УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
DEVICE FOR THE LIQUID MEDIA SPECIFIC ELECTRICAL CONDUCTIVITY MEASUREMENT

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде. Его можно использовать и в других областях.
Для высокоточного измерения удельной электропроводности морской воды в океанографии широко используются кондуктометры с контактными датчиками, число электродов в которых зависит от способов исключения поляризационных эффектов на электродах на результат измерения и формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки [A Guide to Conductivity measurement theory and practice of Conductivity Applications. www.tau.ac.il/XXchemlada/Fills/Conductivity_quick_EN%20(2).pdc]. [Лопатин Б.А. Кондуктометрия. - Новосибирск: Изд-во СА АН СССР, 1964. - 279 с].
Использование только двух токовых электродов в датчике не устраняет влияние поляризационных эффектов на результат измерения и не обеспечивает достижение высокой точности.
Использование четырех электродов, двух токовых (питающих) и двух потенциальных (измерительных), и режима работы с источником тока позволяет устранить влияние поляризационных эффектов на токовых электродах. Однако для формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки датчики выполняют из трубки с пятью (три токовых и два потенциальных) или семью (три токовых и четыре потенциальных) электродами, формирующими электронную пробку на торцах трубки [Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. - Л.: Гидрометиздат, 1986. - 272 с]. Конструкция датчика и измерителя усложняется и существенно ухудшается естественная промываемость датчика, что влияет на репрезентативность и, следовательно, на точность измерения в конкретной точке морской среды.
Наиболее просто задача замыкания электрического поля внутри измерительной ячейки решается при выполнении датчика в форме стакана так, как это предложено, например, в патенте [Патент РФ №2046361, 20.10.1995. Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред. Авторы: Веревкин В.И., Быстров В.А., Поляков С.Е.].
Это устройство содержит «диэлектрическую трубку с расположенными в ней дисковым и кольцевым электродами, диэлектрическую прокладку, расположенную вблизи от дискового электрода и образующую вместе с диэлектрической трубкой стакан, регистраторы тока и напряжения и источник питания».
Это устройство принято в качестве прототипа. Его недостатками для достижения высокой точности являются: влияние поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, плохая естественная промываемость при неподвижном состоянии в неподвижной среде, отсутствие коррекции зависимости геометрических размеров датчика от его температуры и внешнего гидростического давления.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, коррекции влияния температуры корпуса датчика и внешнего гидростатического давления на геометрические размеры датчика, улучшение промываемое™ внутреннего объема датчика.
Эта цель достигается тем, что в измеритель удельной электропроводности жидкости, содержащий источник тока, измеритель напряжения, датчик с твердым диэлектрическим корпусом в виде стакана и двумя токовыми электродами, изменена конструкция датчика установкой клинообразного в 45° диэлектрического вкладыша на дне стакана и выполнением первого токового электрода в виде полудиска на дне стакана и второго токового электрода в виде полукольца по кромке стакана, которые установлены в противоположных секторах окружности поперечного сечения стакана, и в него дополнительно введены два потенциальных точечных электрода, установленных на образующей внутренней стенки стакана на расстояниях от токовых электродов, не меньших диаметра стакана, распределенный резисторный датчик температуры стакана, встроенный в корпус стакана, магнитогидродинамический движитель жидкости из двух U-образных магнитопроводов с катушками намагничивания, первый из которых установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между первым токовым электродом и первым потенциальным электродом, второй магнитопровод установлен раскрывом в поперечном сечении стакана снаружи между вторым потенциальным электродом и вторым токовым электродом, измеритель сопротивления, подключенный по входу к выходам распределенного датчика температуры, источник питания электромагнитов, выходы которого поданы на входы катушек намагничивания, микропроцессор, соединенный входами-выходами с измерителем напряжения, измерителем сопротивления, источником питания электромагнитов, внешним выходом и с источником тока, который выполнен управляемым; причем удельная электропроводность аг жидкости определяется по формуле
где I - известное значение тока через токовые электроды, U - измеренное значение напряжения между потенциальными электродами, α - температурный коэффициент линейного расширения стакана при увеличении температуры на θ от нулевой, γ - коэффициент линейного сжатия измерительной базы стакана при увеличении внешнего давления на P от нулевого, K - «геометрическая константа» измерительной ячейки датчика при нулевых температуре и давлении.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема измерителя. На фиг. 2 показана схема формирования промывающего ячейку потока магнитогидродинамическим движителем (МГД).
Рассмотрим суть предложенного изобретения.
Для измерительной ячейки в форме цилиндра с внутренним диаметром d и длиной h образующей значение удельной электропроводности  определяется формулой
где I - ток через ячейку, U - напряжение на ее границах,
- «геометрическая константа» при начальной температуре (нулевой) корпуса датчика и внешнем давлении (нулевом).
При увеличении температуры на θ и давления на P изменяется h и d и, следовательно, K.
Если считать эти изменения независимыми и линейными с известными коэффициентами α и γ, то можем записать
Тогда для значения «геометрической константы» при конкретных температуре и давлении при подстановке выражений (3-6) в выражение (2) получим
Обычно в океанографии измеритель электропроводности входит в состав СТД-комплексов, которые дают информацию о температуре воды и гидростатическом давлении P в точке измерения, например, при зондировании по глубине. Из-за тепловой инерции корпуса датчика электропроводности (стакана) его температура не обязательно будет равна температуре воды, если последняя изменяется. Поэтому температуру стакана θ целесообразно контролировать встроенным распределенным резисторным датчиком температуры как и предлагается в данном устройстве. Информацию о гидростатическом давлении целесообразно заимствовать извне, из данных СТД-комплекса.
θ,P
Таким образом, при известных α, γ и измеренных значениях θ, P, I и U определяют текущую «геометрическую константу» K по формуле (6) и удельную электрическую проводимость жидкости по формуле
где G - электропроводность измерительной ячейки.
Структурно-функциональная схема измерителя удельной электропроводности жидких сред представлена на фиг. 1. В состав измерителя входят датчик элек-топроводимости (ДЭ)1, представленный в 2-х проекциях, управляемый источник тока (УИТ)2, измеритель напряжения (ИН)3, измеритель сопротивления (ИС)4, источник питания электромагнитов (ИПЭМ)5, микропроцессор (МП)6.
ДЭ1 служит для установления количественных соотношений между током и напряжением в измерительной ячейке в соответствии с законом Ома.
1
2
3
1
4
2
5
6
1
2
7
1
2
8
9
10
11
1
2
3
4
3
4
2
1
2
1
2
1
2
6
1
2
3
4
ДЭ1 состоит из твердотельного диэлектрического стакана 1, на дне которого в верхнем секторе установлен клинообразный диэлектрический вкладыш 1 и первый дисковый токовый электрод 1 (с выходом T) в нижнем секторе, второй токовый полукольцевой электрод 1 (с выходом T) установлен по кромке горловины стакана в верхнем секторе, по образующей цилиндра на внутренней стенке стакана на расстоянии h друг от друга и не менее d (для образования равномерного электрического поля) от токовых электродов установлены точечные потенциальные электроды 1 и 1 с выходами П и П. В корпус стакана встроен распределенный резисторный датчик температуры 1 с выходами С и С. К внешней поверхности стакана по вертикальной оси подведены башмаки U-образных магнитопроводов 1и 1 с катушками намагничивания 1 и 1, имеющими электрические выходы М, М и М, М. U-образные магнитопроводы предназначены для образования совместно с рабочим током I через токовые электроды 1 и 1 магнитогидродинамического движителя (МГД), за счет силы Лоренца обеспечивающего движение воды внутри стакана для принудительного его промывания. Диэлектрическая вставка 1, выполнение токовых электродов в виде полу диска (первого) и полукольца (второго) и установка их в разных секторах окружности сечения стакана необходимы для формирования направления линий электрического тока, нужного для МГД-движителя. Выходы токовых электродов Т и Т соединены с выходами управляемого источника тока 2, выходы потенциальных электродов T и T поданы на входы измерителя напряжения 3, выходы С и С распределенного датчика температуры 1 поданы на входы измерителя сопротивления 4, выходы обмоток электромагнитов М, М, М и М соединены с выходами ИПЭМ 5. Микропроцессор 6 служит для управления измерениями и первичной обработки данных и соединен по цифровым входам-выходам с УИТ 2, ИН 3, ИС 4 и ИПЭМ 5 и внешним выходом измерителя 7.
Приведенная структурно-функциональная схема и состав измерителя справедливы при работе его на постоянном, переменном и знакопеременном токе. Однако для облегчения борьбы с поляризацией токовых электродов, возможности изготовления электродов не из благородных металлов, исключение влияния емкостных составляющих в комплексном сопротивлении измерительной ячейки, целесообразно использовать такую схему включения 4-х электродной измерительной ячейки на знакопеременном токе с автоматической настройкой на активную составляющую сопротивления, которая предложена в патенте [Гайский В.А., Клименко А.В. Кондуктометр // Патент РФ №2312331, 30.06.2005. Опубл. 10.12.2007. Бюл. 34]. Описание реализации этого устройства приведено в работе [Гайский В.А., Клименко А.В., Греков А.Н., Васильев Д.М. Измеритель электропроводности жидкости // Системы контроля окружающей среды / Средства и мониторинг. Сб. науч. тр. МГИ НАНУ. - Севастополь. 2005, - С. 81-84].
4
5
Для избежания возникновения межэлектродного потенциала все электороды изготавливаются из одного устойчивого к коррозии в морской воде материала (платина, золото, нержавеющая сталь, тантал и др.). Потенциальные точечные электроды 1 и 1 с возможно меньшим диаметром (типа острия иглы) устанавливаются заподлицо с внутренней поверхностью стакана.
При использовании знакопеременного тока в работе измерителя управляемый генератор тока 2 имеет в своем составе коммутатор полярности на выходе, измеритель напряжения 3 содержит на входе коммутатор полярности, синфазированный с генератором тока, источник питания электромагнитов 5 также имеет синфазированный с источником тока коммутатор на выходе тока намагничивания для сохранения постоянства направления силы Лоренца в магнитогидродинамическом движителе (МГД), а, следовательно, и направления вынужденного движения жидкости [Общая физика. Электрические и магнитные явления // Справочное пособие / А.И. Ахиезер. - Киев: Наукова думка, 1981. - С. 358]. [https.//en.wikipedia.org/wiki//magnetohydrodynamics].
6
Во всех случаях измеритель напряжения 3 должен иметь максимально большое входное сопротивление, чтобы не шунтировать измерительную базу между потенциальными электродами. Встроенный в стакан распределенный датчик температуры 1 изготавливают из металлов с хорошей термочувствительностью (платины, меди или никеля) и обеспечивают контроль температуры по его сопротивлению, измеряемому с помощью ИС 4.
При измерениях непосредственно в среде с подвижного носителя измерителя (зонда или буксира) стакан датчика хорошо промывается потоком обтекания при соответствующей ориентации относительно потока. При позиционных постановках в неподвижной среде промываемость стакана датчика для обеспечения репрезентативности (и точности) измерений осуществляется с использованием МГД-движителя.
На фиг. 1 условно обозначены полюса N, S электромагнитов, показаны линии рабочего тока и направления векторов потоков  и , возникающие за счет силы Лоренца, направление которой определяется по правилу «правой руки».
Подробнее схема формирования промывающего потока в стакане МГД-движителем показана на фиг. 2, где сформированные установкой клинообразного 45° градусного вкладыша на дно стакана и расположением токовых электродов в противоположных секторах окружности сечения стакана электрическое поле с нужными отклонениями направления тока от оси цилиндра представлено на рис. 2а, схема наложения следов магнитных полей с направлением на линии тока показана на фиг. 2б, схема формирования потоков жидкости под воздействием силы Лоренца в МГД-движителе показана на фиг. 2в.
Таким образом, реализованный в стакане датчик за счет специально сформированного электрического поля и линий тока между токовыми электродами и добавленных электромагнитов двойной МГД-движитель порождает продольный вихрь внутри стакана, промывающий измерительную ячейку датчика.
Величина силы Лоренца (и скорость потока V) пропорциональна силе тока и величине магнитной индукции, необходимые значения которых должны быть обеспечены.
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. В среде измерения стакан датчика заполняется обновляемой жидкостью. Через токовые электроды по входам Т и Тв измерительную ячейку поступает контролируемый ток I, а на выходах П и П потенциальных электродов возникает напряжение U.
При измерениях на разнополярном токе вторичным измерительным преобразователем, который образован источником тока 2 и измерителем напряжения 3 под управлением микропроцессоров, реализуется выделение синфазных составляющих тока I и напряжения U, по которым определяется активная составляющая электропроводности G измерительной ячейки между потенциальными электродами по формуле
θ,Р
Далее для определения удельной электропродности жидкости необходимы градуировочные значения K и коэффициенты α и γ для «геометрической константы» K, которые входят в выражение (8).
0
0
0
0
При заданной  образцового раствора, известных θ и P, измеренных I и U из выражения (8) получим
где  К - «геометрическая константа» при начальной (нулевой) температуре и начальном (нулевом) давлении, зависящая только от параметров h и d измерительной ячейки.
Задачей градуировки является определение неизвестных K, α и γ.
Для упрощения процедуры не требуется специально стабилизировать температуру и давление, которые можно измерять при взятие отсчетов по четырем образцовым пробам жидкости , для которых в дополнение к выражению (10) справедливы выражения
Попарно поделим выражение (10) на выражения (11) и получим
Введем обозначение
Запишем
После преобразований получим систему линейных алгебраических уравнений вида
с неизвестными α, γ и αγ.
При решении системы (15) по правилу Крамера получим определитель системы
Для представляющих интерес неизвестных получим
- Значение K определим из уравнений (11) как среднее
θ,P
В рабочем режиме измеряются текущие G, θ и P и удельная электропроводность жидкости вычисляется по формуле (8), где K из формулы (7).
Таким образом, поставленная цель повышения точности за счет исключения влияния на результат измерения поляризационных эффектов на токовых электродах, обеспечения замкнутости электрического поля измерительной ячейки, обеспечения репрезентативности измерений в конкретной точке пространства и времени, коррекции изменения геометрических размеров измерительной ячейки от изменения температуры и внешнего давления, достигнута.