ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ ДАТЧИК
THREE-ELECTRODE SENSOR

Изобретение относится к области измерения электрофизических параметров жидкостей, а именно измерения электропроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь жидкостей, преимущественно электролитов в связи с изучением и контролем их состава и строения.
Трехэлектродные датчики, состоящие из двух потенциальных и охранных электродов, вошли в практику анализа и контроля этих параметров жидкостей.
-6
-12
Наиболее близким по своему техническому решению является трехэлектродный датчик ДП (Патент РФ №578603, 30.10. 1977, Бюллетень №40). В нем используются потенциальные электроды с развитыми поверхностями и сравнительно небольшими расстояниями между ними, что делает его пригодным для определения совокупности удельных параметров диэлектрических жидкостей, с проводимостью от 10 См/м до 10 См/м (ограниченной разрешающей способностью измерительного прибора по проводимости).
-5
Датчик не может использоваться для жидкостей (электролитов) с проводимостью более 10 См/м, что не позволяет определять в соответствии с патентом РФ №2383010, 27.02.10 «Способ определения рода жидкостей» характеристические электрофизические параметры органических и неорганических жидкостей, (преимущественно жидких электролитов) в электромагнитном поле с частотой колебаний от 25 Гц до 10 МГц.
x
fx
Техническим результатом при использовании заявленного устройства является повышение эксплуатационных качеств датчика, достижение возможности определения характеристической частоты колебаний жидкости F (Гц); характеристической активной электропроводности жидкости G (См/м), характеристической удельной электропроводности  (См/м), относительной диэлектрической проницаемости жидкости ε при различных частотах колебаний поля и температурах, повышение надежности и оперативности анализа и определения рода (и вида) жидкостей, с отбором и без отбора проб, дистанционно, путем погружения датчика в продукт в процессе производства, транспортировки и хранения.
-1
-6
Технический результат достигается тем, что в трехэлектродном датчике, содержащем два потенциальных электрода, экранированных третьим электродом, первый из потенциальных электродов имеет малую площадь и является основным, образующим рабочий объем датчика и его геометрическую постоянную в совокупности с межэлектродным расстоянием, а второй съемный потенциальный электрод является основным для организации однородности электромагнитного поля в рабочем объеме датчика в испытанных пределах активной удельной электропроводности жидкости от 10 См/м до 10 См/м.
Проведенный анализ позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». «Промышленная применимость» заявленного устройства обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть изготовлен трехэлектродный датчик.
Заявленное устройство поясняется чертежом,
где на фиг.1 показана принципиальная схема трехэлектродного датчика
Заявленное устройство реализуется следующим образом.
На фиг.1 схематически показан принципиальный вариант конструкции датчика. Датчик содержит неподвижный потенциальный электрод 1, обладающий по размеру малой площадью, соединяемый с измерительным прибором экранированным коаксиальным кабелем α; съемный потенциальный электрод 2, обладающий площадью больших размеров, могущий дискретно устанавливаться на различные расстояния от первого неподвижного потенциального электрода с учетом активной удельной электропроводности жидкости, в том числе жидкого электролита, с помощью металлической прокладки 4, задающей межэлектродный зазор; корпус 3, являющийся экранным электродом, служащий для размещения в нем и закрепления элементов конструкции; контактное металлическое кольцо 5, соединенное со съемным потенциальным электродом и измерительным прибором экранированным коаксиальным кабелем β; керамических колец 6 (4 шт.), служащих для изоляции; фланца 7, служащего для установки датчика в стационарных емкостях или трубопроводах.
Датчик работает в комплекте с измерителями иммитанса. В низкочастотной области его целесообразно использовать в комплекте с измерителем иммитанса Е7-20 (Е7-25), а на повышенных частотах до 10 МГц целесообразно использовать компьютеризированную систему КСА (Патент РФ №2209422, 2003 г.).
fx
x
Датчик приобретает необходимое состояние для осуществления процесса измерения всей совокупности электрофизических параметров, в том числе величин G, F,  и ε, когда активная составляющая электропроводности жидкости в рабочем объеме датчика является слагаемым двух сопоставимых величин. Одна из них обусловлена количеством движения в растворе «свободных» зарядов, образующих токи проводимости, а другая - количеством движения «связанных» зарядов, образующих токи смещения.
Такое состояние датчика достигается сочетанием размера площади неподвижного потенциального электрода и расстоянием между электродами.
Оптимальное решение имеет место, когда геометрическая постоянная рабочего объема датчика с воздухом равна
0
где С - электрическая емкость рабочего объема в вакууме (или в воздухе), пФ;
8,854 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, пФ/м.
Допускается отклонение от оптимального значения геометрической постоянной датчика, которое определяется по выражению (Патент РФ №1423950, 1988 г., Бюллетень №34):
0
1
2
К=К  /K (1/м),
1
где K - геометрическая постоянная датчика с исследуемой жидкостью:
1
Э
К=ε-8,854/С (1/м),
Э
С - эквивалентная электрическая емкость датчика с исследуемой жидкостью, пФ.
Удельная электропроводность  определяется из выражения
=K·G,
где G - измеренная проводимость датчика с жидкостью, См.
Диэлектрическая проницаемость определяется из выражения
0
ε=С/С,
где С - измеренная емкость датчика с исследуемым продуктом, пФ;
0
С - емкость датчика до введения жидкости (в вакууме или в воздухе), пФ.
-1
-6
Диапазон определения электрофизических параметров датчика составляет: диэлектрической проницаемости от 1 до 120 относительных единиц в диапазоне удельной электропроводимости от 10 до 10 См/м и менее (корректируется в соответствии с разрешающей способностью измерительного прибора).
Конструкция датчика позволяет обеспечить максимальное исключение токов утечки (паразитных потерь) на результат измерения, состоящего из двух видов активной электропроводности жидкости. Уменьшить паразитные потери можно за счет изоляции экранного электрода от гальванического контакта с анализируемой жидкостью. В другом варианте съемный потенциальный электрод может быть изолирован. А в нем можно очистить от изоляции поверхность, параллельную и равную поверхности неподвижного потенциального электрода или других размеров. Кроме того, имеется возможность простой смены прокладки 4, изменяющей межэлектродный зазор и, следовательно, геометрическую постоянную.
х
fx
Датчик может быть использован для определения указанных выше показателей - F(Гц), G(См/м),  (См/м) и ε жидкостей, обладающих любой удельной электропроводностью (от диэлектриков до электролитов) в электромагнитном поле с частотой от 1 кГц до 10 МГц. При этом исключается необходимость конструирования для проведения измерений серии датчиков.
Таким образом, в заявленном устройстве благодаря расширению возможностей прототипа обеспечивается повышение эксплуатационных качеств датчика, надежности и оперативности анализа и определения рода (и вида) жидкостей, с отбором и без отбора проб, дистанционно, путем погружения датчика в продукт в процессе производства, транспортировки и хранения.