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

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения удельной электропроводности морской воды и других жидкостей непосредственно в среде.
Известны измерители электропроводности жидкости с контактными датчиками (кондуктометры), содержащие различное число питающих (токовых) и измерительных (потенциальных) электродов, входящих в измерительную ячейку [А Guide to Conductivity measurement theory and practice of Conductivity Applications. www.tau.ac.il/XXchemlada/Fills/Conductivity_quick_EN%2012).pdc]. [Лопатин Б.А. Кондуктометрия. - Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. - 279 с.].
Эти измерители широко используются в океанографии и других областях. Требования к точности измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде непрерывно возрастают. При этом основными требованиями, которые необходимо учесть при создании измерительной ячейки, являются: исключение влияния поляризации электродов на результат измерения, обеспечение постоянства «геометрической константы» во времени и ее фиксированной зависимости от минимального количества геометрических размеров измерительной ячейки, промываемость измерительной ячейки в неподвижном состоянии и при движении измерителя в среде для обеспечения репрезентативности измерений, замкнутость электрического поля измерительной ячейки в ограниченном объеме пространства, метрологическая долговечность устройства благодаря устойчивости к коррозии, загрязнению и биологическому обрастанию.
Известные устройства обычно удовлетворяют одновременно только части из этих требований. Например, исключение влияния поляризационных эффектов на результат достигается использованием потенциальных электродов в выходной цепи.
Наиболее близким по составу и конструкции к предлагаемому устройству является [Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред. Патент РФ №2055351, 27.02.1996. Авторы: Веревкин В.И., Быстров В.А., Беляев В.М., Рахманов P.P.]. Это устройство содержит датчик, корпус которого состоит из неэлектропроводного диска с токовыми электродами и пластинчатой стойки с n измерительными электродами, генератор тока, коммутатор и измеритель напряжения.
Его недостатками являются только частичное подавление поляризационных эффектов на электродах, поскольку один из токовых электродов входит в потенциальную измерительную цепь; открытый объем измерительной ячейки и, следовательно, изменение «геометрической константы» в неоднородной нестационарной внешней среде; сложная зависимость «геометрической константы» от всех геометрических размеров датчика, практически исключающая возможность ее расчета в физических единицах.
Целью изобретения является повышение долговременной точности за счет полного исключения влияния поляризационных эффектов на электродах на результат измерения, реализации замкнутости электрического поля внутри измерительной ячейки и простой формульной зависимости «геометрической константы» от линейных размеров положения потенциальных электродов, а также использования множества измерительных каналов. Эта цель достигается тем, что в измерителе удельной электропроводности жидкости, содержащем датчик с неэлектропроводным диском, двумя токовыми и n потенциальными электродами, генератор тока, резисторный датчик температуры диска, измеритель сопротивления, коммутатор, измеритель напряжения и микропроцессор, первый токовый точечный электрод установлен в центре неэлектропроводного диска, второй токовый электрод выполнен в виде полусферы из электропроводной сетки с диаметром, равным диаметру диска, и установлен на диск для образования электрически замкнутого внутреннего пространства измерительной ячейки, потенциальные точечные электроды в которой размещены на внутренней поверхности диска по спирали Архимеда на произвольных фиксированных расстояниях друг от друга и соединены через коммутатор попарно с дифференциальными входами измерителя напряжений, и удельная электропроводность жидкости определяется по формуле
ij
ij
где  - удельная электропроводность жидкости между изолиниями, на которых расположены i-й и j-й потенциальные электроды; I - ток в измерительной ячейке; U - напряжение между i-м и j-м потенциальными электродами; K - значение «геометрической константы» ij-й пары потенциальных электродов; n - число потенциальных электродов; N - число используемых пар потенциальных электродов.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена конструкция датчика. На фиг. 2 показана структурно-функциональная схема устройства.
Рассмотрим суть предложенного изобретения.
Основной особенностью и отличием устройства от других является конструкция датчика. Корпус датчика (фиг. 1а) образован неэлектропроводным диском 1, накрытым сверху полусферой 2 из электропроводной сетки, совместно с диском образующей измерительную ячейку с замкнутым в объеме полусферы электрическим полем.
1
2
1
2
Первый токовый точечный электрод 3 с выводом Т расположен в центре диска 1, вторым токовым электродом 4 с выводом Т является сетка полусферы 2. При подаче тока I через входы T Т внутри полусферы устанавливается электрическое поле, линии равного потенциала которого образуют полусферы во внутреннем объеме ячейки и концентрические окружности на поверхности диска, а плотность тока на расстоянии r от электрода 1 падает с расстоянием r по закону
r
Напряженность электрического поля E при этом равна
12
1
2
где  - удельная электропроводность жидкости, а напряжение U между двумя точками с расстояниями r и r от центра диска равно
Для удельной электропроводности жидкости получим
1
2
где  - «геометрическая константа» для пары потенциальных электродов с расстояниями r и r от центра диска. Каждая пара потенциальных электродов образует выход измерительного канала.
В предлагаемом устройстве n потенциальных точечных электродов 5 установлены на n разных концентрических окружностях на диске, например на разных расстояниях по спирали Архимеда (фиг. 1б).
ij
i
j
ij
В принципе из n электродов можно образовать  пар, часть которых изначально будет иметь одинаковые K. Если нет двух потенциальных электродов на одной концентрической окружности с равными r=r, то изначально будет (n-1) разных K, и соответственно, разных пар. Таким образом, возможно формировать N пар электродов (измерительных каналов), причем
Целесообразность выбора числа пар N потенциальных электродов в качестве выходов отдельных измерительных каналов определяется конкретной технической реализацией датчика.
Пронумеруем потенциальные электроды в порядке возрастания. Тогда удельная электропроводность жидкости, измеренная ij-м каналом, будет
где
ij
«Геометрическая константа» K при градуировке по образцовому раствору с известной  определяется по формуле
ij
ij, θ, P
При изменении температуры диска на θ от начальной и внешнего гидростатического давления на Р от начального изменяются его размеры и изменяется величина K, откорректированное значение которой K определяется по формуле
где α - температурный коэффициент расширения; γ - коэффициент сжатия.
1
2
Для контроля температуры диска в него встроен распределенный резисторный датчик температуры 6 (фиг. 1, 2) с выводами Д и Д. Значение гидростатического давления Р берется извне. Например, из данных СТД-комплекса, в котором используется измеритель электропроводности. Коэффициенты α и γ считаются априорно известными для материала, из которого сделан диск, или определяются градуировкой для готового датчика.
Из-за естественной пространственно-временной неоднородности жидкости внутри измерительной ячейки, различия i, j трасс между разными парами потенциальных электродов и неодновременности опроса каналов значения  будут различными и для измерительной ячейки в целом находится их среднее
ij
В процессе эксплуатации за счет загрязнения или биологического обрастания датчика значения K могут изменяться по-разному, приводя к появлению систематических погрешностей измерения, которые для множества N каналов в формуле (11) осредняются как случайные.
ij
Если множество систематических погрешностей в разных каналах имеет нулевое среднее, что вполне вероятно, то возможна текущая адаптивная переградуировка каналов определением текущих «геометрических констант» K(τ) по формуле
ij
где , U(τ-1) - значения величин в предшествующий момент времени (τ-1), причем значение  принято за образцовое. Рассмотрим состав и структуру устройства (фиг. 2).
1
2
i
j
1
2
В состав измерителя входят: генератор тока (ГТ) 7, соединенный по выходам со входами токовых электродов Т и Т, коммутатор (К) 8 пар выходов П, и П, потенциальных электродов на вход измерителя напряжения (ИН) 9, измеритель сопротивления (ИС) 10, входы которого соединены с выходами Д и Д распределенного датчика температуры 6.
Измеритель работает следующим образом.
Датчик помещается в жидкость, которая заполняет измерительную ячейку-полусферу. Благодаря большой поверхности сетки токового электрода 2 осуществляется хороший водообмен с внешней средой за счет внешней конвекции и диффузии, что обеспечивает идентичность воды вне и внутри измерительной ячейки и, следовательно, репрезентативность измерений.
Подается ток I через токовые электроды. Полусфера токового электрода 2 совместно со вторым токовым электродом 3 в центре диэлектрического диска 1 обеспечивают замкнутость электрического поля и распределение эквипотенциальных поверхностей по полусфере в объеме и по окружностям на диэлектрическом диске.
Возможные случайные искажения электрического поля внутри ячейки из-за биологического обрастания электрода-сетки рандомизируются использованием n потенциальных электродов и N каналов измерения напряжений. Детермированные изменения линейных размеров между потенциальными электродами и центром диска от изменения температуры и гидростатического давления корректируются по формуле (10) за счет контроля температуры θ диска встроенным датчиком 6 и давления Р внешним измерителем.
ij
Производится N измерений напряжений U на N парах потенциальных электродов. Вычисляются N значений удельной электропроводности  по формуле (7) и среднее  по формуле (11).
Таким образом, в предлагаемом устройстве исключено влияние поляризационных эффектов на электродах на результат измерения. Оно обеспечивает измерение удельной электропроводности жидкости в электрически замкнутом объеме измерительной ячейки, которая хорошо промывается за счет сеточного выполнения второго токового электрода. «Геометрическая константа» датчика зависит только от двух линейных геометрических размеров, корректируемых при изменении температуры и давления, и имеет также потенциальную возможность измерения и вычисления в физических единицах. Использование N измерительных каналов для коррекции значений «геометрических констант» разных каналов по текущему среднему обеспечивает метрологическую долговечность устройства.
Поставленная цель изобретения достигнута.