Измерение расхода диэлектрических жидкостей и электролитов.

А. Измерение расхода диэлектрических жидкостей

Для измерения расхода диэлектрических жидкостей применяют несколько методов:

1. Первый метод основан на поляризации диэлектрической жидкости при движении ее в магнитном поле. Для этого снаружи участка трубы, изготовленного из неэлектро-проводного материала, располагают полюса магнита. Между этими магнитами, а также снаружи трубы, на концах диаметра, перпендикулярного к направлению магнитного поля, размещают обкладки конденсатора в виде полукруглых металлических пластин. При движении диэлектрической жидкости на этих пластинах будут образовываться связанные заряды, которые создают разность напряжения U на обкладках конденсаторов, в соответствии с уравнением:

   

   где ε — диэлектрическая проницаемость жидкости; В — магнитная индукция; v — средняя скорость жидкости; D — расстояние между обкладками.

   Устройство преобразователей, а также характер уравнений измерения расхода у поляризационных и электромагнитных расходомеров имеет много общих черт. Но основное различие между ними состоит в том, что первые предназначены для измерения расхода диэлектрических, а вторые — электропроводных жидкостей.

   Первый опытный образец преобразователя поляризационного расходомера имел прямоугольную форму (10х60 мм). Его плоские обкладки находились на расстоянии 60 мм друг от друга. При В = 0,56 Тл и v = 0,1 м/с на них возникла разность напряжений U, равная 4 мВ. Из-за очень высокого внутреннего сопротивления преобразователя для измерения поляризационной ЭДС необходимо применение электрометрических усилителей с входным сопротивлением 109 - 1010 Ом.

2. Второй метод основан на том, что между внутренней поверхностью участка трубы из диэлектрического (изоляционного) материала и находящейся в трубе диэлектрической жидкостью возникает двойной электрический слой. Электрические заряды, которые движущаяся жидкость выносит из диффузной части электрического слоя, создают разность потенциалов U на концах изолированного участка трубы. Эта разность потенциалов пропорциональна объемному расходу жидкости.

   На данном принципе был разработан преобразователь расхода. В нем внутри диэлек-трического патрубка был подвешен вкладыш из синтетического материала (поливинилхлоридной связки), который служил для увеличения поверхности двойного электрического слоя. Под влиянием разности потенциалов U возникал ток, который путем периодического заряда и разряда емкости преобразовывался в частоту. Для периодической коммутации емкости применяли пороговое устройство. При сопротивлении нагрузки 10 кОм длительность импульсов равнялась 20 мкс, а амплитуда — 20 В. При увеличении расхода жидкости от 0,6•10-5 до 6•10-5 м3/с измеряемая частота возрастала линейно от 15 до 150 Гц. Погрешность преобразователя расхода при этом составляла примерно 2 %.

3. Существует и третья разновидность преобразователя расхода, основанного на движении вместе с диэлектрической жидкостью электростатических зарядов. В данном случае трубу изготавливают из изоляционного материала и снаружи располагают несколько кольцевых электродов.

Рассмотрим пример с шестью кольцевыми электродами. Первый, третий и пятый соеди-няют одним проводом, а второй, четвертый и шестой — другим. При движении зарядов на концах проводов возникает измерительный сигнал синусоидальной формы, частота которого f определяется уравнением:

f = v/2d,

где v — скорость движения жидкости; d — расстояние между осями двух соседних электродов.

Но данный метод имеет существенные недостатки:

• не высокая точности измерения;
• электростатические заряды носят случайный характер;
• измерительный сигнал содержит большой спектр частот.

Б. Измерение расхода электролитов.

Для измерения расхода электролитов можно применять многие из ранее рассмотренных расходомеров, в том и числе корреляционные.

В данном разделе будут рассмотрены особые методы, которые связанны со спецификой данного измеряемого вещества.

Рассмотрим метод, основанный на зависимости контактного потенциала металлического электрода от скорости движения электролита. Суть метода состоит в том, что с изменением скорости электролита меняется состояние двойного электрического слоя между металлом и раствором его соли. Так в трубопровод со слабым раствором НСl вводился электрод в виде трубки из оксида алюминия, заполненной цинком высокой чистоты  (>99,99 %) и имеющей следующие размеры: внутренний диаметр  0,2, а наружный - 0,5 мм. Потенциал электрода изменялся от - 640 до - 480 мВ при увеличении скорости жидкости от 0 до 25 см/с. При этом темп изменения потенциала замедлялся с увеличением скорости жидкости. Изменение потенциала электрода вызывает изменение силы тока в цепи, в которую входит данный электрод (из-за изменения сопротивления).

На этом основан прибор, примененный для измерения расхода шахтной жидкости (рН = 8). Электрод изготавливается из платины. Для слабых электролитов, имеющих небольшую удельную электрическую проводимость γ, измерительная цепь состояла из двух платиновых электродов, расположенных в воде (γ = 0,3 См/м) на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Проводили испытания проволочных (диаметром 0,5 и длиной 15 мм) и пластинчатых (10х5х0,5 мм) электродов, включенных в качестве одного из плеч в электрический мост. При изменении скорости движения электродов в неподвижной жидкости наблюдалось или троекратное изменение отношения ΔI/I0 от 0,4 до 1,2 (где I0 = 5 мкА — сила тока при скорости движения, равной нулю) при постоянном напряжении U0, или троекратное изменение отношения ΔU/U0 от 0,04 до 0,12 при постоянной силе тока[1]. C применением алюминиевых электродов чувствительность метода несколько повышается. Но данный метод применим лишь для слабых электролитов при небольших скоростях до 15—25 см/с, т. к. при дальнейшем увеличении скорости чувствительность резко падает.

Также для измерения расхода электролитов применяют и другие специфические методы, в частности, связанные с большой зависимостью электрической проводимости некоторых электролитов от температуры (до 2,5 % при изменении температуры на 1 °С). Применяют несколько видов приборов:

1. Прибор, построенный на принципе колориметрического теплового расходомера: вся жидкость нагревается при протекании внутри высокочастотной емкостной ячейки, а разность температур определяется путем измерения электрической проводимости электролита до и после зоны нагрева. Данный прибор применяется для измерения расхода  от 36 до 3600 см3/ч, приведенная погрешность измерений составляет ±2 %.
2. Прибор, в котором местная скорость определяется путем измерения сопротивления малого слоя электролита, прилегающего к нагревательному элементу, в частности проволочному.