книги из ГПНТБ / Усиков, С. В. Электрометрия жидкостей

Возвращаясь к выражениям (V. 32) —(V. 34), использующим­ ся для расчета основных габаритов преобразователя, отметим следующие положения.

Чувствительность Ai на левом участке (см. рис. IV. 12, а) до максимума не превышает единицы, так как угол наклона харак­ теристики G = f(x) для бесконтактных емкостных преобразова­ телей не может превышать 45°. Абсолютное значение tg а может быть больше единицы у сильно разбавленных растворов. По мере роста концентрации оно может уменьшаться до нуля и ме­ нять знак [135].

Рассмотрим численный пример расчета преобразователя по первому варианту для случая анализа качества спиртов в зави­ симости от концентрации примесей. При этом ко = 10~6 Сим/см, е2 = 27,6. Предположим, что для измерения эквивалентных па­ раметров преобразователя используется прибор с входным со­ противлением GBx = Ю-4 Ом-1 с несущей частотой / = 5 МГц. В качестве изолятора электродов выберем термостойкое стекло

Определение tg а желательно производить эксперименталь­ ным путем. В наиболее простых случаях его можно задать, не допуская большой ошибки. Примем в нашем расчете t g a = 1. Тогда из выражения (V.33) находим:

a Si — площадь изолированных электродов.

Если полученные данные для п0, Сj и А], вместе или отдельно взятые, не удовлетворяют требованиям, то расчет преобразова­

ло

теля следует повторить, выбирая новое значение п, — и так до полного удовлетворения требований.

Вариант 2. За рабочее примем экстремальное значение ха­ рактеристики рис. V.6, где п = 1. Здесь чувствительность

обусловлена только изменением диэлектрической проницаемости.

Второй вариант расчета преобразователя отличается от пер­ вого тем, что здесь при выборе рабочей точки появляется кри­ тическая частота соКрОпределяют ее путем приравнивания к нулю знаменателя выражения (V.45): соКр = хо4л-9- 10п/е2.

Знак чувствительности соответствует знаку tg р. Поэтому в

числа или мнимые корни.

Расчет преобразователя по второму варианту может быть использован для построения сигнализатора отклонения диэлек­ трической проницаемости жидкости ег от номинала.

121

Вариант 3. За рабочий участок принимаем точку перегиба кривой, где чувствительность

Наконец, из выражений (V. 47) и (V.48) получаем:

е2

4я • 9 • 1011

16х0

122

Поскольку величины GBX, хо и п заданы, то следует найти критическую частоту. При угловой частоте, отличающейся от критической, точка перегиба не приходится на рабочий участок:

ность по концентрации а на этом участке равна нулю. Это зна­

Последнее благоприятно при создании различного рода емкост­ ных бесконтактных сигнализаторов и измерителей уровня.

Понятие о чувствительности преобразователя при измерении емкости в данном случае другое. Оно связано с тем, что на ве­ личины G и Сэ влияет только положение уровня жидкости.

Эквивалентная схема преобразователя для данного варианта представляет собой конденсатор емкостью С\.

Условие п > 1 позволяет записать:

ш2С, 1

Овх = ------- (V. 50)

Хмакс п

Для упомянутой эквивалентной схемы справедливо G = aCi, где со < Шкр, а чувствительность равна

дdG n d{C')

А~dT"~ ~ Ш

где dl — элемент изменения уровня.

V.4. НЕКОТОРЫЕ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Кроме приведенных основных требований в процессе кон­ струирования преобразователя возможны и дополнительные. На­ пример:

123

1)материалы преобразователя, соприкасающиеся с исследуе­ мой жидкостью, должны быть стойкими при контакте с агрес­ сивными средами;

2)конфигурация преобразователя должна предусматривать

рической постоянной k, расчет которой производили по выраже­

124

прибора типа SWM 3-2 в комплекте о генератором типа 2001 а производства ГДР фирмы «RFT».

В табл. V. 5 представлены экспериментальные значения е для различных веществ в зависимости от k — для преобразователей типов 1—3 (см. табл. V. 3), полученные с помощью прибора Е12-1 производства СССР. Измерения с каждым веществом про­ изводили не менее 5 раз. Все три преобразователя заполняли исследуемой жидкостью одновременно при комнатной темпера­ туре 20 + 1°С. Исследовали хроматографически чистые и хорошо обезвоженные вещества. Дибутиловый эфир марки ч.д. а. пропу­ скался через колонку с окисью алюминия, а затем выдерживали над селикагелем в течение 5 суток. Криоскопический бензол был хроматографически чистый, обезвоживали его сушкой над се­ ликагелем в течение 5 суток.

Конструкция преобразователя, приведенного на рис. V.7, об­ ладает существенными недостатками, которые в значительной мере усложняют процесс измерения и снижают точность опреде­ ления электрофизических параметров жидкостей. В числе его главных недостатков — перемещение потенциального электрода и его расположение внутри электрода —- корпуса 3 с нулевым потенциалом («земля»). Это вынуждает ввести в конструкцию стержень-держатель, а, следовательно, и коэффициент N, непол­ ноценно учитывающий влияние стержня на процесс определения соответствующих величин. Кроме того, в процессе нахождения разности емкостей всякий раз необходимо отключать измерш тельные провода, присоединенные к электродам, открывать пре­ образователь и вставлять или извлекать часть потенциального электрода. При многократных измерениях перечисленные опе­ рации следует также многократно повторять, что требует про­ должительного времени,

126

Из рассмотрения данных табл. V. 4 и V. 5 становится очевид­ ным другой недостаток преобразователя, приведенного на рис. V. 7, В случае его применения обнаруживается существенное

Условно смещены в плоскость чертежа

Рис. V. 8. Общий вид контактного преобразователя ДКТ-1 с неподвижным потенциальным электродом и постоянным зазором:

/ —ручка; 2—крышка; 3— подвижный электрод с нулевым потенциалом

5—штуцер выхода теплоносителя; 9—штуцер входа теплоносителя; /9—изоляционный блок для крепления в нижней части неподвижного электрода 4 и деталей узла термостатирования; // —коаксиальное гнездо для подключения кабеля.

влияние межэлектродного зазора на точность определений электрофизических параметров, которое можно отнести как к уже отмеченным недостаткам конструкции, так и к недостаткам ме­ тода (см. главу IV).

127

На рис. V. 8 представлен общий вид контактного преобразо­ вателя типа ДКТ-1 для определения электрофизических пара­ метров жидких диэлектриков при сравнительно низких частотах

сдискретным перемещением электрода с нулевым потенциалом.

Вконструкции преобразователя в значительной мере устра­ нены недостатки, присущие предыдущей модели. Он удобен для измерений в широком диапазоне температур [138]. Преобразова­ тель представляет собой коаксиальный конденсатор переменной емкости, между электродами которого помещают исследуемую жидкость, которая термостатируется циркулирующим теплоно­ сителем. Коаксиальный конденсатор образован двумя соосными

в исследуемой жидкости. В данной модели они изготовлены из нержавеющей стали. Поверхности электродов, соприкасающиеся с раствором, имеют чистоту, соответствующую 10 классу ГОСТ

2789—59.

Потенциальный электрод фиксируется с помощью прессовой посадки в изоляционном блоке 10, который выполнен из стойкой к химическим продуктам пластмассы. Термостатирующее звено выполнено отдельным блоком.

Потенциальный электрод выводится стандартным коаксиаль­ ным разъемом 11 типа ВР-166Ф, который устанавливается на корпусе с нулевым потенциалом. Подвижный электрод с нулевым потенциалом выполнен в виде сменных цилиндров 3 с измене­ нием наружного диаметра через 2 мм, что дает возможность из­ менять радиальный зазор между электродами от 1 до 4 мм. Этот электрод устанавливается в крышке 2 на резьбе и закрепляется ручкой 1. Крышка 7 перемещается по наружной поверхности корпуса 6 и фиксируется в одном из трех положений относи­ тельно потенциального электрода в кольцевых пазах защепкой 5.

Выбранное расстояние между пазами позволяет установить подвижный электрод 3, жестко связанный с крышкой 2, относи­ тельно потенциального электрода 4 в трех различных позициях, соответствующих максимальной емкости Смако — в нижнем по­ ложении; 2/зСмакс — в среднем положении, ‘/з^макс — в верхнем положении.

Исследуемую жидкость в объеме 90 см3 заливают в преобра­ зователь через верхнее отверстие, когда крышка 2 отвинчена; после использования ее сливают через штуцер 7. В верхней ча­ сти подвижного электрода предусмотрены отверстия для выхода воздуха при опускании электрода. Для сохранения формы крае­ вого поля в каждом из положений подвижного электрода потен­ циальный электрод сделан несколько длиннее подвижного, на­ ходящегося в крайнем нижнем положении.

Деталь 10, с одной стороны, используют при установке потен­

128

этого основания имеется пространство, образованное соответ­ ствующими коаксиальными поверхностями. Это пространство необходимо для циркуляции жидкого теплоносителя (для термостатирования), входящего через штуцер 9 и выходящего через штуцер 8.

В табл. II.I (стр. 38) приведены величины диэлектрической проницаемости различных жидких продуктов, которые опреде­ лены с помощью трехпозиционного датчика (рис. V. 8) для че­ тырех диаметров внутреннего подвижного электрода с нулевым потенциалом при комнатной температуре (20 °С) и частоте элек­ тромагнитных колебаний 500 кГц.

Вкачестве измерителя емкости использовали прибор типа SWM3-2 производства ГДР (фирма «PFT»). Питание прибора осуществлялось от генератора этой фирмы типа 2001а.

Вграфах таблицы величины е соответствуют различным за­ зорам между электродами, а следовательно различным геомет­ рическим постоянным k преобразователя, при сохранении неиз­

менным диаметра неподвижного потенциального электрода. В этих графах помещены данные для трех позиций каждого элек- ' трода, различающихся по длине (площади) рабочей части.

Несмотря на то, что при конструировании преобразователя, приведенного на рис. V. 8, были приняты меры для устранения некоторых нежелательных фактов, присущих модели, приведен­ ной на рис. V. 7, влияния двойного электрического слоя избежать не удалось. Кроме того, наблюдается некоторое уменьшение ве­ личины е с уменьшением рабочей площади электродов. Автор предполагает, что при этом определенную роль играет неравно­ значное изменение так называемых объемной емкости и емкости вблизи поверхности в зависимости от позиции (см. рис. II. 6) одного электрода относительно другого при сохранении краевой емкости неизменной. Помимо этого, здесь имеется влияние ли­ нейных размеров и различие в точности определения разности емкостей за счет неодинакового «удельного веса» паразитной емкости на фоне измеренной емкости для каждой позиции по­ движного электрода. Так, согласно рис. II.8 справедливо нера­ венство

при различных положениях перемещающегося электрода относи­ тельно неподвижного потенциального электрода.

Все это лишний раз свидетельствует о том, что эксперимен­ тальные величины е и х, найденные таким путем различными ис­ следователями, даже с соблюдением высокой точности отсчета емкости и сопротивления (проводимости) могут отличаться.

Точность определения электрофизических параметров веществ зависит от их истинной проводимости, т. е. от класса жидкости. Для данного типа преобразователей погрешность определения

129