контактный датчик удельной электрической проводимости жидкости

Формула изобретения

Контактный датчик удельной электрической проводимости жидкости, включающий опорный элемент и установленные на нем возбуждающие и измерительные электроды, установленные вдоль образующей опорного элемента попарно таким образом, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами, при этом каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару, отличающийся тем, что средние расстояния между поверхностями электродов в двух или более парах различаются между собой, причем датчик снабжен устройством сравнения, формирующим сигнал, зависящий от изменения отношения значений удельной электрической проводимости, измеренных в межэлектродных промежутках упомянутых пар.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контактной кондуктометрии и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости (УЭП) жидкости при контроле технологических процессов и при физико-химических исследованиях.

Применение изобретения наиболее целесообразно в области автоматизированных промышленных измерений, особенно в оборудовании ответственного назначения, в котором калибровка или поверка применяемых в нем кондуктометров может быть проведена лишь через значительные интервалы времени или вообще невозможна.

Известны двухэлектродные датчики УЭП жидкости (см. Лопатин Б.А., Теоретические основы электрохимических методов анализа, М., Высшая школа, 1975, с.105, 106), в которых измерение УЭП Х основано на измерении электрического сопротивления R жидкости между двумя электродами, размещенными в кондуктометрической ячейке, с последующим определением значения X по формуле:

где А - постоянная ячейки, зависящая от геометрических размеров и взаимного расположения электродов. Значение А определяется расчетом или экспериментально при помощи эталонных растворов.

Двухэлектродным датчикам свойственны погрешности, обусловленные эффектами поляризации жидкости у электродов и загрязнением электродов продуктами коррозии или иными веществами, находящимися в жидкости, наличием токов утечки, протекающих между электродами через жидкость за пределами области ячейки, наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей (газовых пузырей), изменением геометрии ячейки в процессе эксплуатации.

Влияние эффектов поляризации может быть существенно ослаблено за счет измерения УЭП на переменном токе, в этом случае величина R в формуле (1) представляет собой активную составляющую комплексного сопротивления жидкости.

Остальные указанные выше погрешности в той или иной мере присутствуют при использовании двухэлектродных датчиков. Величина этих погрешностей зависит от конструкции ячейки и условий ее эксплуатации.

Если в лабораторных условиях эти погрешности могут быть выявлены и учтены при измерениях, то в промышленных условиях они, как правило, остаются неизвестными.

В настоящее время особую актуальность приобрела задача увеличения интервала между операциями обслуживания кондуктометров до 10 и более лет. В рамках решения этой задачи для уменьшения составляющих погрешности, связанных с загрязнением электродов, часто используют датчики, использующие четырехэлектродный метод измерений (см. упомянутую книгу Б.А. Лопатина, с.108, 109).

В этих датчиках два электрода, называемых возбуждающими, подключают к источнику электрической энергии - источнику питания ячейки, ток питания ячейки измеряют или поддерживают неизменным, а между возбуждающими электродами устанавливают два электрода, называемых измерительными, с которых снимают напряжение, несущее информацию об УЭП жидкости, заполняющей пространство ячейки.

Четырехэлектродные датчики, использующие этот метод измерений, менее чем двухэлектродные датчики, чувствительны к загрязнению электродов продуктами коррозии или иными веществами, находящимися в жидкости.

Тем не менее, недостатком и этих датчиков является то, что по мере загрязнения электродов нарушается исходное соотношение между током питания ячейки и напряжением между измерительными электродами, используемое для определения УЭП. В результате при длительной эксплуатации не учитываемая составляющая погрешности измерения от загрязнения электродов может превысить допускаемое значение.

Кроме того недостатком этих датчиков является возможность появления составляющих погрешности, обусловленных токами утечки, наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей, изменением геометрии ячейки.

Ток утечки возникает в тех случаях, когда часть тока, создаваемого источником питания ячейки, проходит от одного токового электрода к другому не кратчайшим путем внутри ячейки, а через пространство, заполненное жидкостью за ее пределами. Значение тока утечки может изменяться в процессе эксплуатации, что увеличивает погрешность измерений и тем самым уменьшает их достоверность.

Известен датчик УЭП (патент ЕР 1621876, кл. G01N 27/06, G01N 27/07, 01.02.2006), в котором использован четырехэлектродный метод измерения, но для исключения тока утечки добавлен дополнительный - пятый электрод, локализующий электрическое поле внутри ячейки. Все электроды датчика расположены на опорном элементе, который размещен в непроводящем трубчатом корпусе. Дополнительный электрод подключен к тому же полюсу источника питания ячейки, что и наиболее удаленный от него возбуждающий электрод. Поверхности дополнительного и электрически связанного с ним возбуждающего электрода являются эквипотенциальными, что практически полностью исключает наличие тока утечки через пространство, заполненное жидкостью за пределами трубчатого корпуса.

Недостатком этого датчика является повышенное гидравлическое сопротивление зазора между опорным элементом и трубчатым корпусом, что приводит к уменьшению скорости протекания исследуемой жидкости через датчик. Соответственно увеличивается скорость загрязнения электродов, что приводит к более быстрому появлению не учитываемой составляющей погрешности от их загрязнения.

Кроме того, в этом датчике по-прежнему сохраняются не учитываемые составляющие погрешности, обусловленные наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки, а наличие дополнительного электрода существенно увеличивает длину датчика вдоль его оси.

Известен также контактный датчик УЭП жидкости (патент RU 2392613, кл. G01N 27/06, 20.06.2010), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемому датчику.

Известный датчик включает опорный элемент и установленные на нем возбуждающие и измерительные электроды, установленные вдоль образующей опорного элемента попарно таким образом, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами, при этом каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару. Опорный элемент может быть выполнен, в частности, в виде трубы, в этом случае электроды расположены на внутренней поверхности опорного элемента, или в виде стержня, в этом случае электроды расположены на боковой поверхности опорного элемента.

Датчик подключают к источнику питания ячейки и устройству контроля и обработки данных. В простейшем случае устройство контроля и обработки данных может представлять собой измеритель напряжения.

Электроды известного датчика не создают значимого гидравлического сопротивления протеканию жидкости через датчик, что приводит к увеличению скорости протекания жидкости между электродами и, соответственно, к уменьшению скорости их загрязнения. Одновременно достигается уменьшение тока утечки между электродами без увеличения геометрических размеров датчика, так как поверхности электрически соединенных средних электродов пар и, соответственно, область жидкости между этими электродами являются эквипотенциальными, поэтому ток в промежутке между средними электродами отсутствует.

Совокупность этих свойств известного контактного датчика позволяет повысить достоверность измерений УЭП жидкости при длительной эксплуатации без обслуживания.

Недостатком является то, что при использовании известного датчика, заметно влияние на результат измерений составляющих погрешности, обусловленных наличием в межэлектродном пространстве объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки. Кроме того, в известном датчике составляющая погрешности, связанная с загрязнением электродов, хотя и возрастает медленнее, чем в других аналогах, но при длительной эксплуатации ее величина по-прежнему остается неизвестной и может превысить допускаемые пределы.

Вследствие этого в известном контактном датчике оценка достоверности измерений УЭП жидкости не может быть получена непосредственно в процессе эксплуатации датчика.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности измерения УЭП жидкости непосредственно в процессе эксплуатации для обеспечения возможности многолетней эксплуатации датчика без какого-либо обслуживания.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в создании условий, при которых составляющие абсолютной погрешности, обусловленные загрязнением электродов, наличием объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки, в каждой ячейке нарастают практически одинаково, а их относительные значения нарастают различно, что позволяет непосредственно в процессе эксплуатации сформировать оценку результирующей погрешности датчика, учитывающую названные составляющие.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом контактном датчике УЭП жидкости, включающем опорный элемент и установленные на нем возбуждающие и измерительные электроды, установленные вдоль образующей опорного элемента попарно таким образом, что среднее расстояние между поверхностями электродов в парах меньше среднего расстояния между соседними парами, при этом каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару, в отличие от известного контактного датчика, средние расстояния между поверхностями электродов в двух или более парах различаются между собой, причем датчик снабжен устройством сравнения, формирующим сигнал, зависящий от изменения отношения значений УЭП, измеренных в межэлектродных промежутках упомянутых пар.

Технический результат возрастает по мере увеличения различия среднего расстояния между поверхностями электродов в парах.

На фиг.1, 2 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов, в котором опорный элемент выполнен в виде трубы, на внутренней поверхности которой установлены электроды, выполненные в виде пластин (фиг.1 - поперечное сечение, фиг.2 - продольное сечение).

На фиг.3 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов, в котором опорный элемент выполнен в виде стержня, на боковой поверхности которого установлены электроды, выполненные в виде пластин (поперечное сечение).

На фиг.4 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов, в котором опорный элемент выполнен в виде трубы, на внутренней поверхности которой установлены электроды, выполненные в виде колец (поперечное сечение).

На фиг.5 схематически изображен заявляемый контактный датчик, включающий три пары электродов, в котором опорный элемент выполнен в виде трубы, на внутренней поверхности которой установлены электроды, выполненные в виде пластин (поперечное сечение).

Заявляемый датчик (фиг.1-4) содержит возбуждающий электрод 1 и измерительный электрод 2 первой пары электродов и измерительный электрод 3 и возбуждающий электрод 4 второй пары электродов.

Заявляемый датчик (фиг.5) содержит возбуждающий электрод 1 и измерительный электрод 2 первой пары электродов, измерительные электроды 3 и 4 второй пары электродов и измерительный электрод 8 и возбуждающий электрод 9 третьей пары электродов.

Все электроды установлены на опорном элементе 5, который ориентирован вдоль направления потока жидкости, текущей в трубопроводе.

В варианте исполнения (фиг.1, 2, 4, 5) опорный элемент 5 выполнен в виде трубы, а электроды установлены на его внутренней поверхности. В варианте исполнения (фиг.3) опорный элемент 5 выполнен в виде стержня, а электроды установлены на его боковой поверхности. В варианте исполнения (фиг.1-3, 5) установленные на опорном элементе электроды выполнены в виде пластин. В варианте исполнения (фиг.4) установленные на опорном элементе электроды выполнены в виде колец.

Возможно использование и других вариантов выполнения опорного элемента и электродов датчика. Для каждого из этих вариантов возможно использование двух, трех и более пар электродов.

При любом варианте исполнения опорный элемент может быть выполнен из непроводящего материала или изготовлен из металла, но в последнем случае электроды должны быть изолированы от него. При этом поверхность опорного элемента должна быть дополнительно покрыта изолирующим слоем.

Пары электродов в датчике, включающем две пары электродов (фиг.1-4), характеризуются тем, что средние расстояния l ₁₂ и l₃₄ между поверхностями электродов в парах различается между собой, а также меньше среднего расстояния между парами электродов. Возбуждающие электроды 1 и 4 первой и второй пары электродов подключены к источнику питания ячейки 6 и к устройству контроля и обработки данных 7. Измерительные электроды 2 и 3 первой и второй пары электродов электрически соединены друг с другом и с устройством контроля и обработки данных 7.

Устройство контроля и обработки данных 7 снабжено устройством сравнения 10.

Пары электродов в датчике, включающем три пары электродов (фиг.5), характеризуются тем, что средние расстояния l₁₂, l₃₄ и l₈₉ между поверхностями электродов в парах различается между собой по крайней мере в двух парах из этих трех пар, а также тем, что эти средние расстояния меньше среднего расстояния между парами электродов. Возбуждающие электроды 1 и 9 первой и третьей пары электродов подключены к источнику питания ячейки 6 и к устройству контроля и обработки данных 7. Измерительные электроды 2 и 3 первой и второй пары электродов и измерительные электроды, 3 и 8 второй и третьей пары электродов электрически соединены друг с другом и с устройством контроля и обработки данных 7.

Заявляемый контактный датчик, включающий две пары электродов (фиг.1-4), работает следующим образом.

При погружении датчика в исследуемую жидкость между электродами 1 и 2 первой пары электродов течет электрический ток I. Так как средние электроды 2 и 3 электрически соединены друг с другом, то этот же ток течет между электродами 3 и 4 второй пары электродов. Значение тока I поддерживается постоянным и считается известным или измеряется.

При протекании тока I между электродами 1 и 2 первой пары электродов возникает напряжение U₁₂, а между электродами 3 и 4 второй пары электродов возникает напряжение U₃₄. Напряжения U₁₂ и U₃₄ поступают на вход устройства контроля и обработки данных 7.

Каждая пара электродов заявляемого контактного датчика может рассматриваться как двухэлектродная кондуктометрическая ячейка, характеризующаяся своим значением постоянной ячейки. Эти постоянные могут быть обозначены как А₁₂. для первой пары электродов и А₃₄ - для второй пары электродов в соответствии с номерами электродов, образующих пару.

По аналогии с формулой (1) значения УЭП X₁₂ и А₃₄ исследуемой жидкости, измеренные на переменном токе соответственно в ячейках, образованных первой и второй парой электродов, связаны со значениями постоянных A₁₂ и А₃₄ формулами

где R₁₂ и R₃₄ - активная составляющая сопротивления жидкости между электродами первой и второй пары соответственно.

Значения R₁₂ и R₃₄ в свою очередь определяются по измеренным значениям активных составляющих U_12a, U _34a комплексных напряжений U₁₂, U₃₄ и тока I по формулам

Измерение U_12a и U_34a с последующим определением значений R₁₂, R₃₄ и Х₁₂, Х₃₄, осуществляет устройство контроля и обработки данных 7. Если реактивные составляющие комплексных напряжений U₁₂, U₃₄ малы по сравнению с их активными составляющими, то устройство контроля и обработки данных 7 может осуществлять измерение модулей напряжений U ₁₂ и U₃₄ с последующим использованием значений этих модулей в формулах (4) и (5) вместо U_12a и U _34a.

Обычно после градуировки или калибровки датчика относительные погрешности Х₁₂ и Х₃₄ измерения УЭП в ячейках, образованных первой и второй парой электродов, существенно меньше допускаемых значений и, поэтому, в первом приближении можно принять, что Х₁₂ Х₃₄ 0.

Тогда значения УЭП X₁₂ и Х ₃₄, измеренные в ячейках, образованных первой и второй парой электродов, будут равны, что соответствует соотношению

В процессе эксплуатации под воздействием различных факторов погрешности X₁₂ и X₃₄ возрастают, измеряемые значения Х₁₂ и Х₃₄ в общем случае становятся различными, что приводит к изменению отношения (6). Чем больше различаются погрешности X₁₂ и Х₃₄ и соответственно значения Х₁₂ и Х₃₄, тем больше изменяется отношение (6), что и является предпосылкой для формирования оценки погрешности заявляемого датчика.

Для получения этой оценки устройство сравнения 10 формирует сигнал об изменении отношения Х₃₄ /X₁₂, а так как исходное значение этого отношения равно 1, то значение этого сигнала может быть определено следующим образом:

Между значением , представляющим собой величину, связанную с погрешностью датчика, и истинными значениями погрешностей Х₁₂ и Х₃₄ существует связь, определяемая формулами

где

R₁₂ и R₃₄ - абсолютные погрешности измерения сопротивлений R₁₂ и R₃₄.

Из (8)-(11) следует, что степень соответствия значения сигнала 6 величинам погрешностей Х₁₂ и X₃₄ определяется параметром . Значения этого параметра зависят от вида, характера и количества внешних факторов, воздействующих на ячейку, и представляют собой, в общем случае, случайную величину. Достоверная количественная оценка степени соответствия сигнала и погрешностей Х₁₂ и X₃₄ может быть получена при наличии информации о характере распределения вероятностей значений или о возможных пределах изменения этого параметра. При отсутствии такой информации возможна только приближенная оценка, основанная на априорных представлениях о возможных пределах и характере изменения значений . Та или иная гипотеза о причинах нарастания погрешности и, соответственно, о характере распределения вероятностей значений может быть обоснована по динамике изменения значений в процессе эксплуатации.

Как правило (см. О.Н.Кузьмичев, Е.С.Соколова, Л.И.Цветаева. Рекомендации по эксплуатации устройств для химического контроля на ТЭС Российской федерации. ОАО «Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС»), наиболее значимая составляющая погрешности контактных датчиков определяется загрязнением его электродов. При этом случай примерно одинакового загрязнения электродов, при котором R₁₂ R₃₄, представляется наиболее вероятным, так как обычно электроды ячейки изготавливаются из одного материала и находятся в одинаковых условиях. В этом случае значение будет нарастать монотонно, а максимум кривой плотности распределения вероятностей будет достигаться при 1.

Таким образом, для оценки погрешности датчика по значениям сигнала и формулам (8), (9) при наличии загрязнения электродов наиболее целесообразно принять =1 и тогда

Принятое для оценки погрешности датчика значение коэффициента С учитывается при настройке параметров устройства сравнения 10.

Из формулы (12) следует, что если A₁₂=A₃₄, то С=0, связь между и значениями Х₁₂ и X₃₄ становится неопределенной и, соответственно, значение сигнала не может быть использовано для оценки погрешности датчика.

Для реализации возможности оценки погрешности датчика должно выполняться условие А₁₂ А₃₄, кроме того, для эффективной оценки погрешностей целесообразно, чтобы значения , Х₁₂ и Х₃₄ были примерно сопоставимы друг с другом. Условно можно считать, что требуемая точность оценки будет выполняться, если доля значения будет составлять не менее 15-25% от значения погрешностей Х₁₂ и Х₃₄, что примерно соответствует различию не менее чем на 15-25% постоянных А₁₂ и А₃₄ . По мере дальнейшего увеличения различия значений А₁₂ и А₃₄ чувствительность к изменению погрешностей X₁₂ и Х₃₄ возрастает, но при этом появляется необходимость учета и других факторов, например, ограничений по габаритам электродной системы. Поэтому использование датчиков, в которых А₁₂ и А₃₄ различаются более чем в 3 или 4 раза, также практически не оправданно.

Наиболее эффективным способом обеспечения требуемого соотношения между А₁₂ и А₃₄, а также обеспечения одинаковости условий эксплуатации электродов, является использование пар с электродами одинаковой геометрии (площади), но с различными средними расстояниями между поверхностями электродов в парах. В этом случае (A₃₄ /A₁₂) (l₃₄/l₁₂), тем самым приведенное выше условие А₁₂ А₃₄ эквивалентно условию l₁₂ l₃₄, а диапазон практически эффективных соотношений между l₁₂ и l₃₄ соответствует приведенному выше диапазону эффективных соотношений между А₁₂ и А₃₄.

При наличии составляющих погрешности датчика, обусловленных появлением в жидкости объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки, связь между значением сигнала и значением результирующей погрешности датчика становится менее детерминированной, так как наличие этих составляющих приводит к большему рассеянию истинных значений параметра относительно среднестатистического максимума =1.

Но возникновению таких погрешностей обычно сопутствует резкое изменение режима работы установки, в трубопровод которой включена ячейка кондуктометра, и немонотонное изменение значения .

Причем и в этом случае корреляция между оценкой погрешности датчика (значением сигнала ) и истинным значением этой погрешности сохраняется достаточно высокой для того, чтобы использовать сигнал для выявления увеличения погрешности датчика.

Так как измерение значений УЭП жидкости и выделение сигнала осуществляются практически одновременно, то оценка погрешности датчика может формироваться непосредственно в процессе эксплуатации датчика с заданной периодичностью или же непрерывно.

Использование заявляемого контактного датчика позволяет получать эту оценку, в том числе, при наличии сильного загрязнения электродов датчика, при появлении в жидкости объемных неоднородностей и изменении геометрии ячейки.

Тем самым решается задача повышения достоверности измерения УЭП жидкости, что обеспечивает возможность многолетней эксплуатации датчика без какого-либо обслуживания.

Дальнейшего повышения достоверности измерения УЭП жидкости можно достигнуть при использовании в датчике трех или более пар электродов, отвечающих указанным в формуле изобретения требованиям по среднему расстоянию между поверхностями электродов в парах.

В качестве примера приведен заявляемый контактный датчик, включающий три пары электродов (фиг.5), который работает в основном аналогично датчику с двумя парами электродов.

В этом датчике один и тот же электрический ток I течет между электродами 1 и 2, 3 и 4, 8 и 9 первой, второй и третьей пары электродов. При этом между этими электродами возникают соответственно напряжения U₁₂ , U₃₄ и U₈₉, которые поступают на вход устройства контроля и обработки данных 7.

При наличии трех пар электродов датчик характеризуется тремя значениями постоянных, обозначаемых соответственно как А₁₂, А ₃₄, и А₈₉.

По формулам, аналогичным формулам (2)-(5), дополнительно определяется значение УЭП X ₈₉, измеренное в ячейке, образованной третьей парой электродов.

Оценка погрешности датчика проводится на основе сопоставления трех результатов измерений УЭП Х₁₂, Х₃₄ , X₈₉. Для этого устройство сравнения 10 формирует сигналы, зависящие от изменения отношений Х₃₄/Х ₁₂ и X₈₉/Х₁₂, и определяет по их значениям соответствующие оценки погрешности датчика, а затем производит проверку полученных оценок на соответствие друг другу. Близость двух оценок свидетельствует о большей их надежности, и, следовательно, о большей достоверности результатов измерений собственно УЭП.

Аналогично при наличии в датчике четырех и более пар электродов появляется возможность получения трех и более оценок погрешности датчика с последующей их проверкой на близость друг к другу, что приводит к дополнительному увеличению надежности этих оценок.

С другой стороны, очевидно, что увеличение количества пар электродов в датчике усложняет размещение электродов в заданных габаритах и приводит к усложнению конструкции датчика в целом. Поэтому такое решение целесообразно применять в случаях использования датчика для особо ответственных измерений, при которых предъявляются повышенные требования к их достоверности.

Заявляемый контактный датчик УЭП жидкости позволяет создать условия, при которых составляющие абсолютной погрешности, обусловленные загрязнением электродов, наличием объемных неоднородностей и изменением геометрии ячейки, в каждой ячейке нарастают практически одинаково, а их относительные значения нарастают различно, что позволяет непосредственно в процессе эксплуатации сформировать оценку результирующей погрешности датчика, учитывающую названные составляющие.

В конечном итоге этот результат позволяет повысить достоверность измерения УЭП жидкости непосредственно в процессе эксплуатации для обеспечения возможности многолетней эксплуатации датчика без какого-либо обслуживания.

Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.