Теоретические основы и принципиальная схема прибора для оперативного контроля степени загрязнения шахтных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические основы и принципиальная схема прибора для оперативного контроля степени загрязнения шахтных вод

П.А. Лыхин, А.А. Паньков, В.И. Клепиков

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]. прибор загрязнение шахтный вода

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:

j_в = у Е_в (1)

где j_в - вектор плотности тока удельного сопротивления жидкости;
у - удельное сопротивление жидкости; Е_в - вектор напряженности электрического поля в жидкости.

Выражение (1), в котором у является коэффициентом пропорциональности между значениями j и Е_в, 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 / ц

где ц - напряжение тока, В;

и по ее значению можно судить о величине удельного сопротивления жидкости, руководствуясь соотношением:

G = у А (2)

где у - 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 у. 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 у 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. Лыхин П.А. О теории и практике применения электрометрии для оперативного мониторинга степени очистки шахтных вод / П.А. Лыхин, А.А. Паньков // Изв. вузов. Горн. журн. 2008. № 8. С. 156-161.

2. Лопатин Б.А. Кондуктометрия (Измерения электропроводности электролитов / Б.А. Лопатин. - Новосибирск: АН СССР. Сиб. отд-ние, 1964. 280 с.: табл.

3. Тамм И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм. М., 1956.

4. Якубовский Ю.В. Электроразведка: учебник для техникумов / Ю.В. Якубовский, Л.Л. Ляхов. 4-е изд., перераб. М.: Недра, 1982. 381 с.

Размещено на Allbest.ru