RU2761775C1 - High-frequency capacitive contactless sensor of specific electrical conductivity of liquid - Google Patents

Abstract

FIELD: conductometry.

SUBSTANCE: invention relates to the field of conductometry; it can be used to measure the specific electrical conductivity of electrolytes in physical-chemical studies. The proposed high-frequency capacitive contactless sensor for continuous measurement of the specific electrical conductivity of liquid is a dielectric pipe, through which liquid under study flows, on the outer side of the pipe, two or more metal electrodes are fixed opposite each other, made in the form of rectangular plates tightly adjacent to the outer surface of the pipe, connected to a source of alternating frequency current, on the inner side, internal metal electrodes are fixed opposite to external electrodes, made in the form of rectangular plates tightly adjacent to the inner surface of the pipe, creating capacitors of capacity C₁ with external electrodes, the dielectric of which is pipe walls, two internal electrodes are plates of internal capacitors of capacity C₂, the dielectric of which is a layer of liquid under study.

EFFECT: ensuring the possibility of continuous measurement with the exclusion of sensor contact with the reaction mass.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, к области кондуктометрии, и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости (УЭП) жидкостей (воды и других электролитов) при физико-химических исследованиях, в том числе при автоматизированном контроле технологических процессов.The invention relates to the field of measuring technology, to the field of conductometry, and can be used to measure the specific electrical conductivity (EC) of liquids (water and other electrolytes) in physical and chemical research, including the automated control of technological processes.

Задачей, стоящей перед изобретением, является совершенствование методов непрерывного контроля технологических процессов, в частности, технологического процесса производства алкидных лаков и смол.The challenge facing the invention is to improve the methods of continuous monitoring of technological processes, in particular, the technological process for the production of alkyd varnishes and resins.

Контроль процесса производства алкидных лаков и смол имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать, например:The control of the production process of alkyd varnishes and resins has a number of features that must be taken into account, for example:

- алкидные лаки и смолы относятся к разряду легко воспламеняемых жидкостей (ЛВЖ), в составе их присутствуют растворители - уайт-спирит, нефрас, ксилол, ТС-1 и др., поэтому необходимо исключить прямой контакт измерительных электродов с измеряемой жидкостью, чтобы избежать прямого электрического пробоя;- alkyd varnishes and resins belong to the category of highly flammable liquids (HFL), they contain solvents - white spirit, nefras, xylene, TC-1, etc. electrical breakdown;

- по ходу протекания реакции синтеза нарастает вязкость реакционной массы, вследствие чего свойства продуктов производства могут достигнуть параметров твердого полимера;- in the course of the synthesis reaction, the viscosity of the reaction mass increases, as a result of which the properties of the products of production can reach the parameters of a solid polymer;

- процесс производства алкидных смол протекает при высокой температуре, порядка 240-250°С, и отбор проб реакционной массы представляет определенные трудности, кроме этого, лабораторный анализ производится в течение довольно длительного времени, за время которого в процессе синтеза в реакционной массе происходят структурные и фазовые изменения, изменяющие свойства продукта, т.е., контроль качества продукта отстает от хода процесса синтеза.- the production process of alkyd resins proceeds at a high temperature, of the order of 240-250 ° C, and the sampling of the reaction mass presents certain difficulties, in addition, laboratory analysis is carried out for a rather long time, during which structural and phase changes that change the properties of the product, i.e., the quality control of the product lags behind the progress of the synthesis process.

Вот эти особенности и предопределили необходимость поиска и разработки других методов измерений свойств продуктов, а также датчиков и приборов измерения, с помощью которых можно осуществлять контроль и анализ в режиме текущего времени непосредственно на производственной установке.It is these features that predetermined the need for the search and development of other methods for measuring the properties of products, as well as sensors and measuring devices, with the help of which it is possible to carry out control and analysis in the current time mode directly at the production plant.

В технике предложено довольно много различных способов.There are quite a few different methods proposed in the art.

Известно изобретение №2668365 от 24.10.2017 г., МПК G01N 27/06, в котором предложено контролировать параметры и характеристики реакционной массы по физическим параметрам: модулю комплексного сопротивления Z реакционной массы и углу фазового сдвига комплексного сопротивления ϕ° реакционной массы. Недостатком изобретения является то, что для контроля параметров реакционной массы требуется производить периодический отбор проб из реактора.Known invention No. 2668365 dated 10.24.2017, IPC G01N 27/06, in which it is proposed to control the parameters and characteristics of the reaction mass by physical parameters: the modulus of the complex resistance Z of the reaction mass and the phase shift angle of the complex resistance ϕ ° of the reaction mass. The disadvantage of the invention is that to control the parameters of the reaction mass requires periodic sampling from the reactor.

Известно изобретение №2697032 от 29.12.2017 г., в котором предложено контролировать параметры и характеристики реакционной массы по следующим физическим параметрам: активному сопротивлению R_p реакционной массы и тангенсу угла диэлектрических потерь tgδ реакционной массы посредством измерения во времени их значений. Недостатком является то, что необходимо производить периодический отбор проб реакционной массы из реактора.Known invention No. 2697032 dated December 29, 2017, in which it is proposed to control the parameters and characteristics of the reaction mass according to the following physical parameters: active resistance R _{p of the} reaction mass and the tangent of the dielectric loss angle tgδ of the reaction mass by measuring their values in time. The disadvantage is that it is necessary to make periodic sampling of the reaction mass from the reactor.

Известны также патенты №181807 от 11.05.2017 г., №2707396 от 10.05.2018 г., №2708682 от 11.03.1019 г., в которых предложены конструкции датчиков для измерений электрофизических параметров реакционной массы непрерывно по ходу протекания технологического процесса без отбора реакционной массы. Недостатком этих устройств является то, что в них электроды имеют контакт с реакционной массой.There are also known patents No. 181807 of 05/11/2017, No. 2707396 of 05/10/2018, No. 2708682 of 03/11/2019, in which the designs of sensors for measuring the electrophysical parameters of the reaction mass are proposed continuously along the course of the technological process without selecting the reaction masses. The disadvantage of these devices is that the electrodes in them are in contact with the reaction mass.

Частотные методы кондуктометрии возникли сравнительно недавно в связи с развитием цифровых систем измерения. Применение частотных методов позволяет результаты измерения вводить непосредственно в цифровые измерительные системы и электронные вычислительные машины и получать цифровую запись результатов. Это создает большие преимущества при автоматизации лабораторных исследований и производственных процессов.Frequency conductometry methods have emerged relatively recently in connection with the development of digital measurement systems. The use of frequency methods allows the measurement results to be entered directly into digital measuring systems and electronic computers and to obtain a digital record of the results. This creates great advantages in the automation of laboratory research and production processes.

Для данного случая представляет интерес бесконтактный метод измерения, при котором в процессе измерения исследуемый электролит не имеет прямого контакта с электродами кондуктометрической ячейки и связан с измерительной цепью индуктивно или через емкость. В этом случае отсутствуют поляризационные явления на электроде, появляющиеся вследствие протекания электрического тока через поверхность раздела электрод - раствор, что важно для измерения электропроводности концентрированных растворов и для измерений в агрессивных и летучих средах.For this case, a non-contact measurement method is of interest, in which, during the measurement, the investigated electrolyte does not have direct contact with the electrodes of the conductometric cell and is connected to the measuring circuit inductively or through a capacitance. In this case, there are no polarization phenomena on the electrode, which appear due to the flow of electric current through the electrode-solution interface, which is important for measuring the electrical conductivity of concentrated solutions and for measurements in aggressive and volatile media.

К достоинствам бесконтактных методов можно отнести невозможность загрязнения электродов, искажающих результат измерения, а также отсутствие драгоценных металлов, из которых изготавливаются электроды.The advantages of non-contact methods include the impossibility of contamination of the electrodes, distorting the measurement result, as well as the absence of precious metals from which the electrodes are made.

Бесконтактные методы позволяют проводить исследования процессов, протекающих при высокой или низкой температуре, при высоком или низком давлении, протекающих в запаянной ампуле и т.п.Non-contact methods make it possible to carry out studies of processes occurring at high or low temperatures, at high or low pressures, occurring in a sealed ampoule, etc.

Перед изобретением поставлена задача: разработать конструкцию высокочастотного датчика, в котором отсутствуют недостатки, отмеченные выше, которым можно будет производить непрерывные измерения электрофизических параметров реакционной массы, и с помощью их можно судить о качестве продукта и контролировать ход технологического процесса.The task was set for the invention: to develop a design of a high-frequency sensor, which does not have the disadvantages noted above, which can make continuous measurements of the electrophysical parameters of the reaction mass, and with their help it is possible to judge the quality of the product and control the course of the technological process.

Эксплуатационные свойства конструкции датчика не должны допускать скапливания и отложений исследуемой реакционной массы в каких-либо полостях датчика и предусмотреть возможность промыва всей конструкции и доступного визуального обследования состояния измерительных поверхностей.The operational properties of the sensor structure should not allow the accumulation and deposits of the investigated reaction mass in any cavities of the sensor and provide for the possibility of flushing the entire structure and an accessible visual inspection of the state of the measuring surfaces.

Проведенный патентный поиск позволил установить, что в предыдущих патентных заявках аналоги, тождественные признакам заявляемого устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».The conducted patent search made it possible to establish that in previous patent applications there are no analogues identical to the features of the claimed device, which indicates that the claimed device meets the “novelty” condition of patentability.

Предложенный высокочастотный емкостной бесконтактный датчик для непрерывного измерения удельной электрической проводимости жидкости (рис. 1, рис. 2) представляет собой трубу из диэлектрика, через которую протекает исследуемая жидкость, на внешней стороне трубы закреплены напротив друг друга два или более металлических электрода в виде прямоугольных пластин С₁, плотно прилегающих к внешней поверхности трубы, соединенных с источником переменного по частоте тока, напротив внешних электродов с внутренней стороны закреплены внутренние металлические электроды С₂, в виде прямоугольных пластин, плотно прилегающих к внутренней поверхности трубы, создающие с внешними электродами конденсаторы емкости С₁, диэлектриком у которых являются стенки трубы, два внутренних электрода являются обкладками емкости С₂, диэлектриком которой служит слой исследуемой жидкости. Конденсатор С₂ зашунтирован сопротивлением R электролита (на рис. 1 показан пунктиром), которое можно принять за сопротивление утечки конденсатора С₂.The proposed high-frequency capacitive non-contact sensor for continuous measurement of the specific electrical conductivity of a liquid (Fig. 1, Fig. 2) is a dielectric pipe through which the liquid under study flows, on the outside of the pipe two or more metal electrodes in the form of rectangular plates are fixed opposite each other C ₁ , tightly adhering to the outer surface of the pipe, connected to a source of variable frequency current, opposite the outer electrodes on the inner side, internal metal electrodes C _{2 are} fixed, in the form of rectangular plates, tightly adhering to the inner surface of the pipe, creating capacitors of capacitance C with external electrodes ₁ , in which the pipe walls are the dielectric, the two internal electrodes are the plates of the container C ₂ , the dielectric of which is the layer of the liquid under study. The capacitor C _{2 is} shunted by the resistance R of the electrolyte (in Fig. 1 is shown by a dotted line), which can be taken as the leakage resistance of the capacitor C ₂ .

Источником переменного тока и измерителем электропроводимости жидкости служит прибор «Измеритель иммитанса Е7-30», подключенный к клеммам внешних электродов а и b конденсатора емкости С₁.The source of alternating current and fluid conductivity meter unit is "immittance meter E7-30" connected to terminals of external electrodes a and b capacitance of capacitor C _1.

Эквивалентная схема емкостной ячейки представлена на рис. 2. Две емкости С₁ на схеме изображены одной. Величина емкости конденсатора С₁ не зависит от свойств исследуемого электролита. Сопротивление утечки у емкости С₁ не зависит от свойств исследуемого электролита, обычно очень велико, и поэтому величина утечки очень маленькая, и не берется во внимание при расчетах. Величина емкости С₁ определяется размерами площади внешних электродов, диэлектрической проницаемостью материала диэлектрика, из которого сделана труба и толщиной стенки трубы:The equivalent circuit of the capacitive cell is shown in Fig. 2. Two containers C ₁ in the diagram are shown as one. The capacitance value of capacitor C ₁ does not depend on the test electrolyte properties. The leakage resistance of the capacitance C ₁ does not depend on the properties of the investigated electrolyte, it is usually very high, and therefore the leakage value is very small and is not taken into account in the calculations. The value of the capacitance C ₁ is determined by the dimensions of the area of the external electrodes, the dielectric constant of the dielectric material from which the pipe is made and the thickness of the pipe wall:

где S₁ - площадь электродов, м²; ε₁ - диэлектрическая проницаемость материала стенок трубы; d - толщина стенок трубы, м; ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85×10^-12 ф/м; С₁ - емкость, ф.where S ₁ is the area of the electrodes, m ² ; ε ₁ - dielectric constant of the pipe wall material; d - pipe wall thickness, m; ε ₀ - absolute dielectric constant of vacuum, equal to 8.85 × 10 ^-12 f / m; С ₁ - capacity, f.

Емкость конденсатора С₂ зависит от площади внутренних электродов S₂ (м²), расстояния между обкладками Δ (м), относительной диэлектрической проницаемости ε₂ исследуемого электролита и ε₀ - диэлектрической проницаемости вакуума и определяется из выражения:The capacity of the capacitor C ₂ depends on the area of the internal electrodes S ₂ (m ² ), the distance between the plates Δ (m), the relative dielectric constant ε _{2 of} the electrolyte under study and ε ₀ - the dielectric constant of the vacuum and is determined from the expression:

После ряда математических преобразований и допущений в конечном итоге можно получить выражение для расчета действительной составляющей удельной электрической проводимости исследуемого электролита:After a series of mathematical transformations and assumptions, one can ultimately obtain an expression for calculating the real component of the specific electrical conductivity of the electrolyte under study:

где: ω - частота переменного тока; R - сопротивление исследуемого электролита.where: ω is the frequency of the alternating current; R is the resistance of the investigated electrolyte.

Датчик выполнен в виде вставки в трубопровод в технологическую линию. Конструкция датчика выполнена таким образом, что исключается прямой электрический пробой.The sensor is made in the form of an insert into the pipeline in the technological line. The design of the sensor is made in such a way that direct electrical breakdown is excluded.

Датчик позволяет проводить непрерывные измерения электропроводимости жидкостей и измерения других электрофизических параметров непрерывно по ходу протекания технологического процесса. Применение изобретения наиболее целесообразно в области автоматизированных промышленных измерений, особенно в оборудовании ответственного назначения, в котором калибровка или поверка применяемых в нем кондуктометров может быть проведена лишь через значительные интервалы времени или вообще невозможна.The sensor allows continuous measurements of the electrical conductivity of liquids and measurements of other electrophysical parameters continuously along the course of the technological process. The application of the invention is most expedient in the field of automated industrial measurements, especially in critical equipment, in which the calibration or verification of the conductometers used in it can be carried out only after considerable time intervals or is completely impossible.

Датчик может быть использован для измерения удельной электропроводимости в диапазоне от 10^-1 до 10^-6 см/м и менее, в электромагнитном поле с частотой от 1 кГц до 10 МГц.The sensor can be used to measure specific conductivity in the range from 10 ^-1 to 10 ^-6 cm / m or less, in an electromagnetic field with a frequency of 1 kHz to 10 MHz.

Проверка работоспособности датчика была осуществлена на контроле стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков. В комплекте с датчиком измерение проведено прибором «Измеритель иммитанса Е7-30», характеристическая частота равна 35 КГц. Стадия поликонденсации сложный технологический процесс, в котором из смеси различных веществ: растительного масла - жидкость, фталевого и малеинового ангидридов - порошок (либо хлопья), ксилола - жидкость, синтезируется новое вещество - алкидная смола, которое по существу является полимером. Реакционная смесь претерпевает глубокие изменения свойств и фазовых состояний веществ. По окончанию синтеза из жидкой смеси получается полимер, по своим свойствам приближающийся к твердому телу. В ходе синтеза серьезно изменяются электрофизические свойства реакционной массы: на начальном этапе стадии поликонденсации свойства реакционной массы соответствуют характеристикам проводника, на конечном этапе поликонденсации свойства продукта близки к свойствам диэлектриков. Характерной особенностью стадии поликонденсации является то, что в процессе реакции вязкость реакционной массы нарастает лавинообразно, и, если реакцию не остановить в нужный момент, то значение вязкости может увеличиваться до бесконечности, что приводит к браку. Важно не пропустить момент окончания процесса протекания реакции и при достижении конечным продуктом качественных характеристик, заданных технологическим регламентом, вовремя остановить процесс, что достаточно проблематично в действующем производстве из-за того, что существующий контроль проб требует охлаждения от 250°С до 20°С и последующий анализ вязкого конечного продукта занимает много времени, а за это время свойства реакционной массы сильно меняются.The performance check of the sensor was carried out at the control of the polycondensation stage in the production of alkyd varnishes. In the complete set with the sensor, the measurement was carried out with the device "Immittance Meter E7-30", the characteristic frequency is 35 KHz. The stage of polycondensation is a complex technological process, in which a new substance is synthesized from a mixture of various substances: vegetable oil - liquid, phthalic and maleic anhydrides - powder (or flakes), xylene - liquid, a new substance is synthesized - alkyd resin, which is essentially a polymer. The reaction mixture undergoes profound changes in the properties and phase states of substances. At the end of the synthesis, a polymer is obtained from the liquid mixture, which in its properties is close to a solid. During the synthesis, the electrophysical properties of the reaction mixture seriously change: at the initial stage of the polycondensation stage, the properties of the reaction mixture correspond to the characteristics of the conductor; at the final stage of polycondensation, the properties of the product are close to those of dielectrics. A characteristic feature of the polycondensation stage is that during the reaction the viscosity of the reaction mass increases like an avalanche, and if the reaction is not stopped at the right time, the viscosity value can increase to infinity, which leads to rejection. It is important not to miss the moment of the end of the reaction process and when the final product reaches the quality characteristics specified by the technological regulations, stop the process in time, which is quite problematic in the existing production due to the fact that the existing control of samples requires cooling from 250 ° C to 20 ° C and the subsequent analysis of the viscous final product takes a lot of time, and during this time the properties of the reaction mixture change greatly.

С помощью предложенного датчика были проведены измерения активного сопротивления R_p реакционной массы в ходе синтеза алкидной смолы алкидного лака ПФ-033 посредством непрерывного измерения его значения и определения зависимости измеренных значений от вязкости реакционной массы.Using the proposed sensor, the active resistance R _{p of the} reaction mass was measured during the synthesis of the alkyd resin of the PF-033 alkyd varnish by continuously measuring its value and determining the dependence of the measured values on the viscosity of the reaction mass.

В ходе синтеза алкидной смолы алкидного лака ПФ-033 измерено изменение величины активного сопротивления R_p реакционной массы во времени и определено, что величина активного сопротивления растет по ходу синтеза (рис. 3). Рост величины активного сопротивления R_p реакционной массы объясняется тем, что в начале стадии поликонденсации реакционная масса неоднородна, представляет собой смесь жидких и твердых составляющих и по свойствам близка к проводникам, а затем в ходе химических изменений реакционная масса становится более однородной, по структуре приближается к диэлектрикам, поэтому электрическое сопротивление растет, что и показывает измерение (рис. 3).During the synthesis of the alkyd resin of the alkyd varnish PF-033, the change in the value of the active resistance R _{p of the} reaction mass in time was measured and it was determined that the value of the active resistance increases during the synthesis (Fig. 3). The increase in the value of the active resistance R _{p of the} reaction mass is explained by the fact that at the beginning of the polycondensation stage, the reaction mass is inhomogeneous, is a mixture of liquid and solid components and is close in properties to conductors, and then, in the course of chemical changes, the reaction mass becomes more homogeneous, in structure it approaches dielectrics, so the electrical resistance increases, which is shown by the measurement (Fig. 3).

В ходе синтеза параллельно с измерениями R_p отбирают пробы реакционной массы и проводят лабораторный анализ на вязкость в соответствии с регламентом. Пробы отбирают в тот момент, когда фиксируют значение R_p по прибору «Измеритель иммитанса Е7-30». По результатам измерений и анализов определяют зависимость между вязкостью реакционной массы μ и активным сопротивлением реакционной массы R_p на стадии поликонденсации производства алкидного лака ПФ-033 и эту зависимость отображают на графике (рис. 4). Как видно на графике, величина активного сопротивления R_p реакционной массы увеличивается с ростом вязкости μ реакционной массы и эта зависимость носит линейный характер. На графике каждому значению активного сопротивления соответствует значение вязкости реакционной массы, поэтому, используя эту зависимость, можно контролировать процесс протекания стадии поликонденсации в процессе производства алкидного лака ПФ-033 и определить тот момент, когда вязкость реакционной массы достигла значения, заданного регламентом и остановить процесс.During the synthesis, in parallel with the measurements of R _p, samples of the reaction mass are taken and laboratory analysis for viscosity is carried out in accordance with the regulations. Samples are taken at the moment when the R _p value is recorded using the "Immittance Meter E7-30" device. According to the results of measurements and analyzes, the relationship between the viscosity of the reaction mass μ and the active resistance of the reaction mass R _p at the stage of polycondensation of the production of alkyd varnish PF-033 is determined and this dependence is displayed on the graph (Fig. 4). As can be seen in the graph, the value of the active resistance R _{p of the} reaction mass increases with an increase in the viscosity μ of the reaction mass and this dependence is linear. On the graph, each active resistance value corresponds to the viscosity of the reaction mass, therefore, using this dependence, it is possible to control the process of the polycondensation stage during the production of PF-033 alkyd varnish and determine the moment when the viscosity of the reaction mass has reached the value specified by the regulations and stop the process.

На основании этого можно утверждать, что предложенный датчик работоспособен и может использоваться для контроля других химических процессов.Based on this, it can be argued that the proposed sensor is efficient and can be used to control other chemical processes.

Таким образом, поставленная задача решена.Thus, the task has been solved.

Claims (1)

Высокочастотный емкостной бесконтактный датчик удельной электрической проводимости жидкости представляет собой трубу из диэлектрика, через которую протекает исследуемая жидкость, отличающийся тем, что на внешней стороне трубы закреплены напротив друг друга два или более металлических электрода в виде прямоугольных пластин, плотно прилегающих к внешней поверхности трубы, соединенных с источником переменного по частоте тока, напротив внешних электродов с внутренней стороны трубы закреплены внутренние металлические электроды, в виде прямоугольных пластин, плотно прилегающих к внутренней поверхности трубы, создающие с внешними электродами конденсаторы емкости C₁, диэлектриком у которых являются стенки трубы, два внутренних электрода являются обкладками емкости С₂, диэлектриком которой служит слой исследуемой жидкости.A high-frequency capacitive non-contact sensor for the electrical conductivity of a liquid is a dielectric pipe through which the test liquid flows, characterized in that on the outer side of the pipe two or more metal electrodes are fixed opposite each other in the form of rectangular plates tightly adjacent to the outer surface of the pipe, connected with an alternating frequency current, opposite external electrodes on the inner side tube fixed internal metal electrodes, in the form of rectangular plates, tightly adjacent to the interior surface of the pipe, creating external electrodes c ₁ capacitors, dielectric who are tube walls, two inner electrode are the plates of the container C ₂ , the dielectric of which is the layer of the investigated liquid.

Images