SU851240A1 - Чувствительный элемент измерител элек-ТРОпРОВОдНОСТи - Google Patents

Description

Изобретение относится к физикохимическому анализу и может быть использовано для работы в качестве . чувствительного элемента (первичного 'преобразователя) в радиотехнической измерительной цепи устройства для * определения удельной электропроводности (УЭ) жидкости.

Известен чувствительный элемент, который содержит тороидальную катушку для возбуждения в среде электро-® магнитного поля, а также приемную ' тороидальную катушку. Измерительный эффект заключается в том, что наведенная в приемной катушке ЭДС пропорциональна УЭ среды £1].

Недостатками известного чувствительного элемента являются необходимость в громоздком магнитном экранировании устройства из-за высокой чувствительности приемной цепи к магнитным наводкам, в частности, к магнитному полю Земли, а также полям рассеяния в возбуждающей катушке;

зависимость коэффициента связи между катушками от частоты питающего напряжения, что приводит к трудности при использований прецезионных балансных схем измерения, поскольку в генераторах синусоидальных колебаний всегда присутствуют высшие гармоники; слишком большой объем пространственного осреднения, поскольку используют такой режим измерения, когда ток через отверстия катушек не фиксирован, а пропорционален УЭ среды.

Наиболее близкой к предлагаемому чувствительному элементу по технической сущности является четырехэлектродная электролитическая ячейка, которая содержит средство для подвода электромагнитного поля к исследуемой среде и измерительные электроды £2].

Недостаток указанной ячейки состоит в негативном влиянии электролитической поляризации электродов на точность измерения, поскольку при протекании значительного тока через границу раздела фаз (металл-электролит) возникает, паразитный поляризационный импеданс (резистивно-емкостной) . Точность измерений, кроме того, снижается из-за загрязнения токовых электродов, а также, при определенных условиях, в результате выделения на них газообразных Продуктов электрохимических реакций.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, Что в чувствительном элементе средство для подвода электромагнитного поля выполнено в виде тороидальной катушки, а измерительные электроды расположены в отверстии катушки и разненсены в аксиальном направлении.

электроды, использование например, по сравнению с тороидальной катушкой обеснечувствительность устройк магнитным наводкам и полям

Использ9вание тороидальной катушки в качестве устройства для подвода электромагнитного поля к исследуемой среде позволяет снизить погрешность измерения благодаря отсутствию электрохимического взаимодействия металлических токовых электродов с электролитом. Тороидальную катушку используют в специфическом,впервые примененном режиме измерения,когда активное сопротивление среды меньше её индуктивного сопротивления. Именно такой режим позволяет применить приемные которых, приемной печивает ства рассеяния, что позволяет резко облегчить конструкцию из-за отсутствия необходимости в громоздких магнитных экранах; кроме того, нет частотнозависимого коэффициента трансформации, значительно меньше эффект близости, меньше пространственное осреднение, ниже порог чувствительности.

На чертеже изображен предлагаемый чувствительный элемент.

Чувствительный элемент состоит из тороидальной катушки 1, обмотку которой через клеммы 2 и 3 подключают к генератору синусоидального напряжения. В отверстие тороидальной катушки помещают приемные электроды 4 и 5, разнесенные в аксиальном направлении, которые представляют собой металлические поверхности, выступающие из изоляторов би 7. Через клем40

851240 4 мы 8 и 9 электрода подключают к приемной цепи измерителя электропроводности жидкости. При протекании по обмотке тороидальной катушки электрического тока в среде также индуцируется электрический ток 10. При этом в подавляющем большинстве случаев магнитной компонентной электромагнитного поля можно пренебречь.

Элемент работает следующим образом.

Индуцированный в среде электрический ток 10 создает вдоль трубок тока ' (показаны на чертеже стрелками) падение напряжения, которое измеряю! с помощью приемных электродов. Измеренное падение напряжения пропорционально удельному сопротивлению исследуемой среды (величина обратная УЭ) при условии, что ток через отверстие катушки мало зависит (в идеальном случае совсем должен не·.· зависеть) от УЭ среды. Такой режим измерения полностью аналогичен четырехэлектродной ячейке, поскольку протекающий через нее электрический ток (подводят токовыми электродами) максимально стабилизирован так как только напряжение на приемных электродах пропорционально удельному сопротивлению .среды. Если на токовых электродах стабилизировано напряжение, то тогда ток, индуцированный в среде, при условии малости поляризационных явлений, пропорционален УЭ среды. Этот режим измерения на практике не исполь-зуют из-за низкой точности, а его физический эквивалент реализуют с помощью двух тороидальных катушек, т.е. ток через отверстия обоих катушек пропорционален УЭ среды, а индуцированная в приемной катушке (пояс Роговского) ЭДС пропорциональна току через ее отверстие.

Работу тороидальной катушки, помещенной в электропроводную среду,можно оценить с помощью соотношения

U □= - ~’ (1) ИЙ + (ωι./Ε)^α

- полный ток через отверстие катушки;

- потенциал рического лучают из где 3 где Е соленоидного электполя, который посоотношения (2) чел)- < напряженность электрического поля;

851240 6

Ф - поток магнитной индукции в сердечнике катушки,который охватывается контуром интегрирования.

U выражается через геометрические ₅ параметры катушки, величину тока через ее обмотку, частоту питающего напряжения и, следовательно, это есть постоянная величина в процессе измерения; 10

R · - сопротивление исследуемой среды, которое обратно пропорционально y3,T.e.R'^vj^;

oJ - угловая частота тока через обмотку; 15

L - индуктивность среды, зависящая только от геометрических параметров тороидальной катушки и магнитной проницаемости ее сердечника.

Необходимо отметить, что 1 явля~ 20 ется паразитным параметром при измерении методом двух тороидальных катушек ..и, соответственно, накладывает ограничения на частоту тока через обмотку и геометрические раз- 25 меры катушек.

Если в (1) выполняется условие R7X0L, то получают идеальный режим для измерения методом двух тороидальных катушек, т.е. ток через отвер- 30 стие катушки пропорционален УЗ среды . Если в (1) выполняется условие R44C0L, то получают идеальный режим измерения согласно изобретению, который по физической сущности ана- 35 логичен методу четырехэлектродной ячейки. В изобретении утилизируется индуктивность среды (паразитный параметр в методе двух тороидальных •катушек) , что позволяет распррстра- 40 нить работу устройства в область высокочастотных питающих напряжений, стабилизировать ток через отверстие катушки, значительно снизить величину пространственного осреднения, 45 уменьшить эффект близости (влияние близлежащих предметов и электроцепей на результат измерения) , снизить порог чувствительности.

Для практической реализации изо- 50 бретения необходимо, чтобы параметр катушки и исследуемой среды удовлетворяли экспериментально установленному соотношению

JAqj-W Е-Г · Λ > 4 (2)

Здесь рд - абсолютная магнитная проницаемость магнитопровода катушки., Гн/м;

. U) - угловая частота протекающего через обмотку тока, рад/с; R - радиус отверстия, м; г - радиальный размер сечения магнитопровода, м;

Н - удельная электрическая проводимость среды, См'¹ м”⁴ .

Если взять серийное ферритовое кольцо с R = 2 10^wm, г *= 10^ м, ра ^а 8<· 10~* Гн/м, запитать обмотку катушки током с угловой частотой W = 1,3 10’⁶рад/с, то для морской нормальной воды с Λ = 5 См*¹ м'¹ согласно условию 2 получается PaWRrfc =3,3.

Конструкция чувствительного элемента йзмерителя электропроводности жидкости по сравнению с образцами аналогичного оборудования позволяет производить измерения УЭ с более высокой точностью.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к физике- химическому анализу и может быть использовано дл  работы в качествечувствительного элемента (.первичног преобразовател ) в радиотехнической измерительной цепи устройства дл  определени  удельной электропроводности (,УЭ) жидкости. Известен чувствительный элемент, который содержит тороидальную катушку дл  возбуждени  в среде электр магнитного пол , а также приемнзпо тороидальную катушку. Измерительный эффект заключаетс  в том, что наведенна  в приемной катушке ЭДС пропор циональна УЭ среды Недостатками известного чувствительного элемента  вл ютс  необходимость в громоздком магнитном экранировании устройства из-за высокой чувствительности приемной цепи к магнитным наводкам, в частности, к магнитному полю Земли, а также пол м рассе ни  в возбуждающей катушке; зависимость коэффициента св зи между катушками от частоты питающего напр жени , что приводит к трудности при . использовании прецезионных балансных схем измерени , поскольку в генераторах синусоидальных колебаний всегда присутствуют высшие гармоники; слишком большой объем пространственного осреднени , поскольку используют такой режим измерени , когда ток через отверсти  катушек не фиксирован , а пропорционален УЭ среды. Наиболее близкой к предлагаемому чувствительному элементу по технической сущиости  вл етс  четырехэлектродна  электролитическа   чейка, котора  содержит средство дл  подвода электромагнитного пол  к исследуемой среде и измерительные электроды С23. Недостаток указанной  чейки состо-. ит э негативном вли нии электролитической пол ризации электродов на точность измерени , поскольку при протекании значительного тока через границу раздела фаз (металл-электролит ) возникает, паразитный пол ризационный импеданс (резистивно-емкостной ) . Точность измерений, кроме того, снижаетс  из-за загр знени  токовых электродов, а также, при определенных услови х, в результате выделени  на них газообразных продук тов электрохимических реакций. Цель изобретени  - повышение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, Что в чувствительном элементе средство дл  подвода электромагнитного пол  выполнено в виде тороидаль ной катушки, а измерительные электро ды расположены в отверстии катушки и разненсены в аксиальном направлении . Использрвание тороидальной катушк в качестве устройства дл  подвода электромагнитного пол  к исследуемой среде позвол ет снизить погрешность измерени  благодар  отсутствию электрохимического взаимодействи  металлических токовых электродов с электролитом. Тороидальную катушку используют в специфическом,впервые примененном режиме измерени ,когда активное сопротивление среды меньше её индуктивного сопротивлени . Имен но такой режим позвол ет применить приемные электроды, использование которых, например, посравнению с приемной тороидальной катушкой обес печивает нечувствительность устройства к магнитным наводкам и пол м рассе ни , что позвол ет резко обле чить конструкцию из-за отсутстви  необходимости в громоздких магнитных экранах; кроме того, нет частот нозависимого коэффициента трансформ ции, значительно меньше эффект близости , меньше пространственное осре нение, ниже порог чувствительности. На чертеже изображен предлагаемый чувствительный элемент. Чувствительный элемент состоит из тороидальной катушки 1, обмотку которой через клеммы 2 и 3 подключа к генератору синусоидального напр жени . В отверстие тороидальной катушки помещают приемные электроды 4 и 5, разнесенные в аксиальном направлении , которые представл ют соб металлические поверхности, выступаю цне из изол торов 6 и 7. Через клем 04 мы 8 и 9 электроды подключают к приемной цепи измерител  электропроводности жидкости. При протекании по обмотке тороидальной катушки электрического тока в среде также индуцируетс  электрический ток 10. При этом в пo| aвл нщeм большинстве случаев магнитной компонентной электромагнитного пол  можно пренебречь. Элемент работает следующим образом . Индуцированный в среде электричесг кий ток 10 создает вдоль трубок тока (показаны на чертеже стрелками) падение напр жени , которое измep юt с помощью приемных электродов. Измеренное падение напр жени  пропорционально удельному сопротивлению исследуемой среды (величина обратна  УЭ) при условии, что ток через отверстие катзппки мало зависит (в идеальном случае совсем должен не-. зависеть от УЗ среды.Такой режим измерени  полностью аналогичен четырехэлектродной  чейке, поскольку протекающий через нее электрический ток (подвод т токовыми электродами) максимально стабилизирован - так как только напр жение на приемных электродах пропорционально удельному сопротивлению «среды. Если на токовых электродах стабилизировано напр жение, то тогда ток, индуцированный в среде, при условии малости пол ризационных  влений, пропорционален УЭ среды. Этот режим измерени  на практике не исполь зуют из-за низкой точности, а его физический эквивалент реализуют с помощью двух тороидальных катушек, т.е. ток через отверсти  обоих катушек пропорционален УЭ среды, а индуцированна  в приемной катушке (по сРоrOBCKorojl ЭДС пропорциональна току через ее отверстие. Работу тороидальной катушки, помещенной в электр9проводную среду,можно оценить с помощью соотношени  RTTT(u)L/R)5 где J - полный ток через отверстие катушки; и - потенциал соленоидного электрического пол , который получают из соотношени  )-. (2) где Е - напр женность электрического пол ; Ф - поток магнитной ивдукцни в сердечнике катушки,который охватываетс  контуром интегрировани , и выражаетс  через геометрическ параметры катушки, величину тока че рез ее обмотку, частоту питающего н пр жени  и, следовательно, это есть посто нна  величина в процессе измерени ; R - сопротивление исследуемой среды, которое обратно пропорционал но У:, т.е. 3 J . OJ - углова  частота тока через обмотку; L - индуктивность среды, завис щ только от геометрических параметров тороидальной катушки и магнитной пр ницаемости ее сердечника. Необходимо отметить, что I  вл етс  паразитным параметром при измерении методом двух тороидальных катушек ..и, соответственно, накладывает ограничени  на частоту тока через обмотку и геометрические размеры катушек. Если в (1) выполн етс  условие , то получают идеальный режим дп  измерени  методом двух тороидал ных катушек, т.е. ток через отверстие катушки пропорционален УЭ среды . Если в О) выполн етс  услови , то получают идеальный режим измерени  согласно изобретению, который по физической сущности аналогичен методу четырехзлектродной  чейки. В изобретении утилизируетс  И1одуктиБНость среды (паразитный параметр в методе двух тороидальных катушек) , что позвол ет распррстранить работу устройства в область высокочастотных питаюощх напр жений, .стабилизировать ток через отверстие катушки, значительно снизить величину пространственного осреднени , уменьшить зффект близости (вли ние близлежащих предметов и электроцепей на результат измерени ) , снизить порог чувствительности. Дп  прд|стической реализации изо . бретени  необходимо, чтобы параметр катушки и исследуемой среды удовлетвор ли экспериментально установленно му соотношению jbij, U) В-г-Л (2) Здесь а абсолютна  магнитна  про-ницаемость магнитопровода катушки,, Гн/м; . 1А - углова  частота протекающего через обмотку тока, рад/с; R - радиус отверсти , м; г - радиальный размер сечейи  магнитопровода, м; И - удельна  электрическа  проводимость среды, См м Если вз ть серийное ферритовое кольцо с R 2 , г - 10 м, Ju(j « Гн/м, запитать обмотку катушки током с угдовой частотой W ,3 10 рад/с, то дл  морской нормальной воды с 5 См м согласно условию 2 получаетс  .HaWRr 3,3. Конструкци  чувствительного элемента измерител  электропроводности жидкости по сравнению .с образцами аналогичного оборудовани  позвол ет производить измерени  УЭ с более высокой точностью. Формула изобретени  Чувствительный элемент измерител  злектропроводности, содержащий средство дл  создани  электромагнитного пол  и измерительные электроды, тличающийс  тем, что,с елью повьш1ени  точности измерений, редство дл  создани  электромагнитого пол  выполнено в виде тороиальной катушки, а электроды располоены в отверстии катушки и разнесеы в аксиальном направлении. Источники информации, рин тые во внимание при экспертизе 1.Степанюк И.А., Унгерман М.Н., змерение температуры и солености орской воды на поисковых и промысовых судах. Мурманск, 1969, с. 44-50.
2. 2.Лопатин Б.А. Кондуктометри . овосибирск, 1964, с. 129-132 (проотип ) .