Файл: Усиков, С. В. Электрометрия жидкостей.pdf

Максимальное значение этого решения получается при т = 1 (рис. IV. 8 ). С точки зрения чувствительности и однозначности измерений целесообразно пользоваться областями А или В. С целью установления критической (соответствующей макси­ муму) частоты для данной удельной величины яо или, наоборот,

На рис. IV. 9 представлен принципиальный вид индуктивного преобразователя второго типа. Виток связи между трансформа­ торами выполнен в виде замкнутой проточной трубки, содержа­ щей исследуемый раствор, проводящий электрический ток. Ме­ тод, в котором используется такой преобразователь, успешно

Рис. IV.9. Принципиальный вид индуктивного пре­ образователя с жидкостным витком.

Тх и Г2—трансформаторы связи и измерительный.

применяют для определения состава жидких сред по проводимости для объектов, имеющих сравнительно большую постоян­ ную времени при низких частотах. Благодаря усилиям советских ученых в настоящее время метод нашел широкое применение в отечественной промышленности, а также начинает использо­ ваться в качестве одного из эталонных для определения абсо­ лютных значений проводимости растворов электролитов при низ­ ких частотах, например, при получении концентрированной сер­ ной кислоты, жидкого фтористого водорода и других продуктов [39]. Наиболее удачное оформление метод получил при питании преобразователя напряжением повышенной частоты, модулиро­ ванной промышленной частотой 50 Гц. Начало разработки ме­

84

тода положено в трудах Проскурина [8 8 ], развитое затем рядом авторов [39, 89, 90, 91]. Имеются факты измерения проводимо­

тельном трансформаторе Т2: / = knU\ = U/R = Un, где ku — по­ стоянная передачи трансформатора Т2 (в A/В); ^ — напряже­ ние на витке; R — сопротивление раствора; к — проводимость раствора.

Колебания напряжения и частоты питающей сети оказывают нежелательное влияние при измерении проводности жидкости.

Рис. IV.10. Принципиальный вид индуктивного пре образователя с жидкостным витком и компеисаци' онной схемой.

Первые устраняются компенсационной схемой, приведенной на рис. IV. 10. Компенсационная обмотка связи включена навстречу основной (жидкостному витку) относительно измерительного трансформатора Т2 (Тi — питающий трансформатор). Сопротив­ ление Ra в компенсационной обмотке регулируется на отсутствие напряжения во вторичной обмотке по нуль-индикатору и рав­ няется полному сопротивлению электролита. Равенству числа ампер-витков раствора и компенсационной обмотки соответ­ ствует равенство токов и сопротивлений: 1\ и / 2 и R = RB. . В этом случае величина ко определяется выражением:

где Ro — удельное сопротивление раствора.

85

Значит, проводимость раствора пропорциональна напряже­ нию V\ на выходе измерительного трансформатора Тг при усло­ вии U = const, f = const. Нетрудно видеть, что схема рис. IV. 10 может быть использована для непрерывного измерения проводи­ мости [91, 92].

Достоинство схем с жидкостным витком в том, что в них можно эффективно проводить термокомпенсацию в широком ин­ тервале температур. Зависимость проводимости раствора от тем­ пературы .имеет вид: x = x o (l+ a t) . Начальной температуре соответствует равенство R0 = Rн и электролит образует Nu вит­

трансформаторе.

При нагревании раствора от некоторой начальной темпера­ туры до температуры t появятся так называемые ампер-витки разбаланса в трансформаторе Т2, которые определяются из вы­ ражения:

где U — напряжение, приходящееся на один виток возбуждаю­ щего трансформатора.

Согласно начальным условиям:

В случае t ф 0 избыточное число витков, которое следует скомпенсировать, равно:

AtAW1= ~ N llNl2ai

Несложным изменением схемы — введением в виток термочув­ ствительного сопротивления, включенного последовательно с RK— при допущении линейной зависимости проводимости рас­ твора и термосопротивления от температуры решается вопрос термокомпенсации.

Чувствительность преобразователя — это производная от вы­ ражения для ампер-витков по проводимости: А = dWi/dv,.

IV.4. БЕСКОНТАКТНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ МЕТОДЫ

Главное, что отличает емкостный метод определения элек­ трофизических параметров веществ в квазистационарной части частотного спектра от других методов — наиболее полное тео­ ретическое их описание и обобщение функциональных зависимо­ стей, характеризующих чувствительный элемент. Сначала бес­ контактный емкостный метод использовали преимущественно для

86

целей титрования и относительных измерений электрофизических параметров [93—108]. Он находит применение для: обнаружения пламени из-за ионизации газов в процессе горения [80]; регистра­ ции различных химических и биологических процессов [109— 112];' измерения влажности [113, 114]; установления границы зон в хроматографической колонке [115]; непрерывного контроля алю­ минатов [116, 117]; изучения свойств частиц раствора [118—120]. Для выяснения возможностей метода развивается его теория, в том числе в направлении определения электрофизических характеристик веществ. Многие работы указанного направления ограничиваются полурасчетным, полуэмпирическим подбором чувствительных элементов. В результате наблюдается большое разнообразие подходов к решению однотипных задач, услож­ няется возможность сопоставления экспериментальных данных и оценки их достоверности.

Рис. IV.11. Принципиальный вид емкостного бесконтактного преобразо­ вателя и его эквивалентные схемы без учета элементов электрического двойного слоя.

Эквивалентные схемы: а — основная; б —параллельная; в —последовательная.

Применение бесконтактных емкостных методов определения электрофизических параметров наиболее эффективно в том слу­ чае, если хорошо отработана их теория. Отправные положения этой теории исходят из рассмотрения характеристик преобразо­ вателя, которые имеют ярко выраженную зависимость от величин е и х жидкости.

На рис. IV. 11 представлены принципиальный вид емкостного преобразователя и его эквивалентные схемы без учета элемен­ тов электрического двойного слоя. Хотя такая общепринятая ин­ терпретация электрической модели емкостного преобразователя не совершенна, вследствие исключения элементов Сд и £?д, она все же в некоторой степени помогает понять основные его свой­ ства и оценить тот или иной путь определения величин е и х бесконтактным емкостным способом. Для более полного раскры­ тия кажущегося совершенства представленной электрической эквивалентной схемы рис. IV. 11,6 позволим себе, вопреки об­ щепринятому, при анализе метода определения электрических параметров жидкости и в построении его теории следовать от частного к общему, т. е. путями исторического развития метода.

87

Любое теоретическое представление есть представление о мо­ дели, с помощью которой мы описываем в целом или в частном физическую систему. Эта модель, как правило, не может быть в полной мере представлением о самих свойствах системы и на определенном этапе является гипотезой, которую можно подтвер­ дить или опровергнуть.

Полное электрическое сопротивление емкостного преобразо­ вателя с учетом параметров электрического двойного слоя мо­ жет быть представлено выражением (11.36), которое является сложной функцией е и х как объемной части раствора, так и части раствора, находящейся у-границы раздела фаз. Если Сд и /?д много больше параметров Сч и R, то можно допустить спра­ ведливость электрической эквивалентной схемы преобразова­ теля, представленной на рис. IV. 11.

Итак, полная проводимость электрической системы между электродами для параллельной схемы запишется в виде:

G = G -f- jb

где G и b — активная и реактивная составляющие.

Нередко можно встретить изображение составляющих G и Ъ как функций низкочастотной проводимости [79, с., 371]. Это хотя и позволяет иметь некоторые представления о свойствах преоб­ разователя (его качествах), но совершенно исключается при ко­ личественных оценках полученных результатов. Такое изображе­ ние величин G a b вводит неопределенность при рассмотрении функциональных зависимостей для данного продукта, реальный характер которых может быть иной, особенно если эксперименты производятся при частоте, близкой к релаксационной. Например, при больших частотах крутизна низкочастотной характеристики G = (pi (хцизк) может значительно отличаться от крутизны высо­ кочастотной характеристики G = ф2 (хВыС), В дальнейшем мы бу­ дем полагать G и 6 зависимыми от активной проводимости, ха­ рактерной для данной частоты электромагнитных колебаний и конструкции преобразователя.

На основании эквивалентных схем рис. IV. 11,6 и в можно записать

где х = 1 //?э — активная проводимость жидкости при данной частоте электромагнитных колебаний.

На рис. IV. 12 представлены характеристики активной прово­ димости и приращения эквивалентной емкости преобразователя

взависимости от активной проводимости жидкости, заключенной

вэтот преобразователь. Характеристики получены при различ­ ных частотах и являются одними из основных, так как позво­

88

ляют определить чувствительность, точность, диапазон измере­ ния и т. д. Выражения (IV.21) и (IV.22) также в совокупности с некоторыми другими характеристиками преобразователя и ис­ следуемого вещества являются исходными для отыскания отно­ сительного и абсолютного электрофизических параметров жид­ костей.

Отметим некоторые свойства характеристик рис. IV. 12. Рас­

Частоты (в МГц): a — f1= 6; f2= o ; f3==4; б —Ь = 30; h = 2 0 ; f3 = 10; f4= 3; ft= I .

электромагнитных колебаний. У них имеются несколько харак­ теристических участков [119]:

xi ->0 ;

Х2 -?-оо;

х 3 = СО (С, + С2) = х ш к с ;

Значение хз соответствует максимуму кривой G — ф'(х) и определяется из приравнивания к нулю первой производной dG/dx; Х4 — соответствует точке перегиба, которая находится из приравнивания к нулю второй производной d2 G/dx2; Х5 — соот­ ветствует точке перегиба зависимости ДСэ = ф"(х). Максималь­ ное значение функции G = ф'(х) соответствует точке на кривой зависимости ДСэ = ф"(х), приблизительно равной '/гДО,; стало быть ДСЭмакс = ДС1 уже при х « 2 хмакс.

89