Кондуктометрический датчик

 

Использование: в измерительном приборостроении для теплотехнической, химической и других отраслей, в частности в устройствах для измерения удельной электропроводности жидкости, движущейся в трубопроводе, путем замера ее сопротивления. Сущность изобретения: датчик представляет собой участок цилиндрического трубопровода, изготовленного из любого материала, и пары проволочных электродов, расположенных внутри потока на определенном расстоянии от стенок и симметрично оси канала. В данном случае реализуются условия для существования в зоне датчика электрического поля, присущего полю двухпроводной линии в бесконечной среде. При этом величина измеряемого сопротивления жидкости не зависит от наличия близко расположенных стенок канала, что позволяет бестарировочным методом проводить измерения сопротивления и на его основе удельной электропроводимости жидкости в трубопроводе как с металлическими, так и диэлектрическими стенками. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, служит для определения удельной электропроводности жидкости, движущейся в трубопроводе, путем замера ее сопротивления и может быть использовано в теплотехнической, химической и других отраслях промышленности.

Известны первичные преобразователи для проведения измерений в электропроводных жидкостях с помощью двух параллельных, вертикально установленных электродов с цилиндрической боковой поверхностью [1] Аналогичная конструкция электродов используется в [2] Однако для определения электропроводности жидкости в конструкцию введен третий электрод, размещенный идентично первым двум. Кроме того, недостатком данного кондуктометра является трудоемкость в проведении измерения, заключающаяся в необходимости одновременной регистрации с помощью самостоятельных приборов двух выходных сигналов с последующим их перемножением. К недостаткам следует отнести невозможность проведения измерения непосредственно в трубопроводах с движущейся жидкостью, а также требование нахождения экспериментальным путем некой безразмерной константы, зависящей от взаимного расположения всех трех электродов.

Наиболее близким к изобретению является кондуктометрический датчик для определения концентрации частиц в потоке [3] на основе последовательных замеров сопротивлений только жидкости и жидкости с включениями. Датчик состоит из диэлектрического цилиндрического корпуса и проволочных электродов, установленных на стенке противоположно друг другу вдоль оси цилиндра. К недостатку наиболее близкого аналога следует отнести то, что наличие близко расположенных к электродам стенок существенно деформирует электрическое поле в зоне датчика и сказывается на величине измеряемого сопротивления. Следовательно, в данной ситуации при известных геометрических размерах электродов и датчика теоретически сложно определить электропроводность исследуемых сред на основе замеров сопротивления, т.е. проводить измерения бестарировочным методом. Другим недостатком наиболее близкого аналога, связанным с данным расположением электродов на стенках канала, является необходимость использования диэлектрического корпуса, что исключает возможность проводить измерения непосредственно в металлических трубопроводах.

Техническим результатом изобретения является повышение точности, достоверности определения удельной электропроводности и расширение функциональных возможностей, позволяющих проводить измерения как в диэлектрических, так и в металлических трубопроводах.

Технический результат достигается за счет расположения электродов (фиг. 1) внутри потока вне стенок параллельно оси канала, причем расстояние между электродами l, их длина h и внутренний диаметр цилиндрического корпуса датчика D связаны соотношением l/D≅0,25 и h/l≥ 16. Это обеспечивает предотвращение стеснения в зоне датчика силовых линий электрического поля стенками корпуса и минимизацией концевых эффектов, обусловленных конечной длиной электродов в направлении движения жидкости. В результате в зоне датчика реализуются условия для существования электрического поля, присущего двухпроводной линии в бесконечной среде.

Существенными признаками, характеризующими изобретение, являются цилиндрический корпус датчика с внутренним диаметром, равным диаметру канала, по которому движется исследуемая жидкость, а также проволочная форма электродов и их диаметрально противоположное размещение вдоль оси канала. К ним также относятся и отличительные от наиболее близкого аналога признаки, а именно вышеуказанные соотношения, связывающие между собой расстояние между электродами l, их длину h и диаметр D. Кроме того, электроды расположены внутри потока, в то время как у наиболее близкого аналога на стенках корпуса, т.е. l/D 1.

Таким образом, заявляемые существенные признаки решают задачу создания в ограниченном объеме датчика электрического поля, эквивалентного полю погруженной в бесконечно протяженную среду двухпроводной линии, что позволяет проводить измерения бестарировочным методом.

Реализация данной ситуации основывается на том, что для случая, когда жидкость заполняет только объем датчика, т.е. ее уровень Н равен длине электродов h, экспериментальным путем обнаружен эффект, когда для любого расстояния l между электродами существует определенная величина D, начиная с которой дальнейшее увеличение диаметра корпуса датчика не вызывает изменения сопротивления (сплошные линии на фиг.2). Условие, при котором наблюдается данный эффект, выражается отношением l/D≅0,25, которое и является одним из заявляемых существенных признаков. При выполнении данного признака наличие диэлектрических стенок датчика (трубопровода) не сказывается на результатах измерения сопротивления. Более того замена корпуса датчика, выполненного из диэлектрика, на металлический с тем же отношение l/D≅0,25 приводит к тем же результатам (штриховые линии на фиг.2), что подтверждает достоверность отмеченного выше эффекта. Это позволяет устанавливать электроды непосредственно в трубопроводах, как правило, металлических, перемещать их по длине трубопровода и тем самым расширить функциональные возможности работы датчика.

Таким образом, для l/D≅0,25 cуществует однозначная и универсальная связь между удельной электропроводностью жидкости χ и ее сопротивлением R через конструктивные параметры l и r (радиус электрода), что подтверждается обобщением большого количества экспериментальных данных, полученных при изменении в широком диапазоне (на несколько порядков) параметров: D, l, r, h, χ а также материала электродов и температуры жидкости. Так, например, D варьировалось от 12 до 400 мм, l 2.400 мм, h 5.1000 мм и т.д.

Данная зависимость имеет вид κ [Ом^-1м^-1] при l/D ≅ 0,25 (1) Cледует отметить, что эта зависимость, полученная экспериментально для датчика, полностью заполненного жидкостью, т.е. с уровнем Н h, абсолютно тождественна теоретическим результатам для двухпроводной линии, погруженной в бесконечно протяженную среду. Это является подтверждением не только качественной картины явлений, возникающих в зоне датчика, но и является доказательством достоверности результатов, полученных с помощью данной конструкции датчика при определении электропроводности жидкости на основе замеров ее сопротивления. Подтверждением служит также и то, что наблюдаемая зависимость (1) справедлива и для Н ≅h, т.е. для случая частично погруженных в жидкость электродов, причем связь между проводимостью жидкости и высотой ее уровня линейная. Этот факт расширяет функциональные возможности данной конструкции и позволяет получить новый технический результат, а именно использовать датчик в качестве уровнемера жидкостей. Измерение уровня жидкости при известной величине χ проводится также бестарировочным методом с использованием зависимости (1). Еще одним техническим результатом, который можно получить, основываясь на заявляемых существенных признаках, является то, что корпус датчика может иметь произвольную форму, а не только цилиндрическую.

Другим заявляемым существенным признаком, представленным в виде соотношения, является зависимость h/l ≥16, связывающая расстояние между электродами l с их длиной h. Введение данного признака обусловлено тем, что в силу конструктивных особенностей и предназначения датчика для работы в трубопроводах, полностью заполненных движущейся жидкостью, линии тока также располагаются в слоях жидкости, примыкающих к торцам датчика, т.е. и вне зоны датчика, ограниченной длиной электродов h, что является источником дополнительной погрешности при измерении сопротивления. Заявляемое отношение h/l позволяет минимизировать данные концевые эффекты и обеспечить погрешность при измерении сопротивления, не превышающую 1% (фиг.3).

На фиг.1 показан кондуктометрический датчик для определения удельной электропроводности жидкости. Датчик представляет собой участок трубопровода 1 диаметром D, материалом которого может быть как диэлектрик, так и металл, с электродами 2 в виде тонких проволочек длиной h и радиусом r, установленных на кронштейнах-изоляторах 3 диаметрально противоположно вдоль образующей канала на некотором расстоянии от его стенок, Н уровень жидкости в зоне датчика (Н≅h).

На фиг.2 представлена зависимость сопротивления жидкости R от параметра l/D. Сплошные линии соответствуют результатам измерения для датчика с диэлектрическими (стеклянными) стенками, штриховые с металлическими. Уровень жидкости Н в зоне датчика ограничен длиной электродов h, т.е. Н h. Диаметр датчика менялся в интервале D 12.400 мм.

На фиг. 3 показана ошибка, обусловленная концевыми эффектами, которая представлена в виде зависимости ΔR/R от параметра h/l при l/D≅ 0,25 для металлических и стеклянных труб. Здесь ΔR R_∞ R, причем R_∞ сопротивление жидкости для случая, когда электроды погружены в поток, полностью заполняющий трубопровод, т.е. имеют место концевые эффекты; R сопротивление для случая Н h, когда концевые эффекты не наблюдаются.

Определение удельной электропроводности с помощью данного кондуктометрического датчика осуществляется следующим способом. Определяют сопротивление электропроводящей жидкости, движущейся в трубопроводе. Затем, используя формулу (1), производят расчет искомой удельной электропроводности χ Результаты измерения сопротивления, проведенные с помощью кондуктометрического датчика, и вычисленная на его основе по формуле (1) удельная электропроводность χ представлены в таблице. Исследуемой жидкостью служил раствор с концентрацией 0,001 N KCL. Справочное значение χ для данной концентрации при 20^оС равно 0,000133 Ом^-1см^-1. Дистиллированная вода, идущая на приготовление раствора, должна иметь удельную электропроводность не более 2 ˙10^-6 Ом^-1см^-1.

Измерения проведены с помощью датчика с внутренним диаметром D 110 мм со стенками корпуса, изготовленными как из металла, так и стекла. Электродами служила никелевая проволока r 0,135 мм.

Из таблицы следует, что в заявляемых в формуле изобретения диапазонах l/D≅0,25 и h/l≥16 максимальная ошибка при определении χ составляет ± 3% тогда как вне их быстро растет и достигает 100% и более.

Преимуществами предложенного датчика по сравнению с наиболее близким аналогом являются возможность проведения измерения бестарировочным методом на основе только одного замера, возможность использовать датчик в трубопроводах, изготовленных из любого материала, как проводящего, так и диэлектрика.

Формула изобретения

КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий цилиндрический корпус и проволочные электроды, установленные симметрично вдоль оси канала, отличающийся тем, что расстояние между электродами I, их длина h и диаметр D канала связаны соотноениями I/D ≅ 0,25, h/l ≥ 16.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4