Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред
Сущность изобретения: устройство содержит цилиндрический корпус, два основных электрода, соединенных с источником питания, измерительный электрод, соединенный с вольтметром, диэлектрическую прокладку, в которой с двух сторон заподлицо размещены токовые электроды, экран из изоляционного материала, в котором с двух сторон заподлицо размещены основные электроды. Электроды, прокладка и экран выполнены пластинчатыми и размещены на цилиндрической поверхности корпуса вдоль оси его симметрии. Переменный резистор и выключатель установлены в цепь источника питания, а вторая клемма вольтметра соединена с токовым электродом, ближайшим к измерительному. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких расплавов и растворов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока либо при их отсутствии, в том числе в локальных объемах расплавов и растворов с высокой температурой нагрева, агрессивностью и вязкостью.
Известно устройство, содержащее датчик, состоящий из цилиндрической изоляционной прокладки, разделяющей установленные заподлицо с ней два полудисковых токовых электрода, которые закреплены на изолирующем пластинчатом экране, выполненном из диэлектрического материала, двух измерительных штыревых электродов, расположенных с другой стороны экрана под токовыми электродами, а также два регистратора напряжения, один из которых включен между измерительными, а другой между токовыми электродами, соединенные последовательно амперметр и переменный резистор, включенные между токовыми электродами, и средство для измерения и фиксирования положения датчика в пространстве [1] Изменением положения датчика добиваются максимизации показаний первого регистратора напряжения, после чего изменением сопротивления переменного резистора добиваются совпадения показаний регистраторов напряжения. В условиях известных геометрических размеров датчика по показаниям регистраторов напряжения и амперметра находится плотность тока и удельная электропроводность изучаемой среды (жидкой, твердо-жидкой, сыпучей). К недостаткам устройства относится наличие в его составе подбираемого до начала измерения прецезионного переменного резистора. Диапазон изменения электрического сопротивления резистора должен находиться на основе заранее неизвестных априорных сведений. Минимальное значение сопротивления электрической цепи, состоящей из амперметра, переменного резистора и подводящих проводов, должно быть меньше заранее неизвестного сопротивления участка исследуемой среды, вытесняемой изоляционной прокладкой и токовыми электродами. Кроме того, при использовании устройства выполняется достаточно сложная операция подгонки плотности тока, протекающего через токовые электроды, под плотность тока, протекающего в изучаемом локальном объеме. Это усложняет процесс измерения. Измерительные электроды, выполненные в виде тонких штырей, имеют низкую химическую и термическую стойкость. Это снижает производительность работы датчика при измерении химически активных и высоконагретых сред. Устройство неработоспособно при отсутствии сторонних источников тока. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее два основных электрода, подсоединенных через регистратор тока амперметр к источнику, контрольные (измерительные) электроды, размещенные радиально вокруг одного из основных электродов, которые через многопозиционный переключатель и измерительную цепь соединены с этим основным электродом [2] К недостаткам устройства относится низкая химическая и термическая стойкость щупа (датчика) устройства, т.к. все электроды выполнены в виде тонких стержней. При многократном измерении вязких и липучих сред (жидких, твердо-жидких, сыпучих) возникает трудность с удалением налипших на датчик остатков после очередного измерения. Остатки задерживаются между близко расположенными и многочисленными стержнями (электродами), выступающими из рабочего торца датчика. Остатки могут высыхать, образуя твердую слаборастворимую корку, которая, являясь плохоэлектропроводной, либо неэлектропроводной, может вносить существенные погрешности в процесс измерения. При исследовании расплавов, температура плавления которых выше комнатной, остатки кристаллизуются. Все это затрудняет возможность многократного использования датчика. Использование устройства для измерения в условиях действия сторонних источников тока может приводить к ошибке измерения. Ток от сторонних источников, протекая по участку изучаемой среды между вторым основным и ближайшим к нему измерительным электродами, создает на нем дополнительное падение напряжения Uд. В этом случае в токовой цепи устройства действует не один, а два источника питания внутренний с ЭДС Е1 и дополнительный с напряжением Uд. В результате алгебраического суммирования источников E1 и Uд изменяется сила тока, регистрируемая амперметром. Меняется числитель формулы для оценки удельной электропроводности среды. Знаменатель же зависит от силы тока, но на расследуемом участке среды не зависит от действия сторонних источников тока, поскольку в исследуемом локальном объеме среды ток от внутреннего источника стягивается к первому основному электроду радиально. Дополнительное падение напряжения Uд от сторонних источников на одном участке, расположенном между измерительным и первым основным электродами, в знаменатель формулы входит со знаком "+", а еще одно Uд1 на другом таком же участке, но расположенном диаметрально противоположно первому, со знаком "-". Происходит взаимное элиминирование падений напряжения от сторонних источников в изучаемом объеме среды, ограниченном полусферой, по которой расположены измерительные электроды. В основу изобретения положена задача создать такое устройство для измерения электропроводности жидких (а также твердо-жидких, сыпучих) сред, конструкция которого позволяла бы измерять удельную электропроводность высокотемпературных, агрессивных, вязких сред как в условиях действия сторонних источников тока, так и без них. Существо изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее цилиндрический корпус, два основных электрода, подсоединенных к источнику питания, измерительный электрод, соединенный с вольтметром, амперметр, дополнительно снабжено диэлектрической прокладкой, в которую с двух сторон заподлицо установлены два токовых электрода, экран из изоляционного материала, в котором с двух сторон заподлицо размещены основные электроды, закрепленный на корпусе на другой стороне от диэлектрической прокладки, последовательно соединенные переменный резистор и выключатель, установленные в цепь источника питания, причем электроды, прокладка и экран выполнены пластинчатыми и размещены на цилиндрической поверхности корпуса вдоль его оси симметрии, амперметр включен между токовыми электродами, а второй конец вольтметра подсоединен к токовому электроду, ближайшему к измерительному. Устройство позволяет производить измерение в высоконагретой агрессивной вязкой среде как при наличии, так и отсутствии сторонних источников тока. Все элементы датчика за исключением изолирующей прокладки и экрана установлены заподлицо, что способствует предотвращению перегрева и разрушения элементов. Это увеличивает срок службы датчика устройства и упрощает удаление остатков исследуемой среды после измерения. Ток от внутреннего источника питания в исследуемой среде идет от одного основного электрода к другому. Поскольку они выполнены в виде удлиненных пластин компактного сечения, то возникающие при этом расходящиеся эквитоковые поверхности имеют форму не тора, а приближаются к двум группам расходящихся цилиндров. Таким образом, по оси датчика ток распределен равномерно. Поскольку одна из групп цилиндров охватывает корпус датчика, который сам имеет строго цилиндрическую форму, то эквитоковые поверхности вытесняются за пределы неэлектропроводного корпуса и непосредственно у корпуса еще точнее соответствуют цилиндрической. За счет наличия внутри контура движения тока корпуса датчика происходит как-бы подправление не вполне концентрической формы эквитоковых линий ближе к концентрической. Эквитоковые линии у поверхности корпуса в локальном участке исследуемой среды, имеющем форму кольца и расположенном диаметрально противоположно экрану, идут вдоль поверхности корпуса. На этом участке замеряются сила тока и падение напряжения. Сила тока I1 измеряется с помощью "лепестка", состоящего из токовых электродов с размещенной между ними диэлектрической прокладкой. Токовые электроды соединены через амперметр, обладающий малым электросопротивлением. Падение напряжения U1 замеряется между измерительным и ближайшим к нему токовым электродами. Исследуемый локальный объем среды имеет высоту h, равную ширине токового электрода, ширину b, равную длине токового электрода, и длину l, равную дуговому расстоянию между серединой измерительного и рабочей поверхностью ближайшего к нему токового электрода. Так как сила тока замеряется в непосредственной близости от поверхности корпуса датчика и измерительный электрод расположен вровень с поверхностью корпуса, то точность оценки удельной электропроводности исследуемого локального объема среды оказывается высокой. Сторонние источники тока силой Iд создают на исследуемом участке среды дополнительное падение напряжение Uд. Общее падение напряжения на участке от внутреннего и сторонних источников тока U2=U1




S площадь поперечного сечения открытой поверхности токового электрода, м2;



где r радиус корпуса датчика, м;
n центральный угол корпуса датчика, опирающийся на дугу длиной l между измерительным и ближайшим к нему токовым электродами, град. Площадь поперечного сечения токового электрода
S=b

где b длина токового электрода, м;
h ширина токового электрода, м. Подставляя (4) и (5) в (3), окончательно имеем

где


Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2