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

Изобретение относится к области кондуктометрии и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости жидкости (воды и других электролитов) при физико-химических исследованиях, в том числе и при автоматизированном контроле технологических процессов.
Известны контактные датчики удельной электрической проводимости жидкости, описанные в книге Степанюк И.Л. Океанологические измерительные преобразователи. - Л.: Гидрометсоиздат, 1986, с.89-101.
Простейшие из них - двухэлектродные датчики удельной проводимости (с.90 упомянутой книги), а также датчики серийных приборов, например анализатора кондуктометрического промышленного АКП. В первом случае электроды выполнены в виде дисков, закрепленных напротив друг друга на торцах опорного элемента, выполненного в виде трубчатого корпуса из изоляционного материала. Во втором случае электроды выполнены в виде колец, закрепленных на поверхности опорного элемента в виде цилиндра, размещенного в трубчатом корпусе (опорный элемент и трубчатый корпус выполнены из изоляционного материала). Двухэлектродные датчики отличает значительная погрешность, обусловленная эффектом поляризации двойных слоев жидкости у электродов, нелинейной зависимостью градуировочной характеристики, наличием токов утечки, протекающих между электродами за пределами расчетной области, и постепенным загрязнением электродов продуктами коррозии или иными компонентами, переносимыми потоком жидкости. При этом скорость загрязнения электродов падает с увеличением скорости потока.
Турбулентность жидкости в межэлектродном пространстве и особенно возможное появление кавитационных пузырьков в ней может сказаться па результате измерений. При многолетней эксплуатации датчика геометрию его межэлектродного пространства могут исказить механические воздействия жидкости на электроды. Возможные искажения не могут быть обнаружены непосредственно в процессе эксплуатации, поэтому достоверность результатов измерений, то есть уверенность в том, что погрешность датчика находится в допустимых пределах, существенно уменьшается.
Комплексное сопротивление двойных слоев определяется состоянием поверхности электродов, составом жидкости, силой и частотой пропускаемого тока и т.д. Ток утечки во многих случаях зависит от глубины погружения датчика относительно поверхности жидкости и от наличия вблизи датчика объектов с высокой электрической проводимостью.
В настоящее время особую актуальность приобрела задача увеличения интервала между операциями обслуживания датчиков до 10 и более лет. В рамках решения этой задачи для уменьшения составляющих погрешности, связанных с загрязнением электродов, нередко используют датчики, содержащие четыре электрода, размещенные в непроводящем корпусе, сообщающемся с внешней средой (см. упомянутую книгу И.Л.Степанюка с.97-101). Электроды обычно выполняют в виде проводящих колец, жестко скрепленных с опорным элементом, выполненным, например, в виде непроводящей втулки, размещенной соосно с осью трубчатого корпуса. Два электрода (возбуждающих) подключают к источнику электрического тока, ток возбуждения поддерживают неизменным, а между возбуждающими электродами устанавливают два измерительных электрода, с которых снимают напряжение, несущее измерительную информацию об удельной электрической проводимости жидкости, заполняющей пространство.
Жидкость, поступающая в датчик, обычно испытывает заметное гидравлическое сопротивление, снижающее скорость прохождения жидкости в межэлектродном пространстве и, следовательно, увеличивающее скорость загрязнения электродов.
При этом некоторая часть тока, создаваемого источником электрического тока, - ток утечки - проходит от одного возбуждающего электрода к другому возбуждающему электроду не кратчайшим путем внутри корпуса, а через пространство, заполненное жидкостью за его пределами. Значение тока утечки может изменяться в процессе эксплуатации, что увеличивает погрешность измерений и тем самым уменьшает их достоверность.
Известен также контактный датчик удельной электрической проводимости жидкости (ЕР 1621876, кл. G01N 27/06, G01N 27/07, 01.02.2006), который но совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемому датчику.
Известный датчик содержит два возбуждающих электрода, два измерительных электрода и дополнительный электрод, установленные на опорном элементе. Опорный элемент с установленными на нем электродами размещен в непроводящем трубчатом корпусе. Возбуждающие электроды подключены к источнику электрического тока, а измерительные электроды подключены к измерителю напряжения. Дополнительный электрод подключен к тому же полюсу источника электрического тока, что и наиболее удаленный от него возбуждающий электрод.
1
2.
1
При погружении датчика в жидкость в зазоре между опорным элементом и трубчатым корпусом между возбуждающими электродами течет электрический ток I, а между дополнительным и смежным с ним возбуждающим электродом - электрический ток IПадение напряжения U, создаваемое током I на участке между измерительными электродами, пропорционально измеряемому значению удельной электрической проводимости исследуемой жидкости.
1
2
Поверхности дополнительного и электрически связанного с ним возбуждающего электрода являются эквипотенциальными, что практически полностью исключает наличие тока утечки через пространство, заполненное жидкостью за пределами трубчатого корпуса. Тем самым соотношение между токами I и I остается неизменным и, соответственно, результаты измерения становятся независимыми от глубины погружения датчика относительно поверхности жидкости и от наличия вблизи датчика объектов с хорошей электрической проводимостью, что увеличивает достоверность измерений.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного датчика, относится повышенное гидравлическое сопротивление зазора между опорным элементом и трубчатым корпусом, что приводит к уменьшению скорости протекания исследуемой жидкости через датчик. Соответственно увеличивается скорость загрязнения электродов, что не позволяет устранить влияние осадков на результат измерений. Это обстоятельство ограничивает длительность интервала между операциями очистки электродов, выполняемыми вручную. Кроме того, наличие дополнительного электрода существенно увеличивает общую длину датчика вдоль его оси.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности измерения удельной электрической проводимости жидкости, движущейся в трубопроводе, для обеспечения возможности многолетней эксплуатации датчика без какого-либо обслуживания.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в улучшении условий протекания жидкости через датчик, ограничении механического воздействия на него потока жидкости и снижении скорости загрязнения электродов при одновременном уменьшении влияния тока утечки между возбуждающими электродами без увеличения геометрических размеров датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом контактом датчике удельной электрической проводимости жидкости, включающем опорный элемент и установленные на нем возбуждающие и измерительные электроды, в отличие от известного контактного датчика, электроды установлены 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. Технический результат возрастает по мере увеличения среднего расстояния между соседними парами относительно среднего расстояния между поверхностями электродов в парах.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что опорный элемент выполнен в виде трубы, при этом все электроды установлены на внутренней поверхности опорного элемента.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что опорный элемент выполнен в виде стержня, при этом все электроды установлены на боковой поверхности опорного элемента.
На фиг.1 и 2 схематически изображен заявляемый контактный датчик, в котором опорный элемент выполнен в виде трубы (фиг.1 - поперечное сечение, фиг.2 - продольное сечение).
На фиг.3 и 4 схематически изображен заявляемый контактный датчик, в котором опорный элемент выполнен в виде стержня (фиг.3 - поперечное сечение, фиг.4 - продольное сечение).
Заявляемый датчик (фиг.1-4) включает два возбуждающих электрода 1 и 2, два измерительных электрода 3 и 4 и два дополнительных электрода 5 и 6. Все электроды установлены на опорном элементе 7 вдоль его образующей, которая, в свою очередь, ориентирована вдоль направления потока жидкости, текущей в трубопроводе. В варианте исполнения (фиг.1, 2) опорный элемент 7 выполнен в виде трубы, а электроды установлены на его внутренней поверхности. В варианте исполнения (фиг.3, 4) опорный элемент 7 выполнен в виде стержня, а электроды установлены на его боковой поверхности. При любом варианте исполнения опорный элемент может быть выполнен из непроводящего материала или изготовлен из металла, но в последнем случае электроды должны быть изолированы от него. При этом поверхность опорного элемента должна быть дополнительно покрыта изолирующим слоем.
Возбуждающий электрод 1 и измерительный электрод 3, возбуждающий электрод 2 и измерительный электрод 4, дополнительный электрод 5 и дополнительный электрод 6 образуют пары. Пары электродов характеризуются тем, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами. Возбуждающие электроды 1 и 2 подключены к источнику электрического тока 8, а измерительные электроды 3 и 4 подключены к измерителю напряжения 9. Измерительный электрод 3 электрически связан с дополнительным электродом 5, а измерительный электрод 4 - с дополнительным электродом 6.
Заявляемый контактный датчик работает следующим образом.
1
2
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, 5 и 6, 2 и 4, а меньшая часть - ток утечки I - течет непосредственно через промежуток между электродами 1 и 2. Соотношение между током возбуждения I и током утечки I обусловлено принятым в заявляемом датчике взаимным расположением электродов. Так как среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше, чем среднее расстояние между соседними парами (в частности, существенно меньше расстояния между электродами 1 и 2), то и электрическое сопротивление жидкости в зазоре между электродами пары будет меньше электрического сопротивления жидкости в промежутке между возбуждающими электродами 1 и 2. 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 в промежутке между этими электродами практически отсутствует. Аналогично отсутствует ток в промежутке между электродами 4 и 6, так как потенциал этих электродов одинаков.
1
1
Падение напряжения U, создаваемое током возбуждения I на участке между дополнительными электродами 5 и 6 (или, что практически то же, между электродами 3 и 4), измеряется измерителем напряжения 9. По значениям напряжения U и суммарного тока I, создаваемого источником электрического тока 8, определяется значение удельной электрической проводимости жидкости, в которой находится датчик. При этом предполагается, что некоторому значению суммарного тока I соответствует вполне определенное значение тока возбуждения I.
2
1
2
Влияние тока утечки I падает по мере увеличения отношения I/I. Это обеспечивается уменьшением электрического сопротивления жидкости в зазорах между парами электродов относительно электрического сопротивления жидкости в промежутке между возбуждающими электродами 1 и 2. Указанное соотношение, в свою очередь, улучшается по мере уменьшения среднего расстояния между поверхностями электродов в парах относительно среднего расстояния между соседними парами и - при варианте исполнения опорного элемента в виде стержня (фиг.3, 4) - достаточно большом удалении электродов от проводящих стенок трубопровода или проводящего корпуса датчика (при его наличии).
Влиянием неопределенности токов утечки зачастую можно 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 трубы, составляет не менее 5-10. В этом случае электрическое поле в датчике локализуется в основном в зазорах между электродами в парах.
Дальнейшего снижения токов утечки можно достигнуть, установив на стороне, противоположной паре электродов 5 и 6, между электродами 1 и 2 еще одну дополнительную пару электродов и подключив к этой паре напряжение возбуждения от отдельного источника напряжений, равное по амплитуде, но противофазное основному источнику возбуждения.
Электроды заявляемого датчика практически не препятствуют протеканию потока жидкости через датчик и, соответственно, не подвергаются механическим воздействиям потока жидкости. При этом скорость движения жидкости между электродами 1 и 3, 2 и 4, 5 и 6 можно существенно увеличить, а скорость загрязнения их поверхностей в межэлектродном пространстве соответственно уменьшить, установив между передними ребрами этих электродов под углом к ним дополнительные плоскости, обеспечивающие возрастание давления потока на жидкость, поступающую в межэлектродное пространство, то есть выполняющие функцию конфузора.
Снижение скорости потока и, соответственно, увеличение скорости загрязнения поверхностей электродов в нерабочих зонах между электродами 3 и 5 и 4 и 6 на метрологическую надежность датчика практически влияния не оказывает.
Совокупность этих свойств заявляемого контактного датчика позволяет существенно повысить достоверность измерений удельной электрической проводимости жидкости при многолетней эксплуатации без обслуживания.