УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В ЛОКАЛЬНЫХ ОБЪЕМАХ ТВЕРДЫХ СРЕД
DEVICE TO MEASURE DENSITY OF CURRENT IN LOCAL VOLUMES OF SOLID MEDIA

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения плотности тока в локальных объемах твердых электропроводных сред с любым направлением тока.
Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред и измерения плотности тока в локальных объемах жидких растворов и расплавов, содержащее датчик в виде диэлектрической трубки, установленных внутри нее двух дискообразных токовых электродов, разделенных изолирующей прокладкой, три кольцеобразных измерительных электрода один внутри трубки и два снаружи - напротив внутреннего кольцеобразного и ближайшего к нему токового электрода, регистратор тока и переменный резистор, последовательно включенные между токовыми электродами, два однотипных регистратора напряжения, включенных соответственно между наружными электродами и между напротив них расположенными внутренними электродами [1]. Устройство может быть использовано как для измерения удельной электропроводности жидких сред, так и плотности тока в них. При измерении плотности тока трубку устанавливают в исследуемом локальном объеме жидкой среды и поворачивают таким образом, чтобы ее продольная ось располагалась в направлении эквитоковых линий, при этом регистратор напряжения, включенный между наружными электродами, показывает максимальное значение. В найденном положении датчика изменением сопротивления переменного резистора устанавливают показания регистраторов напряжения одинаковыми. По показаниям регистратора тока с учетом известного сечения трубки находят плотность тока.
Для использования указанного устройства при решении задачи измерения плотности тока в локальных объемах твердых электропроводных сред помещение датчика устройства внутрь твердого тела, поворот и ориентация трубки вдоль эквитоковых линий оказывается невозможной, что исключает использование устройства при измерениях в твердых средах. Повышенные размеры датчика дополнительно обременяют решение задачи измерения тока в локальных объемах твердых тел.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения плотности тока в жидких средах, содержащее три одинаковых измерительных элемента [2]. Каждый из них содержит диэлектрическую трубку с расположенными в ней двумя токовыми дискообразными электродами, разделенными диэлектрической прокладкой, и регистратор тока, включенный между токовыми электродами. При этом диэлектрические прокладки выполнены пластинчатыми, а токовые электроды расположены заподлицо с торцами трубок. Диэлектрические трубки измерительных элементов устройства жестко закреплены одна относительно другой в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью неэлектропроводного каркаса.
Технический результат изобретения устройства для измерения плотности тока в локальных объемах твердых сред обеспечивает расширение технологических возможностей, повышение точности и упрощение процедуры измерения плотности тока в локальных объемах твердых сред: упрощение подготовительных операций за счет использования простой и надежной операции сверления не только на сверлильных станках, но и разнообразными переносными дрелями: это позволяет производить измерения не только в лабораторных условиях, но и для большинства действующих объектов по месту их установки; применение в качестве трубки типового, простого в изготовлении, дешевого, широко распространенного строительного элемента - дюбеля; простота и технологичность изготовления датчика устройства; простая техника подготовки и проведения измерения, высокая точность измерения за счет снижения размеров датчика, помещаемого в измерительное пространство твердой электропроводной среды.
Существо изобретения заключается в том, что устройство для измерения плотности тока в локальных объемах твердых сред, содержащее регистратор тока, включенный между двумя токовыми электродами, разделеннымидиэлектрической прокладкой, расположенной заподлицо с диэлектрической трубкой, жестко закрепленной с помощью каркаса, дополнительно содержит вторую диэлектрическую прокладку, токовые электроды являются тонкой обечайкой, прикрепленной снаружи к нижней цилиндрической части толстостенной пластичной трубки-дюбеля и разрезанной вместе с нижней частью трубки-дюбеля по оси симметрии, в разрез с двух сторон по внутренней стороне - заподлицо с трубкой, а по наружной - заподлицо с образовавшимися токовыми электродами вставлены пластичные диэлектрические прокладки, трубка-дюбель скользящей посадкой размещена в отверстии, предварительно просверленном в твердой среде через место измерения перпендикулярно вектору тока, а функцию каркаса выполняет шуруп, предварительно вворачиваемый в диэлектрическую трубку и распирающий ее в отверстии, кроме того, устройство может дополнительно содержать поворотный рычаг-указатель, укрепленный на верхней части диэлектрической трубки-дюбеля перпендикулярно ее разрезу.
Плотность тока находится по формуле:
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mi>I</mi><mo>/</mo><mi>S</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>А</mi><mo>/</mo><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext>                                                 (1)</mtext></mrow>
где I - сила тока по показаниям регистратора тока, А;
2
S=h×d - площадь центрального сечения отверстия, м;
h - расстояние от нижней кромки токовых электродов:
- до верхней кромки токовых электродов при полном погружении электродов в токоведущую твердую среду, м;
- до верхней кромки токоведущей твердой среды при частичном погружении электродов в токоведущую твердую среду, м;
d - диаметр отверстия, м.
Следовательно, датчик устройства состоит из поворотной бухты, представляющей собой пластичную толстостенную трубку-дюбель, поверх наружной цилиндрической поверхности которой закреплены согнутые полуобечайкой тонколистовые токовые электроды. Нижняя часть трубки-дюбеля разрезана по оси симметрии, и в нее заподлицо с внутренней цилиндрической поверхностью трубки-дюбеля и наружной поверхностью токовых электродов вставлены диэлектрические прокладки. Электроды соединены между собой регистратором тока и выполнены из фольги либо из пластин толщиной 0,05-1 мм. Пластинчатая прокладка имеет толщину 0,5-1 мм.
В локальном месте токопроводящей твердой среды (например, в стальной пластине, по которой растекается электрический ток), в котором необходимо измерить плотность тока, сверлится отверстие диаметром 5-10 мм. Отверстие обеспечивает свободное скольжение и поворот бухты. Например, в пластине отверстие сверлится от ближайшей к исследуемому локальному объему поверхности и проходит через него так, чтобы центр локального объема находился по оси симметрии трубки-дюбеля на расстоянии h/2 от нижней кромки токового электрода. Бухта устанавливается в отверстие. Через каждый токовый электрод проходит электрический ток, фиксируемый регистратором тока.
При повороте бухты устройства меняется сила тока, протекающего от одного токового электрода через регистратор тока ко второму токовому электроду. Полностью ток будет проходить через регистратор тока при условии, что диэлектрические прокладки встанут перпендикулярно вектору тока. В противном случае между токовыми электродами будет протекать только часть тока. Ошибка измерения возрастает и достигает максимума при направлении диэлектрических прокладок вдоль вектора тока, протекающего через измеряемый локальный объем. В этом случае между токовыми электродами ток не будет протекать вообще.
В отличие от прототипа, где форма токовых электродов плоская, в предложенном устройстве электроды выполнены в форме полуобечаек. Это связано с технологическими особенностями получения отверстия в измеряемой твердой среде. Получение отверстия в форме утопленного диска, канавки со округлением по краям, параллелепипеда технологически многократно сложнее, чем цилиндрического. Их создают фрезерованием, долблением на специализированных редко используемых и дорогих станках, в то время как цилиндрические легко создаются обычным широко распространенным сверлением. Для этого можно использовать не только сверлильные станки, но и разнообразные переносные дрели. Это позволяет производить измерения не только в лабораторных условиях, но и для большинства действующих объектов по месту их установки.
2
Применение токовых электродов в форме полуобечаек вместо плоских не вносит существенных изменений в процесс измерения. Площадь активного сечения тока, участвующего в процессе измерения, равна S=h×d, м, где h - высота центрального сечения, участвующая в пропускании тока между электродами, м, d - диаметр отверстия, м. Эта площадь прямоугольника, по существу, равна ширине отверстия, захватываемого токовым электродом в процессе измерения, умноженной на высоту этого отверстия.
В подготовительный период измерения поворотом бухты добиваются максимизации фиксируемого тока. Затем в трубку-дюбель вворачивают шуруп, распирая ее и плотно прижимая токовые электроды к стенкам отверстия. Площадь контакта токовых электродов со стенкой отверстия возрастает до максимального при данном усилии прижима электрода к стенке отверстия.
Регистратор тока, как и токовые электроды, обладает высокой электропроводностью. Учитывая малый диаметр отверстия, небольшую толщину и диаметр каждого токового электрода, устройство оказывает незначительное влияние на электропроводность, а значит и на плотность тока в технологическом агрегате. Это позволяет достичь высокой точности измерения.
Толщина диэлектрической прокладки и электродов снижена до минимума, за счет чего минимизируются размеры бухты и отверстия, степень их влияния на электропроводность и плотность тока в технологическом агрегате. Шуруп служит каркасом. Он распирает трубку-дюбель в отверстии, максимизируя контакт токовых электродов со стенкой отверстия.
Применение второй диэлектрической прокладки позволяет разделить токовые электроды с одной стороны цилиндрической наружной поверхности трубки-дюбеля, в то время как первая диэлектрическая прокладка разделяет токовые электроды с другой стороны.
Выполнение токовых электродов в виде тонкой обечайки позволяет, во-первых, уменьшить размеры бухты - подвижной части датчика, состоящей из трубки-дюбеля, двух токовых электродов, двух диэлектрических прокладок и шурупа. Во-вторых, понижение жесткости токовых электродов при снижении толщины изогнутых пластин способствует лучшему прилеганию токовых электродов к отверстию в измеряемой твердой среде.
Отказ от плоской схемы построения датчика в виде лепестка, состоящего их комплекта плоских токовых электродов, разделенных плоской диэлектрической прокладкой, позволяет использовать более простой, технологичный и экономичный способ создания отверстия для помещения датчика устройства в локальную область измерения - сверление через исследуемую область твердой среды. Это дало возможность подвижной части датчика - бухте придать цилиндрическую форму, что позволило максимально эффективно использовать образовавшееся отверстие для размещения токовых электродов. Бухта с небольшим зазором занимает практически все пространство просверленного цилиндрического отверстия.
Крепление токовых электродов снаружи к нижней цилиндрической части толстостенной пластичной трубки-дюбеля дает возможность расположить их в непосредственной близости от стенки отверстия. Это позволяет, во-первых, в подготовительный период измерения производить поиск направления вектора тока и устанавливать диэлектрические прокладки перпендикулярно вектору тока. Во-вторых, за счет небольшого расширения бухты при вворачивании шурупа добиться хорошего прилегания токовых электродов к стенке отверстия.
Отверстие, предварительно просверленное в твердой среде через место измерения перпендикулярно вектору тока, позволяет размещать и использовать в измеряемом локальном объеме датчик цилиндрической формы.
Изготовление датчика устройства в цилиндрической форме обеспечивает, во-первых, возможность его вращения и в результате процедуры настройки положения датчика в твердой локальной области по критерию максимизации тока, протекающего через токовые электроды, - установки его так, чтобы диэлектрические прокладки расположились перпендикулярно вектору тока в измеряемой локальной области. Во-вторых, дает возможность минимизировать нарушение первоначальной формы самого объекта измерения - электропроводной твердой среды: в условиях возможности настройки устройства на вектор тока в локальном объеме с поворотом датчика в пространстве, проделываемое при этом технологическое отверстие оказывается минимального объема.
Размещение трубки-дюбеля скользящей посадкой в отверстии электропроводной твердой среды позволяет в подготовительный период измерения вращать датчик в твердом теле. Это дает возможность правильно позиционировать токовые электроды в измеряемой локальной области и максимизировать в период подготовки устройства силу тока. В результате такого позиционирования ширина сечения задействованных в проведении тока электродов оказывается известной и равной диаметру отверстия. В конечном счете, это обстоятельство позволяет найти и плотность тока.
Шуруп, выполняющий функцию каркаса, обеспечивает возможность доступа в измеряемый локальный объем для распирания диэлектрической трубки в отверстии и установления надежных контактов токовых электродов с поверхностью отверстия путем вворачивания в диэлектрическую трубку (например, отверткой или шуруповертом).
Использование поворотного рычага-указателя облегчает не только поворот бухты в отверстии, но и ее установку. Укрепление рычага-указателя на верхней части диэлектрической трубки-дюбеля позволяет осуществлять его функции даже при значительном погружении трубки-дюбеля в отверстие. Направление рычага-указателя перпендикулярно разрезу трубки-дюбеля совмещает направление вектора тока с направлением рычага-указателя.
Особую роль рычаг-указатель выполняет при последующем уточнении плотности тока за счет учета составляющей тока в плоскости, проходящей через рычаг-указатель и ось симметрии трубки-дюбеля. В этом случае проводится второе измерение с новым сверлением исследуемого твердого тела. Направление сверления определяется, в том числе, и по указателю рычага-указателя.
Таким образом, сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны. Однако их введение в указанной связи с другими элементами устройства, а также их взаимное расположение приводит к появлению новых вышеуказанных свойств, позволяющих производить измерение плотности тока в любом локальном объеме твердой электропроводной среды при любом направлении вектора тока.
На чертеже представлен общий вид устройства для измерения плотности тока в локальных объемах твердых сред.
Устройство содержит толстостенную трубку-дюбель 1, выполненную из диэлектрического пластичного материала, на наружной цилиндрической поверхности которой укреплены токовые электроды 2 и 3, разъединенные пластичными диэлектрическими прокладками 4 и с обратной стороны - 5 (на фиг.1 прокладка 5 не показана). Трубка-дюбель с электродами вставлена в отверстие 6, предварительно просверленное в твердой среде, и расперта в ней завернутым в нее шурупом 10. Прокладки 4 и 5 установлены перпендикулярно линии тока 8, протекающего в твердой среде. Между токовыми электродами 2 и 3 включен регистратор 9 тока. На верхней части диэлектрической трубки перпендикулярно разрезу трубки-дюбеля укреплен поворотный рычаг-указатель 11.
Диэлектрическая трубка-дюбель 1, диэлектрические прокладки 4, 5 выполняются из пластичного материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. Например, при низкой температуре твердой электропроводной среды диэлектрические трубки и прокладки могут выполняться из полихлорвинила, полистирола, полиэтилена, при высокой температуре - из фторопласта.
По форме трубка-дюбель практически ничем не отличается от пластмассовых дюбелей, используемых в строительстве для закрепления шурупов в просверленных отверстиях стен. Нижний конец трубки-дюбеля разрезан на 2 и более частей по оси симметрии трубки. Это сделано для облегчения распирания трубки в сформированном отверстии. Для целей измерения плотности тока в низкотемпературной электропроводной твердой среде в качестве трубки-дюбеля можно использовать строительные дюбели, наружная поверхность которых является строго цилиндрической, без пупырышков и колебаний диаметра. В сквозную прорезь в нижней части трубки-дюбеля с обеих сторон вставляются диэлектрические прокладки, отделяющие токовые электроды друг от друга, в том числе, при пластической осадке в процессе распирания трубки-дюбеля в отверстии. На двух оставшихся внешних полуцилиндрических поверхностях нижней части трубки-дюбеля закрепляются токовые электроды.
Электроды 2 и 3 выполняются вальцовкой из тонкой пластины в форме полуобечаек диаметром d с отрицательными допусками, обеспечивающими свободное скольжение бухты, состоящей из трубки-дюбеля с закрепленными на ней токовыми электродами, в просверленном отверстии. Электроды изготавливают из пластичного материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При низкой температуре - из фольги меди, серебра. При повышенной температуре изучаемой среды материал электродов должен обладать достаточной жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью либо жаростойкостью. Например, из фольги стали 12Х18Н9Т, платины.
На границе «токовый электрод - измеряемая твердая среда» при каждой данной температуре формируется разность потенциалов, определяемая разностью электрохимических потенциалов материала электрода и материала исследуемой твердой среды в месте измерения. Например, меди M1 и стали Ст3пс. Однако в измерительной цепи, составленной из контакта «исследуемая среда - первый токовый электрод» - первого токового электрода - первого токоподводящего провода - регистратора тока - второго токоподводящего провода - второго токового электрода - контакта «второй токовый электрод - исследуемая среда», в цепь встречно включаются две одинаковые разности потенциалов. Они взаимно уничтожаются и на результаты измерения практически не влияют.
Электроды с токоподводами на трубке-дюбеле закрепляются, например, приклеиванием, пайкой. Хорошо зарекомендовала себя сварка-пайка, когда паяльником токовый электрод прогревается, доводя пластмассу трубки-дюбеля до размягчения (для полиэтилена - 200-215°C). При этом происходит приварка-припайка электрода к поверхности трубки-дюбеля. Поверхность каждого электрода перед сваркой-пайкой следует обезжирить в известных растворах.
Отверстие в твердой электропроводной среде получается сверлением. Для снижения шероховатости поверхности отверстия и улучшения прилегания токовых электродов к поверхности отверстия используется зенкерование, хонингование, шлифование и др. способы.
В качестве каркаса используется стальной шуруп. Диаметр и шаг нарезки шурупа зависит от диаметра трубки-дюбеля. Так, при диаметре трубки-дюбеля 6 мм используется шуруп диаметром 3 мм. Шуруп вворачивается в бухту в подготовительный период измерения. После снятия показаний регистратора он выворачивается и освобождает бухту от тесной связи с отверстием. Бухта свободно вынимается. Возможность повторного применения той же бухты для следующего измерения должна определяться по итогам проверки ее целостности.
В случае изготовления рычага-указателя из пластмассы (полихлорвинила, полиэтилена и пр.) он крепится к трубке-дюбелю сваркой. При выполнении его из металла крепление на трубку-дюбель может выполняться с помощью стяжки на основании трубки-дюбеля.
Тип регистратора тока определяется технологическими факторами и зависит от рода, полярности, ожидаемого диапазонае изменения силы тока, необходимой точности измерения и т.п.
Устройство работает следующим образом.
2
1
Определяется местоположение локального объема твердой среды, в котором требуется произвести измерения. Предварительно оценивается примерное направление вектора тока в этом локальном объеме. Оценивается возможность (в том числе безопасность последствий) сверления в этот локальный объем. При наличии возможности, производится сверление отверстия через указанный локальный объем перпендикулярно ожидаемому направлению вектора тока в этом объеме. Сверление производится, по возможности, от ближайшей к нему поверхности твердого тела. Локальный объем должен быть просверлен насквозь с перебегом l=3S и путем врезания l=d/2·tg φ, где S - подача сверла, мм/об., φ - половина угла при вершине сверла, φ≈59°.
Измеряются размеры и положение токовых электродов на трубке-дюбеле. Датчик вставляется в отверстие - исследуемый локальный объем твердой среды. В условиях протекания электрического тока через локальный объем вращением трубки-дюбеля добиваются максимизации силы тока, фиксируемого регистратором тока. Заворачивается шуруп, распирающий трубку-дюбель. Отсчитываются окончательные показания регистраторов тока. В случае неполного погружения датчика в измеряемую твердую среду замеряются размеры непогруженной части токовых электродов. Вычисляется h - расстояние от нижней кромки токовых электродов:
- до верхней кромки токовых электродов при полном погружении электродов в токоведущую твердую среду, м;
- до верхней кромки токоведущей твердой среды при частичном погружении электродов в токоведущую твердую среду, м.
Плотность тока находится по формуле (1).
После необходимого числа повторений измерений и обеспечения требуемой статистики измерений принимается решение о целесообразности дальнейшего использования отверстия. При необходимости оно ликвидируется. Для этого используются различные известные способы восстановления: заварка, пайка, зачеканивание и др.
Для уточнения неизмеряемой части тока, протекающей в плоскости А, совпадающей с направлением рычага-указателя и проходящей через ось симметрии трубки-дюбеля, проводится еще одно аналогичное измерение в плоскости А. Для чего вблизи с исследуемым локальным объемом сверлится еще одно отверстие, перпендикулярное плоскости А, и измерение повторяется.
В этом случае общая плотность тока в исследуемой локальной области находится по формуле:
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>J</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>J</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>A</mi><mo>/</mo><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
где J - плотность тока в первом измерении, А/м;
2
2
J - плотность тока во втором измерении, А/м.
Следует отметить, что при проведении измерений в двух плоскостях точность измерения практически не зависит от точности задания направления первого сверления. При отсутствии перед сверлением первого отверстия гарантий правильности оценки направления вектора тока в локальном объеме целесообразно проведение исследования в двух плоскостях. В этом случае целесообразно расположение обоих отверстий по обе стороны от центра измеряемого локального объема на расстоянии 1-2 d, где d - диаметр каждого отверстия. Причем меньшие значения соответствуют меньшему рекомендуемому диаметру отверстия.
Метрологические характеристики устройства проверялись многократным измерением плотности тока, протекающего по стальной пластине длиной 100 мм, шириной 25 мм и высотой 25 мм от сварочного выпрямителя ВДУ-1201 в комплекте с балластными реостатами РБ-301. Токовые электроды изготавливались из медной фольги толщиной 0,3 мм, что обеспечивало устойчивую работу устройства при постоянном токе в регистраторе до 1 А.
p
y
По 30 замерам рассчитывалась средняя фактическая плотность тока в пластине J, которая сравнивалась с результатами 30 измерений плотности тока устройством J.
u
y
p
y
-6
-6
-6
2
-6
-6
Абсолютная ошибка измерения составила Δ=J-J=0,220·10-0,217·10=0,007·10 А/м. Относительная ошибка составила δ=(Δ/J)·100%=(0,007·10/0,220·10)·100%=3,18%.
В качестве примера рассматривалось использование устройства для оценки степени и характера растекания блуждающих токов в корпусе судна. Результаты использования устройства подтверждают его работоспособность в широком диапазоне изменения плотности тока. В этом случае рекомендуется в качестве регистратора тока использовать многодиапазонный амперметр.
Предлагаемое устройство позволяет производить измерение плотности тока в твердых электропроводных средах при любом направлении тока в широкой номенклатуре изделий.
Источники информации
6
1.  Патент РФ №2007707, приоритет от 27.01.1992, кл. G01N 27/07, G01R 27/22 МПК «Устройство для измерения удельной электропроводности и плотности тока».
6
2.  Патент РФ №2055353, приоритет от 01.02.1993, кл. G01N 27/07 МПК«Устройство для измерения плотности тока в жидких средах» - прототип.