, ,
Теоретические основы и принципиальная схема прибора для оперативного контроля степени загрязнения шахтных вод
Прибор основан на принципе действия разработанного авторами устройства для кондуктометрических измерений [1].
Создавая новый прибор, авторы решали задачи упрощения и повышения надежности определения степени загрязнения шахтных вод. В результате разработана принципиальная схема прибора оперативного определения общего содержания в водах солей тяжелых, редких и других элементов.
При разработке прибора за основу взяты теоретические положения [2, 3, 4].
Одним из важных параметров, характеризующих физико-химические свойства различных жидкостей, является удельная проводимость; располагая информацией о ней можно, в частности, определять концентрацию растворенных в жидкости солей особенно в тех случаях, когда их качественный состав известен (известно, например, что в воде много солей железа).
Известно, что в кондуктометрии традиционный способ измерения степени загрязнения жидкости основан на определении в исследуемой жидкости удельной проводимости.
В отличие от этого способа авторами разработан метод, в котором использовано понятие – удельное сопротивление жидкости; это понятие в большем диапазоне характеризует физико-химические свойства солей различных металлов.
Соответственно изменены теоретические положения расчета параметров, причем в качестве основного соотношения принят закон Ома в дифференциальной форме:
jв = σ Ев (1)
где jв – вектор плотности тока удельного сопротивления жидкости;
σ – удельное сопротивление жидкости; Ев – вектор напряженности электрического поля в жидкости.
Выражение (1), в котором σ является коэффициентом пропорциональности между значениями j и Ев, и, очевидно, (1) можно считать определением понятия удельного сопротивления жидкости. Соотношение (1) справедливо как для постоянных (стационарных) токов так и для переменных квазистационарных токов. Зная эти величины, можно находить проводимость жидкости по формуле:
G = I / φ
где φ – напряжение тока, В;
и по ее значению можно судить о величине удельного сопротивления жидкости, руководствуясь соотношением:
G = σ А (2)
где σ – проводимость жидкости между электродами датчика;
А – константа электродов.
Соотношение (2) является ключевым при решении задач кондуктометрии. Погрешности снижаются с уменьшением плотности тока на электродах (1).
При создании прибора учитывали, что выбор необходимого диапазона частот ограничен причинами чисто электродинамической природы. Прежде всего, необходимо было иметь ввиду, что наряду с токами удельного сопротивления в проводящей среде всегда присутствуют токи смещения; эти токи, накладываясь на ток удельного сопротивления, вызывают погрешность определения последнего, ибо измеритель тока, включенный в измерительную цепь датчика, фиксирует результирующий ток. Авторы применяли способы, позволяющие уменьшить погрешность в определении σ. В частности, плотность тока смещения устанавливалась, возможно, меньшей по сравнению с током удельного сопротивления жидкости. Критерием этого являются известные соотношения.
В отличие от применяемых в практике методов измерений в приборе учтено влияние тока смещения на показатели прибора при малых значениях удельного сопротивления жидкости и влияния на эти показатели частоты. Кроме того, учтено, что при больших значениях σ тоже существует ограничение точности измерения, о чем в литературе по контактной кондуктометрии почти не упоминается.
Необходимо было учитывать, что всякие изменения параметров тока всегда происходят с разной скоростью. Эти изменения тока (с определенной скоростью) вызывают в контуре, в который включен датчик, переменный магнитный поток самоиндукции, часть которого непременно пронизывает и жидкость в датчике; в результате чего индукция магнитного поля в жидкости тоже изменяется с определенной скоростью. При этом электрическое поле в жидкости уже перестает быть потенциальным, либо ротор его напряженности отличен от нуля и пропорционален скорости изменения магнитной индукции.
Функциональная схема (рис.) кондуктометра состоит из следующих узлов: датчика удельного сопротивления жидкости 1; термопреобразователя 2; электронного измерителя удельного сопротивления 3; электронного термокомпенсатора 4; генератора опорного напряжения переменного тока 5; выходного измерительного прибора 6, выполненного на базе микроамперметра на 100 мА.
Измеритель удельного сопротивления жидкости 3 и термокомпенсатор 4 соединены между собой каскадно. Коэффициент передачи термокомпенсатора зависит от выходного параметра термопреобразователя, за счет чего и осуществляется термокомпенсация.
 |
В зависимости от положения переключателя «БИД РАБОТ», микроамперметр 6 оказывается подключенным либо непосредственно к выходу измерителя 3, либо к выходу термокомпенсатора 4. В первом случае могут быть проведены калибровка и контроль прибора, а также измерение удельного сопротивления 5, а во втором случае – измерение приведенного удельного сопротивления жидкости.
Рис. Функциональная схема кондуктометра
Датчик удельного сопротивления представляет собой узкий цилиндрический «стакан», боковые стенки которого собраны из втулок, выполненных из диэлектрического материала и нержавеющей стали. Втулки вставлены друг в друга и чередуются между собой, образуя, таким образом, систему из четырех электродов, разделенных диэлектрическими промежутками. Верхний и нижний электроды являются токовыми, а потенциальные электроды расположены между ними. Продольный размер внутренней поверхности токовых электродов соизмерим с радиусом «стакана», продольный же размер потенциальных электродов значительно меньше этого радиуса.
Термопреобразователь содержит полупроводниковый терморезистор, вмонтированный в герметичную оболочку из диэлектрического материала, залитую трансформаторным маслом. Оболочка выполнена в виде узкого полого стержня, на одном из концов которого расположен терморезистор, а на другом имеется «шляпка», с помощью которой термопреобразователь может быть погружен в «стакан» и удерживаться в нем с небольшим натягом. При этом нижний конец термопреобразователя оказывается между верхними потенциальным и токовым электродами. Выводы терморезистора снабжены контактами для подключения к гнездам кондуктометра.
С помощью прибора с достаточной степенью точности определяется общее солесодержание в шахтных водах. Если известны содержащиеся в водной среде химические соединения солей металлов, то прибор позволяет определить количественный состав этих солей. Не менее важно, что определение количественного состава отдельных элементов производится без перенастройки прибора.
Список литературы
1. О теории и практике применения электрометрии для оперативного мониторинга степени очистки шахтных вод / , // Изв. вузов. Горн. журн. – 2008. – № 8. – С. 156-161.
2. Лопатин (Измерения электропроводности электролитов / . – Новосибирск: АН СССР. Сиб. отд–ние, 1964. – 280 с.: табл.
3. Тамм теории электричества / . – М., 1956.
4. Якубовский : учебник для техникумов / -ский, . – 4-е изд., перераб. – М.: Недра, 1982. – 381 с.
