устройство для измерения удельной электропроводности и плотности тока

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ПЛОТНОСТИ ТОКА, содержащее два незаземленных токовых электрода, разделенных изоляционной прокладкой, два измерительных электрода, переменный резистор, амперметр, два регистратора напряжения, средство для изменения и фиксирования положения датчика в пространстве, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено изолирующим экраном, выполненным в виде пластины из диэлектрического материала, причем измерительные электроды выполнены в виде штырей, соединенных между собой через первый регистратор напряжения и расположенных под токовыми электродами, изоляционная прокладка выполнена в виде полуцилиндра, токовые электроды, соединенные между собой через амперметр и переменный резистор, выполнены в виде полудисков, установленных заподлицо с изоляционной прокладкой, а второй регистор напряжения включен между токовыми электродами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения удельной электропроводности жидких растворов и расплавов в условиях действия внешних (сторонних) источников тока в том числе в локальных объемах растворов и расплавов с высокой вязкостью, а также для измерения плотности тока в локальных объемах вязким растворов и расплавов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения удельной электропроводности, содержащее диэлектрическую трубку с незаземленными дискообразными токовыми и кольцевыми измерительными электродами, из которых токовые и один из измерительных электродов расположены внутри трубки, два других измерительных электрода расположены снаружи трубки соответственно над внутренними измерительным и ближайшим к нему токовыми электродами, между токовыми электродами расположена изоляционная прокладка, при этом наружные электроды подключены к первому регистратору, а токовые электроды соединены через амперметр и переменный резистор.

При измерении изменяют положение датчика, фиксируют уровень сигнала по первому регистратору. Добиваясь такого положения датчика, при котором уровень сигнала становится максимальным. В найденном положении датчики изменением сопротивления переменного резистора добиваются совпадения показателей регистров напряжения. С помощью амперметра измеряется ток. По известным геометрическим размерам исследуемого участка жидкой среды, току и напряжению определяется удельная электропроводность жидкой среды. Устройство позволяет также измерять плотность тока жидкой среды.

Выполнение датчика на основе непроточной трубки с массивной изоляционной прокладкой посередине имеет ряд недостатков. В частности, если рабочая температура измеряемой среды не намного выше ее температуры плавления, то на границе дискообразных электродов весьма вероятно образование настылей, гарнисажа из закристаллизовавшейся измеряемой среды. В подавляющем большинстве случаев свойства жидкой среды и образовавшегося из нее твердого вещества существенно разнятся. Например, твердые сварочные флюсы АН-20, АН-8, АН-348А и другие являются практические неэлектропроводными. При этом достоверность оценок удельной электропроводности измеряемой среды может существенно снижаться.

При повторном использовании датчиков с непроточной трубкой может усложняться процесс подготовки его к работе, так как после каждого использования датчика за счет явления хемосорбции в углах перечисления стенок трубки и дискообразных электродов формируются галтели жидкой среды. В этих же местах при работе с вязкой средой, если она является полностью либо частично полимеризуемой при температуре измерения, интенсифицируется процесс налипания остатков вязкой среды.

Если температура плавления исследуемой среды выше комнатной температуры, то при охлаждении датчика эти кольцеобразные образования (галтели жидкой среды) могут кристаллизоваться.

При погружении датчика в вязкую измеряемую среду у поверхности дискообразных электродов могут возникнуть воздушные пробки, снижающие точность измерения. После извлечения из исследуемой вязкой среды остатки ее вследствие плохого стекания могут высыхать, образуя твердую неэлектропроводимую корку, которая может вносить существенные погрешности в процессе измерения. Налипшие остатки вязкой среды могут кристаллизоваться, что затрудняет подготовку датчика к последующим измерениям.

Цель изобретения - измерение удельной электропроводности и плотности тока в вязких растворах и расплавах.

Это заключается в том, что устройство для измерения удельной электропроводности сред, содержащее два незаземленных токовых электрода, разделенных изоляционной прокладкой, два измерительных электрода, переменный резистор, амперметр, два регистратора напряжения, средства для изменения и фиксирования положения датчика в пространстве, дополнительно снабжено изолирующим экраном, выполненным в виде пластины из диэлектрического материала, причем измерительные электроды выполнены в виде штырей, соединенных между собой через первый регистратор напряжения и расположенных над токовыми электродами, изоляционная прокладка выполнена в виде полуцилиндра, токовые электроды, соединенные между собой через амперметр и переменный резистор, выполнены в виде полудисков, установленных заподлицо с изоляционной прокладкой, а второй регистратор напряжения включен между токовыми электродами.

Устройство позволяет не только производить измерения в жидкой (вязкой) среде в условиях воздействия на нее сторонних источников тока, но и использовать эти источники в процессе измерения. Измерением величины сопротивления переменного резистора можно добиться равенства показаний регистраторов напряжения на измерительных штыревых и токовых полудисковых электродах. Для повышения точности измерения устанавливается изолирующий экран, который ликвидирует влияние тока через полудисковые электроды на ток, протекающий с внешней стороны датчика, на которой расположены измерительные электроды. При регулировании плотности тока с внутренней стороны экрана последняя постепенно приближается к плотности с внешней стороны изолирующего экрана . При этом взаимное влияние плотностей тока снаружи и изнутри экрана снижается и в пределе стремится к нулю. Если плотность тока снаружи и изнутри изолирующего экрана одинаковы, то никаких выравнивающих токов между сторонами экрана не протекает. При этом погрешность измерения от выравнивающих токов равна нулю. Плотность тока в исследуемой среде распределена равномерно. Так как сила тока, проходящего через токовые электроды, фиксируется амперметром, то можно определить и саму плотность тока.

Отказ от цилиндрической формы датчика ( в виде непроточной трубки) обусловлен его планируемой областью применения. Рассматриваемая конструкция создана для облегчения многократного использования устройства при измерении удельной электропроводности вязких сред. Трубка датчика, выполненная из изоляционного материала, как бы развернута в пластину. В связи с этим ликвидирован внутренний кольцевой измерительный электрод, и замер напряжений производится на полудисковых электродах. Так как за счет изолирующей прокладки весь ток датчика протекает через токовые электроды, то большей равномерности распределения плотности тока в токовых электродах способствует их выполнение в виде полудисков. Наружные кольцевые электроды для снижения собственного влияния на распределение тока в среде выполнены в виде коротких штырей и расположены непосредственно над дисковыми электродами.

Два измерительных электрода, расположенные на внешней стороне изолирующего экрана, обеспечивает измерение разности потенциалов на внешней стороне, датчика, на которой размещены измерительные электроды. Для получения одинаковых условий оценки показателей регистраторов напряжения тока на внешней стороне и внутренней стороне изолирующего экрана токовые электроды расположены напротив измерительных электродов. Подключение регистратора напряжения между токовыми электродами обуславливается требованием сохранения измерения в самой исследуемой среде без включения в измерительную цепь других элементов электрической цепи.

Несмотря на то, что трубка, выполненная из изоляционного материала, в датчике устройства не применяется, условия и принцип измерения остаются таким же, как и в известном устройстве (прототипе). Это связано со следующими обстоятельствами.

После приравнивания с помощью переменного резистора плотности тока с внутренней стороны экрана к плотности тока с наружной стороны экрана в исследуемом локальном объеме среды устанавливается равномерное электрическое поле. В сечениях локального объема среды, перпендикулярных эквитоковым линиям, устанавливаются равные потенциалы (в случае измерения устройством-прототипом аналогично).

Из локального объема среды вычленяется полуцилиндр, занимаемый изоляционной прокладкой. С торцов полуцилиндра установлены полудисковые токовые электроды. Внешние поверхности их обращены к исследуемой среде. Через один электрод входит, а через другой выходит электрический ток, причем плотность этого тока такая же, что и через расположенную вокруг исследуемую среду (аналогично в устройстве-прототипе).

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.

Устройство содержит датчик удельной электропроводности, состоящий из изоляционного экрана, выполненного из диэлектрического материала, токовых полудисковых электрода 2 и 3, разделенных изоляционной прокладкой 4, измерительных электрода 5 и 6, выполненных в виде коротких штырей, а также амперметр 7, переменный резистор 8, одинаковые регистраторы напряжения (вольтметры) 9 и 10.

Токовые электроды 2 и 3 соединены между собой через последовательно соединенные амперметр 7 и переменный резистор 8. Параллельно этой электрической цепи включен регистратор 9 напряжения. Другой регистратор 10 напряжения включен между измерительными электродами 5 и 6.

Диаметр токовых полудисковых электродов 2 и 3 равен диаметру полуцилиндрической изоляционной прокладки 4. Токовые электроды 2 и 3 плотно соединены с прокладкой 4. Полученный полуцилиндр плотно соединен с изоляционным экраном 1. Измерительный электрод 5 и токовый электрод 2 располагаются по разные стороны экрана 1 друг напротив друга. Аналогично измерительный электрод 6 и токовый электрод 3 располагаются по разные стороны экрана 1 друг напротив друга.

Изоляционные прокладка 4 и экран 1 выполняются из материала с низкой диэлектрической проницаемостью в диапазоне рабочих температур изучаемой жидкой среды. При высокой температуре среды материал трубки должен обладать жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды трубка может быть выполнена из эбонита, полихлорвинила, фторпласта, при высокой агрессивности и температуре - из фарфора, кварца, спеченого алунда.

Все электроды выполняются из материала с высокой электропроводностью и низкой склонностью к поверхностной поляризации. При значительной температуре изучаемой среды материала электродов должен обладать высокой жаропрочностью, а при повышенной агрессивности среды - хорошей коррозионной стойкостью, либо жаропрочностью. Например, при низкой агрессивности и температуре жидкой среды электроды выполняются из стали 12Х18Н9Т, а при высокой агрессивности и температуре среды - из платины, карбида кремния.

Изолирующий экран служит для предотвращения влияния тока, протекающего через полудисковые электроды на ток, протекающий снаружи датчика. Полудисковые электроды, воспринимающие рабочий ток, обладают большей поверхностной площадью, чем штырьевые. Поляризация понижена, так как с увеличением площади уменьшается плотность тока. Через измерительные электроды и регистратор напряжения протекают очень малы токи (по сравнению с токовыми электродами). В результате, несмотря на малую площадь поверхности контакта, измерительные электроды имеют достаточно низкую плотность тока через них, а значит минимальную поляризационную активность на поверхностях и минимальное отрицательное влияние на точность измерения.

Средство для измерения и фиксирования положения датчика в пространстве предоставляет собой устройство, имеющее шесть степеней свободы, позволяющее изменять положение трубки во всех трех ортогональных плоскостях и вращать ее в этих плоскостях.

Устройство работает следующим образом.

Датчик погружается в исследуемую среду, по которой протекает рабочий ток, например в шлаковую ванну установки для электрошлаковой сварки с "длинным" флюсом марки АН-8. Изменяя положение датчика, фиксируют значение напряжения по регистратору 10. Добиваются такого положения датчика, при котором уровень сигнала становится максимальным. В найденном положении датчика изменения сопротивления переменного резистора 8 добиваются совпадения показаний регистраторов 9 и 10. При этом продольная ось полуцилиндра датчика располагается вдоль эквитоковых линий. Производится отчет показаний амперметра 7 и регистраторов 9 и 10 напряжения.

Удельная электропроводность находится по формуле

q= , См м^-1, (1) где I - ток по показаниям амперметра 7, А;

S - площадь поперечного токового электрода 5, м²;

l - расстояние между токовыми электродами 5 и 6, м;

U - напряжение по показаниям регистраторов 9, В.

Плотность тока находится по формуле

j = I/S , А/мм². (2)

Величина сопротивления R_р переменного резистора 8 должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечить изменение плотности тока на токовых электродах от величины, большей фактической плотности тока, в данном локальном объеме до величины, меньшей фактической плотности тока. Минимальное значение сопротивления электрической цепи, состоящей из амперметра 7, переменного резистора 8 и подводящих проводов должно быть меньше сопротивления участка исследуемой среды, вытесняемой изоляционной прокладкой 4, и токовыми полудисковыми электродами 5 и 6. Этим обеспечивается регулируемость величины плотности тока в процессе измерения.

Метрологические характеристики устройства получены при сравнительном измерении раствора KCl при 20^оС нормальной концентрации 0,1 Н. Результаты измерения приведены в таблице.

Как видно из таблицы, точность измерения удельной электропроводности и плотности тока исследуемой среды предлагаемым устройством и устройством-прототипом соизмеримые.

Предлагаемое устройство позволяет расширить область применения устройства - осуществлять измерение удельной электропроводности вязких сред в условиях действия стороннего источника. Форма устройства позволяет проводить измерения в вязких средах. При этом датчик легко освобождается от налипающих остатков исследуемой среды и легко подготавливается для следующего измерения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1684724, кл. G 01 R 27/22, 1991.