КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА
CONDUCTOMETRIC CELL

Изобретение относится к области определения свойств веществ, а именно - измерения электрической проводимости жидких анализируемых веществ с помощью кондуктометров, главным элементом которых является кондуктометрическая ячейка. Измерения электропроводности жидкостей необходимы для определения свойств природных вод, технологических жидкостей и разнообразных продуктов химической и пищевой промышленности.
Для измерения проводимости анализируемых жидкостей применяются несколько типов кондуктометрических ячеек.
Традиционно используются так называемые двухэлектродные ячейки, в которых измеряется электрическое сопротивление (проводимость) жидкости между двумя электродами. Главный источник погрешности двухэлектродных ячеек - поляризация электродов, возникающая вследствие протекания достаточно больших измерительных токов. Наилучшие характеристики таких ячеек достигаются при использовании губчатой платины (платиновой черни) в качестве покрытия электродов. В менее дорогих и менее точных используются другие материалы, такие как углерод, титан, никель и нержавеющая сталь.
Известна конструкция трехэлектродной кондуктометрической ячейки [Sea-Bird - кондуктометрическая ячейка, https://www.seabird.com/technical-papers/conductivity-sensors-for-moored-and-autonomous-operation], представленная на фиг. 1, содержащая, как и в двухэлектродной ячейке, два электрода 1 и 2, и дополнительный электрод 3, предназначенный для ограничения занимаемого электрическим полем измерительного объема ячейки (канала 4 ячеки) и исключения так называемого "эффекта стенки" - ответвления части тока возбуждения ячейки в окружающую среду и связанного с этим возникновения дополнительной погрешности измерения, достигающей 1-10% в зависимости от диаметра отверстий, через которые проходит анализируемая жидкость (не диаметра канала ячейки).
Относительно недавно были разработаны конструкции более точных кондуктометрических ячеек, основанных на четырех электродах, встроенных в какой-либо изолирующий материал. В таких ячейках напряжение возбуждения, которое создает ток в анализируемой жидкости, подается на два внешних электрода. Ток, протекающий в жидкости, создает падение напряжения, которое измеряется с помощью двух внутренних измерительных электродов, размещенных между внешними электродами. Это напряжение измеряется с помощью усилителей с высоким входным сопротивлением, которые предотвращают прохождение значительного тока через два измерительных электрода, что предотвращает поляризацию электродов и позволяет применить более дешевые материалы для изготовления электродов.
Четырехэлектродные ячейки также имеют определенные недостатки. Так как в ячейке имеются отверстия для пропускания анализируемой жидкости, часть тока, протекающего через внешние электроды, ответвляется через отверстия в окружающую ячейку среду, что приводит к значительной погрешности измерения. Особенно это проявляется, когда ячейка помещена в относительно маленький сосуд. Стенка сосуда ("эффект стенки") будет изменять поток ответвляющегося тока в зависимости от расстояния между отверстиями ячейки и стенкой сосуда, "эффекта стенки". Уменьшая диаметр отверстий, можно уменьшить влияние этого эффекта, но пострадает промываемость ячейки, а значит производительность процесса определения электропроводности анализируемой жидкости.
Существуют другие известные датчики электропроводности, в которых используется ячейка с семью электродами, нанесенными в пазы трубки из кварцевого или боросиликатного стекла
[https://www.idronaut.it/sensors/conductivity-sensor/#1562134545689-c579f5fa-28af (фиг. 2)].
Ячейка содержит три токовых электрода 1 (два крайних и центральный) и две пары потенциальных электродов 2, подключенных к измерительной схеме, размещенных между центральным электродом и крайними электродами. Все электроды впаяны в трубку 3 из кварцевого стекла. Такая конструкция ячейки обладает прекрасными метрологическими характеристиками, но дорога в производстве, не ремонтнопригодна и не может в полной мере обслуживаться пользователем. Сходными с признаками заявленного изобретения являются следующие признаки этого аналога: наличие токовых электродов, подключенных к генератору переменного тока, и потенциальных электродов, подключенных к измерительной схеме, наличие канала для прохождения анализируемой жидкости в виде трубки из термостабильного материала.
Известен датчик проводимости [заявка ЕРВ № ЕР 1621876 А1], выбранный в качестве прототипа заявленного изобретения, который содержит установленный в цилиндрическом корпусе элемент поддержки электродов в виде стеклянной трубки, на которой расположен триплет электродов, за счет чего образуются две промежуточные области. Датчик также содержит дуплет электродов, также расположенных на указанном элементе поддержки электродов в одной из указанных промежуточных областей. Электроды этого дуплета соединены с измерительной схемой. При этом электрод возбуждения триплета электродов расположен между двумя другими электродами этого триплета (крайними в триплете) и соединен с цепью возбуждения. Указанные два крайних электрода триплета присоединены к одному и тому же потенциалу, предпочтительно соединены с землей.
Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются следующие признаки прототипа: пять кольцевых электродов с заданными одинаковыми внутренними и наружными диаметрами, установленных на одной оси на заданном расстоянии друг от друга, два крайних из которых заземлены или подключены друг к другу, третий по счету из которых подключен к генератору переменного тока, а два остальных из которых (потенциальных) подключены к измерительной схеме и установлены в промежутке между третьим электродом и одним из крайних.
Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного изобретения: ячейка содержит выполненный из изолирующего материала корпус в виде длинного цилиндрического стакана заданных размеров, в дне которого выполнено осевое отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру электродов, и в полости которого установлены соосно корпусу электроды, в промежутках между которыми установлены соосно корпусу четыре трубки заданных размеров из непроводящего материала с одинаковыми внутренними и наружными диаметрами, равными, соответственно, внутреннему и наружному диаметрам электродов, причем трубка, установленная между электродами, подключенными к измерительной схеме, выполнена из термостабильного материала, при этом электроды снабжены уплотнениями в виде колец заданных размеров, установленных в полости корпуса на его оси с обеих сторон каждого из электродов, полость корпуса закрыта цилиндрический заглушкой из изолирующего материала, в которой выполнено сосное корпусу осевое отверстие с диаметром, равным внутреннему диаметру электродов и трубок, и которая выполнена подвижной с возможностью сжатия набора из электродов, трубок и уплотнений, в стенке корпуса выполнен продольный канал, в котором уложены провода, подключенные соответственно к пяти контактам, которые установлены в выполненных в стенке корпуса пяти радиальных отверстиях и соединены с соответствующими электродами.
Недостатком прототипа является следующее.
Во-первых, элемент поддержки с закрепленными на нем электродами окружен защитным корпусом, образующим достаточно узкий кольцевой зазор для прохождения анализируемой жидкости между внутренней поверхностью этого корпуса и элементом поддержки с закрепленными на нем электродами, что ухудшает промываемость ячейки, способствует накоплению загрязнений и, в свою очередь, уменьшает производительность процесса измерений. Для компенсации этого недостатка требуется увеличение указанного зазора, что повлечет за собой значительное увеличение размеров ячейки. В этом заключается техническое противоречие прототипа. Кольцевой канал этой ячейки для прохождения анализируемой жидкости, даже при относительно большой площади сечения этого канала, менее промываемый по сравнению с тем, если бы этот канал представлял собой трубку.
Во-вторых, элемент поддержки электродов выполнен в виде стеклянной трубки, а подводящие провода к электродам проходят внутри этой трубки. Соединение подводящих проводов, находящихся внутри стеклянной трубки, к электродам, находящимся на поверхности этой трубки, - это технологически сложная операция, требующая выполнения дорогостоящих стеклодувных работ. Следовательно, какие-либо регламентные и ремонтные работы, выполняемые силами пользователя, невозможны.
Заявленное изобретение решает указанные технические проблемы предшествующих разработок. Созданной кондуктометрической ячейке приданы новые свойства, повышающие ее эксплуатационные и метрологические характеристики.
Совокупностью существенных признаков заявленного изобретения достигаются следующие технические результаты:
- более низкая стоимость изготовления кондуктометрической ячейки, определяемая применением простых технологических процессов - токарные и слесарные работы;
- возможность визуального контроля состояния рабочей поверхности электродов и канала, в котором они находятся;
- возможность проведения регламентных (чистка рабочей поверхности электродов) и ремонтных работ (замена электродов и трубчатых элементов), выполняемых силами пользователя;
- более высокая промываемость кондуктометрической ячейки, определяющая повышенную производительность выполнения анализов;
- более высокая достоверность получаемых результатов измерений.
Сущность изобретения и пример его осуществления поясняется со ссылкой на чертеж (фиг. 3а), на котором изображен общий вид устройства в разрезе.
Кондуктометрическая ячейка содержит выполненный из изолирующего материала (предпочтительно из капролона или органического стекла) корпус 1 в виде длинного цилиндрического стакана заданных размеров, в дне которого выполнено осевое отверстие.
В цилиндрической полости корпуса 1 на его оси размещены пять электродов 2 в виде колец с заданными одинаковыми внутренними и наружными диаметрами. В данном случае электроды выполнены из недорогой коррозионно-стойкой нержавеющей стали, предпочтительно марки 08Х18Н10.
Два крайних из этих электродов заземлены или подключены друг к другу, другой из этих пяти электродов (третий по счету) подключен к генератору переменного тока, а два остальных из этих пяти электродов (потенциальные) подключены к измерительной схеме и установлены в промежутке между указанным третьим по счету электродом и одним из крайних электродов.
В промежутках между пятью электродами 2 на оси корпуса 1 установлены четыре трубки 3 заданных размеров из непроводящего материала с одинаковыми внутренними и наружными диаметрами, причем трубка, установленная между парой электродов, подключенных к измерительной схеме, выполнена из термостабильного материала (предпочтительно из термостабильного кварцевого стекла). Размеры элементов ячейки выбираются, исходя из ее назначения и особенностей устройства, в котором она устанавливается. Но практически всегда надо стремиться к наибольшим размерам трубки, установленной между парой электродов, подключенных к измерительной схеме, так как для сохранения стабильности константы преобразования необходимо, чтобы соотношение размеров этой трубки к размерам плохо контролируемых технологических зазоров было наибольшим. В случае, если требуется максимально уменьшить размеры ячейки без потери точности, то это может быть выполнено за счет уменьшения в несколько раз длины той трубки, которая размещена между токовыми электродами и не прилегает к потенциальным электродам.
При этом диаметр осевого отверстия, выполненного в дне корпуса 1, и внутренние диаметры электродов 2 и трубок 3 одинаковы, а наружные диаметры электродов 2 и трубок 3 соответствуют диаметру полости корпуса 1.
Электроды 2 снабжены уплотнительными прокладками 4 в виде упругих колец заданных размеров, установленных в полости корпуса на его оси с обеих сторон каждого из электродов. В данном случае уплотнения 4 установлены в проточках, выполненных в электродах 2.
Такой принцип построения кондуктометрической ячейки позволяет осуществлять легкую сборку и полную разборку конструкции при необходимости ремонта, в том числе ее отдельных элементов (электродов 2, трубок 3, уплотнений 4 и др.).
Полость корпуса 1 закрыта цилиндрической заглушкой 5 из изолирующего материала, в которой выполнено осевое отверстие, соосное корпусу 1, имеющее диаметр, равный внутреннему диаметру электродов 2 и трубок 3. Заглушка 5 выполнена подвижной - в данном случае сопряженные поверхности заглушки 5 и полости корпуса 1 представляют собой резьбовое соединение (но указанное подвижное соединение заглушки может быть выполнено иначе, например, с использованием продольных винтов, вкручиваемых в стенку корпуса). Выполнение заглушки 5 подвижной позволяет ее движением вдоль оси полости корпуса 1 (вкручиванием) осуществить заданное прижатие набора из электродов 2, уплотнений 4 и трубок 3 к дну полости корпуса 1.
Таким образом, указанные элементы 1, 2, 3 и 5 кондуктометрической ячейки образуют измерительный канал 6 заданного круглого поперечного сечения для протока анализируемой жидкости. Такая конструкция обеспечивает легкодоступную очистку измерительного канала, в том числе электродов, образующих этот канал.
В стенке корпуса 1 выполнен продольный канал 7 в виде проточки, в которой уложены изолированные подводящие провода (позицией не обозначены). В стенке корпуса 1 выполнены пять радиальных отверстий 8, в которых установлены пять электрических контактов 9, выполненных, например, пружинными или в виде винтов, подключенных к соответствующим проводам из канала 7 (в данном случае контакты 9 винтовые). Канал 7 и отверстия 8 с установленными в них контактами 9 изолированы. Отверстия 8 выполнены так, а также контакты 9 установлены так, что в сжатом состоянии пакета из электродов 2, трубок 3 и уплотнений 4 контакты 9 соприкасаются с электродами 2. Соединение контактов 9 с соответствующими проводами из канала 7 обеспечивает соответствующее подключение электродов 2 (друг к другу или к земле, к генератору переменного тока, к измерительной схеме).
Геометрические размеры элементов любой кондуктометрической ячейки определяют ее константу преобразования, следовательно, они должны быть стабильны во времени и в диапазоне рабочих температур. Благодаря концепции заявленной конструкции кондуктометрической ячейки, указанное требование касается только трубки, которая расположена между двумя электродами, подключеными к измерительной схеме, - именно эта трубка должна быть изготовлена из термостабильного материала (предпочтительно из кварцевого стекла, но могут быть использованы и другие материалы, такие как боросиликатное стекло, ситалл). Требования к стабильности размеров остальных элементов заявленной кондуктометрической ячейки отсутствуют, и они могут быть выполнены из любых других материалов, отвечающих конструкционной прочности. Это уменьшает стоимость изготовления ячейки.
В кондуктометрической ячейке может быть дополнительно размещен датчик температуры, встроенный в измерительный канал 6 на его выходе.
Заявленная пятиэлектродная кондуктометрическая ячейка может быть легко преобразована в эквивалентную конструкцию - в семиэлектродную ячейку (фиг. 3б), путем добавления дополнительных двух электродов 10, которые располагаются в пространстве между указанным третьим по счету электродом (здесь применяется выше использованная терминология для описания пятиэлектродной ячейки) и другим из крайних электродов, и эти добавленные два электрода также чередуются трубками из изоляционного материала, снабжены уплотнительными прокладками и соединены с соответствующими электрическими контактами. Указанные дополнительные два электрода 10 подключены к измерительной схеме. При этом трубка 11, установленная между этой второй, добавленной, парой электродов 10, выполнена из термостабильного материала.
Устройство работает следующим образом:
Генератор переменного тока (на чертеже не изображен и позицией не обозначен) подключается к находящемуся в центре канала 6 электроду, который расположен между заземленным крайним электродом и электродами, подключенными к измерительной схеме. Вследствие такого подключения ток в проводящей жидкости, заполняющей канал 6, не выходит за пределы этого канала, а какие-либо другие токи не проникают в этот канал. Вследствие этого отсутствует «эффект стенки» - влияние стенок небольшого сосуда, в котором расположена ячейка, или электропроводящих или диэлектрических предметов, находящихся вблизи ячейки.
Прохождение тока в канале ячейки, возбуждаемого генератором, создает напряжение на электродах, подключенных к измерительной схеме, а величина этого напряжения зависит от электропроводности исследуемой жидкости. После необходимых преобразований может быть получена величина электропроводности.
Заявленная кондуктометрическая ячейка была заявителем изготовлена и прошла испытания, которые показали, что ячейка проста в изготовлении и эксплуатации, недорогая, обеспечивает получение результатов высокой достоверности и может быть широко использована для решения широкого круга задач.
Данный результат интеллектуальной деятельности выполнен в рамках государственного задания по теме №0555-2021-0005 (FNNN-2021-0005) «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей» (шифр «Прибрежные исследования»).