СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА

Изобретение относится к области кондуктометрии, касается вопросов измерения электропроводности водных и других растворов электролита в контролируемом непрерывном потоке и может быть использовано при физико-химических исследованиях растворов, в частности, для автоматического контроля водно-химического режима установок химводоподготовки ТЭЦ, районных отопительных котельных и в других технологических установках.

Известны способ и устройство определения концентрации электролитов (патент РФ №2102734, МПК G01N 27/02, 20.01.1998), основанные на электропроводности раствора, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, способ заключается в изменении частоты через равные промежутки времени, контроле резонансной частоты и расчете параметров электролита по частоте. Исследование проводят в нестабилизированном температурном поле и дополнительно осуществляют контроль на ячейке с нормированными характеристиками в том же температурном поле, при этом управляют частотой генератора, регистрируют погрешности измерения частоты, вызванные нестабильностью температурного поля, определяют резонансную частоту раствора электролита, соответствующую экстремальной погрешности измерения частоты, и по ней определяют искомую концентрацию.

Для реализации способа используется F-метр-кондуктометр, содержащий рабочую и образцовую кондуктометрические ячейки, преобразователи код-частота и частота-код, информационные каналы связи и управления, ОЗУ и вычислитель.

Недостатком способа и F-метр-кондуктометра, реализующего указанный способ контроля, является то, что контроль концентрации электролита ведется косвенным путем по резонансной частоте и экстремальной погрешности измерения частоты, что вносит дополнительные погрешности измерения. Другим недостатком является сложность принятой функциональной схемы и алгоритма вычислений. Кроме этого, способ и F-метр-кондуктометр, реализующий указанный способ контроля, ограничены в применении (по пределам измерений) из-за низкой чувствительности первичного преобразователя при малых концентрациях солей в растворе.

Известен способ измерения электрической проводимости жидкости, реализуемый устройством (патент РФ №2327977, МПК G01N 27/06, 10.01.2006), содержащим питающий и измерительные трансформаторы, связь между которыми осуществляется жидкостным контуром с обмотками, подключенными соответственно к источнику переменного напряжения и к детектору, и петлю из токопроводящего материала с образцовым резистором, введенную в обмотки трансформаторов, при этом в устройство введен второй измерительный трансформатор, второй детектор и вычислительный блок, причем связь между питающим и вторым измерительными трансформаторами осуществляется тем же жидкостным контуром. Обмотка второго измерительного трансформатора подключена к входу второго детектора. Выходы обоих детекторов подключены к входам вычислительного блока, а выход вычислительного блока является выходом устройства. Значение измеряемой электрической проводимости жидкости вычисляется в вычислительном блоке.

По приведенным данным экспериментальных исследований, указанный способ позволяет охватывать диапазон измерений удельной электрической проводимости воды в пределах 0,5…65 Ом/м, что в пересчете эквивалентно концентрации NaCl в растворе более 2 г/л.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения электропроводности раствора электролита, размещенного в жидкостном контуре первого и второго первичных преобразователей с обмотками возбуждения, включенными в цепь генератора частоты, состоящий в регистрации выходного сигнала напряжения каналов измерения в зависимости от концентрации раствора при условии, что измерение проводят в стабилизированном температурном поле. Известный способ реализуется устройством (патент РФ №106375, МПК G01N 27/00, 10.07.2011), представляющим собой трансформаторный преобразователь с двумя каналами измерений и включающим в себя генератор сигналов низкой частоты, являющийся общим источником питания каналов измерения, двухканальный измерительный прибор, первый и второй, идентичный первому, первичные преобразователи электропроводности раствора электролита, каждый из которых содержит последовательно соединенные питающий и измерительный трансформаторы, связь между которыми осуществляется многовитковым жидкостным контуром, представляющим собой ионный проводник электрической связи, заполненный соответственно измеряемым и нормируемым растворами электролита, причем обмотка возбуждения второго первичного преобразователя подключена параллельно обмотке возбуждения первого первичного преобразователя, соединенного с генератором сигналов низкой частоты. Выходным сигналом каналов измерений является напряжение, снимаемое с вторичной обмотки выходного трансформатора с амплитудным значением, пропорциональным электропроводности раствора электролита в жидкостном контуре, и обозначенное на функциональной схеме соответственно U₁ - по каналу I, U₂ - по каналу II. Напряжение по каналам измерения подается на вход двухканального измерительного прибора, шкала которого градуируется (для водных растворов) по удельной эквивалентной электропроводимости электролита C_NCI в единицах измерения См/см.

Основным недостатком известных способов является низкая точность измерения электропроводности (по своим функциональным возможностям они ограничены в измерении электропроводности жидкости с содержанием солей в растворе, определяемым значением мг/л и ниже).

Задачей заявляемого способа является повышение точности измерения электропроводности в широком диапазоне концентрации растворов электролита, включая (для водных растворов) микрограммы содержания солей в растворе.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения электропроводности раствора электролита, размещенного в жидкостном контуре первого и второго первичных преобразователей с обмотками возбуждения, включенными в цепь генератора частоты, состоящем в регистрации выходного сигнала напряжения каналов измерения в зависимости от концентрации раствора при условии, что измерение проводят в стабилизированном температурном поле, согласно заявляемому способу, уровень чувствительности первого и второго первичных преобразователей определяется значением напряжения на выходном трансформаторе канала измерения в зависимости от концентрации раствора, размещенного в жидкостном контуре, его температуры, и находится в функциональной зависимости от напряжения и частоты источника питания обмотки возбуждения питающего трансформатора, причем измерение электропроводности раствора проводят с включением генератора на рабочую частоту, определяемую при экспериментальном исследовании растворов как оптимальную для исследуемого диапазона концентрации раствора; при этом регистрируют значение выходного сигнала напряжения каналов измерения, по значению которого и определяют электропроводность раствора.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения электропроводности раствора электролита. На фиг.2 - экспериментальные данные зависимости выходного сигнала напряжения каналов измерения от частоты, полученные на водном растворе NaCl при температуре 25°C.

Блокам и элементам устройства измерения электропроводности раствора электролита в контролируемом непрерывном потоке присвоены следующие позиции.

1. Генератор сигналов низкой частоты.

2. Обмотка возбуждения питающего трансформатора канала I измерений.

3. Питающий трансформатор канала I измерений.

4. Вторичная обмотка возбуждения питающего трансформатора канала I измерений.

5. Жидкостный контур первого первичного преобразователя.

6. Первичная измерительная обмотка измерительного трансформатора канала I измерений.

7. Измерительный трансформатор канала I измерений.

8. Вторичная измерительная обмотка измерительного трансформатора канала I измерений.

9. Первичная обмотка выходного согласующего трансформатора напряжения канала I измерений.

10. Выходной согласующий трансформатор напряжения канала I измерений.

11. Вторичная обмотка выходного согласующего трансформатора напряжения канала I измерений.

12. Обмотка возбуждения питающего трансформатора канала II измерений.

13. Питающий трансформатор канала II измерений.

14. Вторичная обмотка возбуждения питающего трансформатора канала II измерений.

15. Жидкостный контур второго первичного преобразователя.

16. Первичная измерительная обмотка измерительного трансформатора канала II измерений.

17. Измерительный трансформатор канала II измерений.

18. Вторичная измерительная обмотка измерительного трансформатора канала II измерений.

19. Первичная обмотка выходного согласующего трансформатора напряжения канала II измерений.

20. Выходной согласующий трансформатор напряжения канала II измерений.

21. Измерительный прибор.

22. Вторичная обмотка выходного согласующего трансформатора напряжения канала II измерений.

Устройство для измерения электропроводности раствора электролита в контролируемом непрерывном потоке представляет собой трансформаторный преобразователь с каналами I, II измерений и включает в себя генератор 1 сигналов низкой частоты, являющийся общим источником питания каналов I, II измерений и соединенный с первым и вторым, идентичным первому, первичными преобразователями электропроводности растворов электролита, а также двухканальный измерительный прибор 22.

Канал I измерения включает в себя первый первичный преобразователь электропроводности растворов электролита, содержащий питающий трансформатор 3, собранный на ферромагнитном сердечнике с обмоткой возбуждения 2, жидкостной контур 5, измерительный трансформатор 7, собранный на ферромагнитном сердечнике с измерительной обмоткой 8, выходной согласующий трансформатор напряжения 10 с первичной обмоткой 9 и вторичной обмоткой 11.

Канал II измерения, представляющий собой сравнительный канал измерения электропроводности растворов электролита, включает в себя второй, идентичный первому, первичный преобразователь электропроводности растворов электролита, содержащий питающий трансформатор 13, собранный на ферромагнитном сердечнике с обмоткой возбуждения 12, жидкостной контур 15, измерительный трансформатор 17, собранный на ферромагнитном сердечнике с измерительной обмоткой 18, выходной согласующий трансформатор напряжения 20 с первичной обмоткой 19 и вторичной обмоткой 21.

Измерительные трансформаторы 7 и 17 выполняются идентичными по технической характеристике: они имеют одинаковые сердечники и обмотки по сечению электролитического проводника и по числу витков, как первичных 6 и 16 (жидкостной контур), так и вторичных 8 и 18 измерительных обмоток, выполненных из эмальпровода определенного сечения.

Выходные согласующие трансформаторы напряжения 10 и 20 выполнены идентичными по обмоточным данным и размерам сердечников.

Выход генератора 1 сигналов низкой частоты подключен к обмоткам возбуждения 2 и 12 питающих трансформаторов 3 и 13, причем обмотка возбуждения 13 второго первичного преобразователя подключена параллельно обмотке возбуждения 2 первого первичного преобразователя. Жидкостные контуры 5 и 15, являющиеся ионными проводниками электрической связи питающих и измерительных трансформаторов, образованы обмотками 4 и 6, а также 14 и 16 питающих 3 и 13, и измерительных 7 и 17 трансформаторов с числом витков w₄ и w₆ канала I измерений, и w₁₄, w₁₆ канала II измерений. Соединение обмоток 4 и 6, а также 14 и 16 выполняется последовательно по направлению движения измеряемого потока растворов электролита. Жидкостные контуры 5 и 15 выполнены проточными многовитковыми из ПВХ трубки и заполнены соответственно измеряемым и нормируемым растворами электролита.

Первичные обмотки 9 и 19 выходных согласующих трансформаторов напряжения 10 и 20 подключены к измерительным обмоткам 8 и 18 измерительных трансформаторов 7 и 17, а вторичные обмотки 11 и 21, одни выводы которых соединены между собой, подключены к двухканальному измерительному прибору 22, регистрирующему напряжение с выходным амплитудным значением, пропорциональным электропроводности электролита и выраженным как в абсолютном значении измеряемой величины, так и в относительной - по сравнению с нормируемым раствором. Выходной согласующий трансформатор напряжения 10 первого первичного преобразователя выполнен с возможностью балансировки своего выходного напряжения с выходным напряжением выходного согласующего трансформатора напряжения 20 второго первичного преобразователя путем введения дополнительных отпаек с вторичной обмотки 11 трансформатора 10. Необходимость такой схемы включения обусловлена тем, что практически невозможно изготовить трансформаторы с идентичными коэффициентами трансформации по каналам измерения. Балансировка производится при условии, что жидкостные контуры 5 и 15 заполнены одним и тем же раствором электролита с нормированным значением электропроводности и при равных условиях по температуре.

Способ измерения электропроводности раствора электролита осуществляют следующим образом.

Сущность предлагаемого способа заключается в установлении зависимости выходного напряжения преобразователя от частоты источника питания электромагнитного поля возбудителя, природы и концентрации электролита, размещенного в жидкостном контуре.

Исследуемый раствор электролита размещается в жидкостном контуре 5 с числом витков w₄ на трансформаторе 3 и w₆ на трансформаторе 7 рабочего канала измерений, а контур тестового канала 15 с витками w₁₄ трансформатора 13 и 16 м трансформатора 17 заполняется электролитом с нормируемыми показателями. На обмотки возбуждения 2 и 12 питающих трансформаторов каналов I и II с генератора 1 подается напряжение питания заданной частоты. При этом в качестве переменной величины берется частота источника питания обмоток возбуждения питающих трансформаторов при определенных значениях солесодержания (концентрации) раствора электролита и постоянстве температуры.

В жидкостном контуре индуцируется ЭДС, которая создает в них ток, пропорциональный соответствующей проводимости на частоте f₁:

где I₁ - ток в жидкостном контуре 5;

I₂ - ток в жидкостном контуре 15;

Ев - напряжение возбуждения на обмотках 2 и 12;

к₁ - коэффициент, определяемый параметрами трансформатора 3;

g_x - проводимость раствора электролита жидкостного контура 5;

g₀ - проводимость раствора электролита жидкостного контура 15.

Измерительные трансформаторы 7 и 17 выполняются идентичными по технической характеристике: они имеют одинаковые сердечники и обмотки по сечению электролитического проводника и по числу витков как первичной (жидкостной контур), также вторичной, выполненного из эмальпровода определенного сечения.

Тогда ЭДС на измерительных обмотках 8 и 18 при частоте f₁ равна

где E₁ и Е₂ ЭДС на измерительных обмотках 8 и 18 соответственно; к₇ и к₁₇ - коэффициент, определяемый параметрами трансформаторов 7 и 17.

Напряжение, снимаемое с обмоток 8 и 18 измерительных трансформаторов, подается на вход трансформатора напряжения 10 и 20 с коэффициентом трансформации к₁₀ и к₂₀. Назначение выходного трансформатора - согласование по нагрузке измерительного трансформатора и повышение выходного напряжения.

На выходах трансформаторов 10 и 20, которые идентичны по обмоточным данным и размерам сердечников, образуется напряжение U₁ и U₂, пропорциональное проводимости электролита на частоте f₁ и по значению, равное:

или, в обобщенном виде:

где К_и и К_o - постоянная каналов измерения I и II соответственно.

Значение выходного напряжения U₁ и U₂ регистрируется двухканальным измерительным прибором.

Измерение производится или по схеме сравнения, или раздельно по каналам измерения в зависимости от схемы соединения вторичной обмотки выходных трансформаторов каналов измерений и алгоритма вычислений измеряемой величины.

Для исключения влияния температуры на результаты измерений, исследования проводят в стабилизированном температурном поле.

Чувствительность преобразователя определяется экспериментальным путем непосредственно на устройстве, реализующем данный способ измерения. При этом в качестве переменной величины берется частота напряжения, снимаемого с генератора сигналов, к которому подключены обмотки возбуждения питающих трансформаторов. Исследование проводится в диапазоне частот 3…20 кГц на водном растворе NaCl с концентрацией, начиная от 10 мг/л - с последовательным разбавлением раствора до 0,31 мг/л и 0 мг/л (дистиллированная вода). Все измерения приведены к температуре 25°C. На основе полученных данных, строится график зависимости U_вых=φ(f), который приводится в приложении 2.

По своим функциональным возможностям устройство, реализующее данный способ измерения электропроводности раствора, применимо для работы в двух режимах.

При первом режиме проводится:

- исследование зависимости значения выходного сигнала по каналу измерений от частоты напряжения источника питания, природы электролита, его концентрации при условии, что измерение проводится в стабилизированном температурном поле;

- построение амплитудно-частотной характеристики устройства в координатах U_вых=φ(f) при данной концентрации раствора электролита;

- выбор оптимального значения частоты и напряжения источника питания преобразователя с целью определения диапазона измерений, наибольшей чувствительности в точке контроля и условие стабильности значений выходного сигнала измерений.

При втором режиме устройство включается в работу по непрерывному контролю электропроводности измеряемой среды.

Устройство при первом режиме функционирует следующим образом. Жидкостной контур измерительного канала I заполняется исследуемым раствором. Исследование проводят в стабилизированном температурном поле. Температура фиксируется на протяжении всего эксперимента, и для водных растворов электролита характеристика электропроводности приводится к t=25°C. С включением генератора сигналов, задается начальная частота напряжения питания канала измерения f₁ и тогда на выходном трансформаторе получаем напряжение . В последующих измерениях, частота источника питания повышается с равномерным шагом и регистрируется выходное напряжение. Опыты продолжаются до перехода функциональной зависимости до значения, когда частота источника питания - выходное напряжение достигает некоторого экстремума. На основе полученных данных, строится график зависимости U_вых=φ(f) при данной концентрации электролита. На графике выделяется участок, где зависимость выходного напряжения от частоты источника питания близка к линейной, и по границам участка находят рабочий диапазон частоты источника питания.

Оптимальная частота выбирается из расчета - получить наибольшее значение выходного сигнала напряжения, определяющего уровень чувствительности преобразователя в данном диапазоне измерений, при условии стабильности значений выходного сигнала.

Результаты экспериментов, проведенных на лабораторных пробах водного раствора NaCl, представлены на графиках (фиг.2).

Устройство при втором режиме функционирует следующим образом.

Жидкостной контур измерительного канала I заполняется исследуемым раствором, а контур канала II заполняется раствором с нормированным значением электропроводности. С включением генератора сигналов, задается напряжение и частота источника питания обмоток возбуждения преобразователя, и тогда получим: значение напряжения на выходном трансформаторе U₁ по каналу I и U₂ - соответственно по каналу II.

Предлагаемый способ измерения электропроводности растворов обеспечивает повышение точности измерений за счет увеличения чувствительности первого и второго первичного преобразователя, учитывая при этом, что электропроводность электролитов зависит как от концентрации раствора, его температуры, а так же и от частоты источника питания возбудителя электромагнитного поля.

По этому, чувствительность преобразователя определяется по двум переменным: в зависимости от частоты источника питания и от концентрации электролита при условии, что измерения проводятся в стабилизированном температурном поле.

Чувствительность преобразователя в функциональной зависимости от частоты источника питания S_Ч, мВ/кГц, определяется отношением приращения выходного сигнала напряжения ΔU_вых, мВ канала измерения к изменению частоты источника питания Δf, кГц при неизменной концентрации электролита и температуре 25°C, т.е. S_Ч=ΔU_вых/Δf при C_NaCl=const.

По результатам эксперимента, проведенного при концентрации раствора C_NaCl=0,31 мг/л на граничных частотах 3 и 8 кГц, получены значения сигналов выходного напряжения:

при частоте f₁=3 кГц =1,64 мВ,

при частоте f₂=8кГц =5,49 мВ. Тогда, при Δf=5 кГц, ΔU_вых= =5,49-1,64=3,85 мВ, получим численное значение чувствительности преобразователя в зависимости от частоты источника питания:

Повышение выходного напряжения (в относительных единицах измерения), составляет:

Исследования показали, что с увеличением концентрации электролита чувствительность преобразователя по частоте S_ч также растет, и при C_NaCl=10 мг/л составляет:

, ε_ч=3,1 o.e.

Чувствительность преобразователя в зависимости от концентрации раствора S_K, , находится по графику зависимости U_вых=φ(f), (приложение 2) и представляет собой отношение приращения выходного сигнала напряжения ΔU_вых, мВ канала измерения к изменению концентрации солей в растворе ΔC_NaCl, мг/л в данном диапазоне измерения, при частоте источника питания f_i=const.

Приводим в качестве примера определение чувствительности преобразователя к измеряемой величине в диапазоне концентрации солей в растворе C_NaCl=0,31…0 - по значению выходного напряжения U₁, мВ по каналу I и U₂, мВ - соответственно по каналу II на граничных частотах (для сравнения) при 3 кГц и 8 кГц, получим следующие результаты:

при частоте f_l=3 кГц,

при частоте f₂=8 кГц,

Тогда, кратность повышения чувствительности преобразователя в данном диапазоне измерений (в относительных единицах) составит:

Полученные данные по повышению уровня чувствительности преобразователя с повышением частоты источника питания обуславливают и повышение точности измерения электрической проводимости раствора, которое может быть выражено отношением значения выходного сигнала напряжения канала измерения U_вых, мВ к пределу измерения (шкале) измерительного прибора П_пр. и получим цену деления прибора, по вариантам измерения, как критерий эффективности по точности.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения повышает чувствительность первичного преобразователя каналов измерения более чем в три раза, за счет чего повышается и точность измерения электропроводности в данном диапазоне концентрации растворов электролита, включая (для водных растворов): микрограммы - содержания солей в растворе и чистая вода.