17.6 Электронное устройство для измерения расхода

индукционным методом

Принцип действия электромагнитного (индукционного) расходомера – ИР – основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислота, щёлочь, солевой раствор) под действием внешнего магнитного поля. Существуют ИР с постоянным и переменным магнитным полем. Последний вид ИР предпочтительнее, так как в этом случае меньше влияние на электроды химических реакций, идущих в потоке жидкости при прохождении электрического тока. Схема ИР имеет вид

Эквивалентная электрическая схема преобразователя ИР такова:

Конденсатор С_п уменьшает эффект поляризации электродов. Для трубопроводов круглого сечения ЭДС вычисляют по формуле

где Q – расход жидкости; d – внутренний диаметр трубопровода; B_max – амплитудное значение магнитной индукции; ω – круговая частота электрического тока.

Выходное напряжение в цепи переменного тока равно

Для уменьшения погрешности, в том числе, возникающей из-за поляризации, изменения плотности и т.п., необходимо выполнение условия , а именно:

Уменьшение происходит при увеличении частоты переменного магнитного поля, так как

Основными помехами при измерении являются паразитные сопротивления, возникающие под действием внешних электромагнитных полей: ёмкостные от переменного тока, питающего ИР; «трансформаторные» от переменного магнитного поля преобразователя. Последнюю помеху компенсируют использованием двух индукционных преобразователей, включённых таким образом, чтобы ЭДС взаимоиндукции компенсировали друг друга в обмотке трансформатора или применением фазовращателя в мостовой схеме.

а – с двумя индукционными преобразователями; б – с фазовращателем

и делителем напряжения

Рисунок 17.13 - Схемы компенсации «трансформаторной» ЭДС

Приведённая погрешность ИР при указанных условиях равна .

17.7 Измерение ёмкости и проводимости при контроле

свойств веществ

17.7.1 Электронные кондуктометры

Метод измерения электрической проводимости растворов электролитов (кондуктометрия) широко используют в лабораторной и производственной практике. Применяют контактные, бесконтактные, низкочастотные и высокочастотные кондуктометры. В бесконтактных кондуктометрах изучаемый раствор помещают в стеклянную трубку (образуется «жидкостный» виток), а высокочастотные кондуктометры основаны на применении резонансных и мостовых измерительных схем.

Приведём принципиальные электрические схемы высокочастотных кондуктометров.

Г – генератор высокой частоты; С_СВ – ёмкость связи; g – эквивалентная

активная проводимость колебательного контура; R – сопротивление

анализируемой среды; ЁИЯ – ёмкостная измерительная ячейка

Рисунок 17.14 - Схема высокочастотного кондуктометра с резонансным

измерительным контуром

ИИЯ – индуктивная измерительная ячейка

Рисунок 17.15 - Схема высокочастотного кондуктометра с измерительным мостом

Среди разнообразных конструкций чувствительных элементов контактных кондуктометров наибольшее распространение получила конструкция, имеющая один микроэлектрод. Роль второго электрода «играет» корпус чувствительного элемента. В этом случае ток проводимости имеет наибольшую плотность в сфере вокруг микроэлектрода, в которой происходит измерение проводимости. Радиус сферы приблизительно равен 10 радиусам микроэлектрода. Такая конструкция обладает наилучшими динамическими характеристиками, но при включении в традиционные схемы измерения очень чувствительна к поляризации электрода и изменению температуры электролита.

Влияние указанных факторов в значительной мере можно уменьшить благодаря применению высокочастотного спектра напряжения питания чувствительного элемента, метода импульсного зондирования сферы измерения вокруг микроэлектрода и введения коррекции по значению температуры электролита.

1 – спай никель-нихромовой термопары; 2 – покрытие спая термопары

электролитическим никелем; 3 – никелевый провод; 4 – нихромовый

4 – нихромовый провод; 5 – диэлектрический компаунд; 6 – никелевая

трубка

Рисунок 17.16 - Общий вид чувствительного элемента низкочастотного

контактного кондуктометра

Конструкция чувствительного элемента представляет собой коаксиальный цилиндр, в котором внешняя трубка – электрод – охватывает изоляцию центрального микроэлектрода. Трубчатый электрод выполнен из химически инертного металла (никеля), а центральный электрод из благородного металла (золота). Чтобы объединить датчики измерения электропроводности и температуры в одной конструкции, применена никель-нихромовая термопара. Её рабочий спай покрывают слоем никеля методом электролитического осаждения.

Измерение температуры позволяет выполнить температурную коррекцию значения электропроводности электролита. Метод импульсного зондирования электропроводности в сфере измерения вокруг микроэлектрода позволяет существенно снизить влияние явления поляризации, так как происходит импульсное измерение электропроводности и «отсечение» случайного «шума» благодаря применению пикового детектора частоты.

Кондуктометрический метод не является избирательным и пригоден, в основном, для измерения концентрации бинарных растворов. Градуировка кондуктометров производится по нескольким (не менее двух) растворам электролитов с известной концентрацией или проводимостью.

17.7.2. Электронные диэлькометры.

Метод основан на явлении взаимодействия электромагнитного поля с веществом, находящемся в межэлектродном пространстве измерительной ячейки ёмкостного датчика. В практике измерений диэлькометрический метод применяют при контроле и измерении концентрации, плотности, влажности, степени отверждения полимеров и т.п. Основные диэлектрические характеристики вещества следующие:

1. Относительная диэлектрическая проницаемость (ДП) изоляционного материала - это отношение ёмкости конденсатора С_х, в котором пространство между электродами и около них целиком заполнено рассматриваемым изоляционным материалом, к ёмкости конденсатора С_р (рабочей ёмкости) электродов той же конфигурации в вакууме:

Ёмкость Ср = Со + С_к, где Со и С_к - геометрическая и краевая ёмкость конденсатора.

2. Абсолютная ДП изоляционного материала _a является произведением на ДП

вакуума ₀:

_а

3. Комплексная ДП определяется ДП ' и коэффициентом диэлектрических потерь ":

,

где ' - активная составляющая диэлектрической проницаемости; " - мнимая составляющая диэлектрической проницаемости.

где - угол диэлектрических потерь. Это угол, дополняющий угол сдвига фаз приложенного напряжения и обусловленной им силы тока до радиан при условии, что диэлектрик конденсатора является идеальным.

Простейшим электрическим аналогом системы, состоящей из электродов и находящегося между ними диэлектрика, является параллельное соединение проводника и ёмкости. В качестве ёмкостных датчиков используют конденсаторы, конструкцию и размеры которых выбирают для каждой конкретной задачи измерения. Ёмкостные датчики относятся к группе параметрических датчиков, в которой измеряемая электрическая величина преобразуется в параметр электрической цепи: эффективную ёмкость и эффективную проводимость.

Рисунок 17.17 - Электроды ёмкостных датчиков с «внутренним» электрическим

полем

Все методы измерения диэлектрических характеристик веществ до сверхвысокочастотного диапазона, как обычно, могут быть мостовыми или резонансными. Мостовые схемы применяют при частотах до 50 МГц. В практике измерений используют мост Шеринга, который является классической схемой для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Г – генератор электрических колебаний; ИК – измерительный контроллер

Рисунок 17.18 - Принципиальная электрическая схема моста Шеринга

Резонансные методы применяются при измерении высокочастотной диэлектрической проницаемости (несколько сотен мегагерц). Основными резонансными методами являются контурный и генераторный. Контурные методы основаны на использовании одного генератора высокой частоты с колебательным контуром, в который вводят в качестве конденсатора образец материала, чтобы определить его диэлектрическую проницаемость.

Рисунок 17.19 - Принципиальная электрическая схема Q – метра

Генераторные методы предполагают наличие либо двух генераторов (одного образцового с фиксированной частотой и второго рабочего, частота которого изменяется вследствие изменения параметров ёмкостного датчика, включённого в контур этого генератора); либо одного генератора, частота электрических колебаний которого изменяется в зависимости от свойств измеряемого образца материала.