Способ определения электрической проводимости природных вод

Изобретение относится к области электрических измерений. Способ включает подачу напряжения от источника тока на измерительные электроды на воздухе и измерение напряжения на электродах. Затем электроды погружают в воду и измеряют напряжение. После чего определяют статическую диэлектрическую проницаемость. Затем отключают источник тока, замыкают между собой измерительные электроды и, после снижения напряжения до нулевого значения, размыкают их. Измеряют установившееся напряжение после размыкания и соответствующее ему время. Определяют момент времени, для которого установившееся напряжение уменьшилось в е раз, рассчитывают время релаксации. По статической диэлектрической проницаемости и полученному времени релаксации определяют проводимость воды. Изобретение позволяет повысить точность измерений для определения электрической проводимости природных вод.

 

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в системах контроля при подготовке природной воды.

Известен способ косвенного измерения электрической проводимости, в котором путем измерения тока и напряжения в цепи с измеряемым объектом рассчитывают проводимость по закону Ома [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе низкая точность измерений за счет поляризации измерительных электродов, поэтому определяемая электрическая проводимость воды может значительно отличаться от ее фактического значения.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения электрической проводимости мостовым методом дискретного счета, при котором измеряют напряжения на измерительных электродах. В основу метода положен апериодический процесс, возникающий при подключении заряженного образцового конденсатора или катушки индуктивности с током на резистор с измеряемой проводимостью [2]. Данный способ принят в качестве прототипа.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявляемого, - измерение напряжения на измерительных электродах.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе низкая точность измерений для определения электрической проводимости природных вод за счет погрешностей измерений, обусловленных наряду с поляризацией измерительных электродов нестабильностью конденсатора, нестабильностью частоты генератора счетных импульсов, а также неточностью срабатывания устройства сравнения.

Задачей изобретения является повышение точности измерений для определения электрической проводимости природных вод.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, при котором измеряют напряжения на измерительных электродах, на измерительные пластинчатые электроды, находящиеся в воздухе, с постоянным межэлектродным расстоянием и постоянной площадью поверхности электродов накладывают напряжение от гальванического источника постоянного тока, измеряют напряжение на электродах U₁; погружают электроды в воду и измеряют напряжение U₂; определяют статическую диэлектрическую проницаемость ε_s формуле

, (1)

где U₁ - напряжение на измерительных электродах в воздухе; U₂ - напряжение на измерительных электродах в воде; отключают источник постоянного тока и замыкают через измерительную цепь между собой измерительные электроды; после снижения напряжения на измерительных электродах до нулевого значения размыкают их; измеряют и запоминают установившееся напряжение на электродах после размыкания U_i1 и соответствующее ему время τ_i1; определяют и запоминают момент времени τ_i2, для которого U_i1 уменьшилось в е раз; рассчитывают время релаксации τ_р по формуле

, (2)

где τ_i2 - момент времени измерения напряжения ;

τ_i1 - момент времени измерения напряжения U_i1;

n – число измерений;

затем определяют проводимость воды σ по формуле

, (3)

где ε_s – статическая диэлектрическая проницаемость;

τ_р - время релаксации.

Признаки заявляемого решения, отличительные от прототипа:

- накладывают напряжение от гальванического источника постоянного тока на измерительные пластинчатые электроды, находящиеся в воздухе, с постоянным межэлектродным расстоянием и постоянной площадью поверхности электродов;

- измеряют напряжение на электродах U₁;

- погружают электроды в воду;

- измеряют напряжение U₂;

- определяют статическую диэлектрическую проницаемость ε_s по формуле (1);

- отключают источник постоянного тока;

- замыкают между собой измерительные электроды через измерительную цепь;

- размыкают измерительные электроды после снижения напряжения до нулевого значения;

- измеряют и запоминают установившееся напряжение на электродах U_i1 и соответствующее ему время τ_i1;

- определяют и запоминают момент времени τ_i2, для которого U_i1 уменьшилось в е раз;

- рассчитывают время релаксации τ_р по формуле (2);

- определяют проводимость воды σ по формуле (3).

Отличительные признаки позволяют повысить точность измерений для определения электрической проводимости природных вод.

Предлагаемый способ определения электрической проводимости природных вод основан на том, что электрическая проводимость воды однозначно определяется объемным зарядом среды, значение которого зависит от состава и количества примесей. Для исключения влияния поляризации на результаты измерений измерительные электроды предварительно замыкают между собой, тем самым исключают в процессе измерений электрическую проводимость, обусловленную поверхностными зарядами электродов. Для снижения погрешности измерений электрической проводимости регистрируют не менее пяти значений на измерительных приборах в период релаксации заряда.

Способ определения электрической проводимости природных вод осуществляют следующим образом.

Для измерений используются измерительная ячейка произвольной формы, система двух пластинчатых, изолированных и жестко связанных между собой электродов и гальванический источник постоянного тока. На измерительные пластинчатые электроды, находящиеся в воздухе, с постоянным межэлектродным расстоянием и постоянной площадью поверхности электродов от гальванического источника постоянного тока накладывают напряжение U₁ и регистрируют его. Сигнал с измерительных электродов поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует сигнал в цифровой код. С АЦП сигнал регистрируется и запоминается в персональном компьютере (ПК). После чего электроды погружают в ячейку, регистрируют и запоминают напряжение U₂, рассчитывают статическую диэлектрическую проницаемость ε_s по формуле (1) и запоминают ее. С цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подается сигнал в цепь измерений, которая замыкает между собой измерительные электроды. После установления на электродах нулевого напряжения, которое регистрируется АЦП, электроды размыкаются. После чего АЦП регистрирует и запоминает пять значений исходных для расчета напряжений и соответствующие им моменты времени. При погруженных в ячейку электродах фиксировались моменты времени, для которых значения исходных напряжений уменьшались в е раз. Затем рассчитывалось время релаксации объемного заряда по формуле (2) и определялась проводимость воды σ по формуле (3).

Необходимая точность измерений может быть получена, если период опроса канала измерений не превышает 2 мс.

Пример конкретного выполнения способа.

Измерения осуществлялись в ячейке объемом 1·10^-3 м³. В качестве измерительных электродов были использованы пластинчатые электроды с площадью электродов 2·10^-3 м² и межэлектродным расстоянием 0,01 м. Измерения и обработка результатов производились с использованием системы сбора данных и управления RealLab, работающей совместно с ПК, период опроса канала измерения которой не превышает 2 мс. Средняя погрешность в определении электрической проводимости за один цикл измерений не превышает 0,25%.

Таким образом, преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом состоит в повышении точности измерений для определения электрической проводимости природных вод и уменьшении погрешностей измерений вследствие поляризации измерительных электродов и исключения погрешностей измерений, зависящих от нестабильности конденсатора, нестабильности частоты генератора счетных импульсов и неточности срабатывания устройства сравнения.

Источники информации:

1. Калашников С.Г. Электричество. -М. Наука, 1970.

2. Измерения в электронике: Справочник. В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. - М. Энергоатомиздат, 1987.

Способ определения электрической проводимости природных вод, при котором измеряют напряжения на измерительных электродах, отличающийся тем, что на измерительные пластинчатые электроды, находящиеся в воздухе, с постоянным межэлектродным расстоянием и постоянной площадью поверхности накладывают напряжение от гальванического источника постоянного тока, измеряют напряжение на электродах U₁, погружают электроды в воду и измеряют напряжение U₂, определяют статическую диэлектрическую проницаемость ε_s по формуле:

ε_S=U₁/U₂,

где U₁ - напряжение на измерительных электродах в воздухе;

U₂ - напряжение на измерительных электродах в воде,

отключают источник постоянного тока, замыкают через измерительную цепь между собой измерительные электроды, после снижения напряжения на измерительных электродах до нулевого значения размыкают их, измеряют и запоминают установившееся напряжение на электродах после размыкания U_i1 и соответствующее ему время τ_i1, определяют и запоминают момент времени τ_i2, для которого U_i1 уменьшилось в е раз, рассчитывают время релаксации τ_р по формуле:

где τ_i2 - момент времени измерения напряжения U_i2=U_i1/e;

τ_i1 - момент времени измерения напряжения U_i1;

n - число измерений, затем определяют проводимость воды σ по формуле:

где - диэлектрическая проницаемость;

τ_р - время релаксации.