представляющие собой круглые плоские диски одинаковой площади, закрепленные на наружной поверхности опорного элемента перпендикулярно его оси, опорный элемент выполнен из непроводящего материала в виде отрезка трубы.
На фиг. 2 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий три пары электродов, представляющие собой круглые плоские диски одинаковой площади, диски закреплены на наружной поверхности опорного элемента перпендикулярно его оси, опорный элемент выполнен из непроводящего материала в виде отрезка трубы.
При любом варианте исполнения опорный элемент должен быть выполнен из непроводящего материала или изготовлен из металла, но в этом случае электроды должны быть изолированы от него. При этом поверхность опорного элемента должна быть дополнительно покрыта изолирующим слоем.
Заявляемый датчик с двумя парами электродов (фиг. 1) включает два возбуждающих электрода 1 и 2 и два измерительных электрода 3 и 4. Все электроды установлены на наружной поверхности опорного элемента 7 перпендикулярно его оси, опорный элемент представляет собой отрезок трубы, изготовленной из непроводящего материала.
13
24
Пары электродов в датчике, включающем две пары электродов (фиг. 1), характеризуются тем, что средние расстояния l и l между поверхностями электродов в парах различаются между собой, а также меньше среднего расстояния между парами электродов. Возбуждающие электроды 1 и 2 первой и второй пары электродов подключены к источнику питания ячейки 8 и к устройству контроля и обработки данных 9. Измерительные электроды 3 и 4 первой и второй пары электродов электрически соединены друг с другом и с устройством контроля и обработки данных 9. Устройство контроля и обработки данных 9 снабжено устройством сравнения 10.
Заявляемый датчик с тремя парами электродов (фиг. 2) содержит два возбуждающих электрода 1 и 2, два измерительных электрода 3 и 4 и два дополнительных электрода 5 и 6. Все электроды установлены на наружной поверхности опорного элемента 7 перпендикулярно его оси, опорный элемент представляет собой отрезок трубы, изготовленной из непроводящего материала.
Возбуждающий электрод 1 и измерительный электрод 3, возбуждающий электрод 2 и измерительный электрод 4, дополнительный электрод 5 и дополнительный электрод 6 образуют пары.
13
24
56
Пары электродов в датчике, включающем три пары электродов (фиг. 2), характеризуются тем, что средние расстояния l, l и l между поверхностями электродов в парах различаются между собой, а также тем, что эти средние расстояния меньше среднего расстояния между парами электродов. Возбуждающие электроды 1 и 2 первой и третьей пары электродов подключены к источнику питания ячейки 8 и к устройству контроля и обработки данных 9. Измерительные электроды 3 и 4 первой и второй пары электродов и измерительные электроды 5 и 6 третьей пары электродов электрически соединены друг с другом и с устройством контроля и обработки данных 9.
Устройство контроля и обработки данных 9 снабжено устройством сравнения 10.
Заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов (фиг. 1), работает следующим образом:
13
24
13
24
при погружении датчика в исследуемую жидкость между электродами 1 и 3 первой пары электродов течет электрический ток I. Так как электроды 3 и 4 электрически соединены друг с другом, то этот же ток течет между электродами 2 и 4 второй пары электродов. Значение тока I поддерживается постоянным и считается известным или измеряется. При протекании тока I между электродами 1 и 3 первой пары электродов возникает напряжение U, а между электродами 2 и 4 второй пары электродов возникает напряжение U. Напряжения U и U поступают на вход устройства контроля и обработки данных 9.
Устройство контроля и обработки данных 9 снабжено устройством сравнения 10. Заявляемый контактный датчик, включающий три пары электродов (фиг. 2), работает следующим образом:
1
2
2
1
При погружении датчика в исследуемую жидкость между возбуждающими электродами 1 и 2 течет суммарный электрический ток I. Большая часть этого тока - ток возбуждения I - течет последовательно через зазоры между парами электродов 1 и 3, 2 и 4, 5 и 6, а меньшая часть - ток утечки I - течет непосредственно через промежуток между парами электродов 1 и 2. Так как среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше, чем среднее расстояние между соседними парами, то и электрическое сопротивление жидкости в зазоре между электродами пары будет меньше электрического сопротивления жидкости в промежутке между соседними парами. Поэтому ток утечки I меньше тока возбуждения I.
Так как электроды 3 и 5 электрически связаны, то их поверхности и прилегающие к ним области жидкости являются эквипотенциальными, и ток утечки в промежутке между этими электродами практически отсутствует. Аналогично отсутствует ток утечки в промежутке между электродами 4 и 6, так как потенциал этих электродов одинаков.
15
26
56
При протекании между электродами электрического тока возникают также соответствующие напряжения U, U, U, которые поступают на вход устройства контроля и обработки данных 9.
Влиянием тока утечки можно зачастую пренебречь, если отношение среднего расстояния между поверхностями электродов в парах относительно среднего расстояния между соседними парами, а также между электродами и сторонней проводящей поверхностью, например, стенкой реактора, составляет не менее 5-10. В этом случае электрическое поле в датчике локализуется в основном в зазорах между электродами в парах. Электроды заявляемого датчика практически не препятствуют протеканию потока жидкости через датчик и, соответственно, не подвергаются механическим воздействиям потока жидкости. В конструкции датчика нет застойных зон, тормозящих поток жидкости, поэтому опасность загрязнения поверхностей электродов сведена к минимуму.
Совокупность этих свойств заявляемого контактного датчика позволяет существенно повысить достоверность измерений удельной электрической проводимости жидкости при многолетней эксплуатации без обслуживания.
Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.