ЗОНД ИГОЛЬЧАТОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ ИЛИ МНОГОФАЗНЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/07 

Изобретение касается устойчивого зонда игольчатой формы для измерения электропроводности жидкостей или многофазных смесей, в особенности при проведении технологических процессов и в энергетике, где электропроводность служит в основном в качестве меры дальнейших физических или химических свойств (например, температуры, концентрации) жидкости или как индикатор фазы в многофазной смеси, на которой в данный момент находится зонд.

При проведении технологических процессов и в энергетике характеристики многофазных смесей часто измеряются с помощью электропроводящих зондов. При типичном технологическом процессе имеют место высокие значения параметров давления, температуры, потоков, причем в скачкообразной форме, а также химически агрессивные среды. Игольчатый зонд для ввода в действие подобного вида примерно описан в [Прассер, в т.ч.: "Обзор Loop-Seal-Clearing в интегральной установке KFKI Будапешт с игольчатым зондом". Ядерная энергия 34(1991), 1] , дальнейший пример соответствующего ультрамикроэлектрода представлен в DE-OS 38 16 458.

Описанные зонды, в основном состоящие из проволочного электрода, помещенного в изолирующую трубку, и при необходимости защищенные охватывающей несущей трубкой, погружаются в измеряемую среду или многофазную смесь сквозь стенку сосуда. Измеряется электропроводность между внутренним электродом зонда и электропроводящим противоположным электродом, который, к примеру, может быть встроен в электропроводящую стенку сосуда, содержащего исследуемую среду. Электрический сигнал снимается с заднего конца зонда и обрабатывается далее. Чтобы изолировать внутренний электрод от стенки сосуда, по крайней мере в области входного отверстия стенки сосуда должна быть предусмотрена электроизолирующая конструктивная часть. В многофазных смесях возникает необходимость в высокой локализации измерения, и отсюда в поверхности электрода, по размерам приближающейся к точке. Изоляция внутреннего электрода распространяется поэтому до острия электрода и выполнена в виде трубки, и часто защищена дополнительной металлической несущей трубкой. Металлическая несущая трубка также может использоваться в качестве противоположного электрода. В конструкциях зондов большей длины изолирующая трубка часто также выполнена в виде двух расположенных одна за другой трубок из разных металлов. При этом передний кусок трубки выполняет задачу герметизации. Конструктивно обусловленная герметичность зонда осуществляется, например, пайкой тугоплавким припоем несущей и изолирующей трубок с одной стороны, и соединении изолирующей трубки и внутреннего электрода с другой. Сверх того зонд должен вводиться в стенку сосуда.

Исполнение с двумя или более электродами позволяет дополнительно измерять скорость движения пузырьков в жидкости или жидких слоев в многофазных смесях. Такая конструкция описана в статье [Xie, в т.ч.:"Behavour of Bubbles at Gas Blowing into Liquid Wood's Metal" (ISIJ International, vol.32(1992), N 1, p. 66 - 75)]. Дальнейшая разработка зонда для измерения электропроводности с целью дополнительных измерений температуры дано в DE-PS 968548. При этом два сенсорных элемента, каждый из которых подходит для одного из названных физических свойств, так конструктивно связаны, что при этом наружный датчик действует как единый сенсор.

На конструктивное исполнение зондов для технологических процессов и энергетики накладываются в значительной степени требования их герметичности. Применяемые в настоящее время технологии (например, агломерирование, пайка, сварка или плавка) требуют высоких температур, так как создаваемые соединения сами должны выдерживать высокие температуры. При проведении технологических процессов вышеуказанные требования окружающей среды в значительной степени снижают устойчивость зондов. При этом основной проблемой являются различные температурные коэффициенты материалов, связанных один с другим, поэтому уже при изготовлении зондов (а игольчатых в особенности) возникают обусловленные температурными условиями механические напряжения в материалах, которые в свою очередь приводят к возникновению трещин и, наконец, вызывают разгерметизацию зонда. Известно, что соединения разных материалов особенно подвержены коррозии. Также уменьшают прочность механических соединений на острие зонда различные механические колебания и толчки, вызванные потоками. Последние влияния потому так значительны, что они уменьшают механическую стабильность изделия, что осложняет высокоточное размещение зонда, необходимое при работе с многофазными смесями.

При применении измерительных зондов в технологических процессах и в энергетике их "длительность жизни" сильно ограничена. Несмотря на иные удовлетворительные механические свойства, зонды вследствие этого подходят в основном для коротких экспериментов, но не для часто желаемых длительных наблюдений.

Изобретение поставило во главу задачу создания зонда игольчатой формы для экстремальных значений параметров окружающей среды и с высокой механической устойчивостью.

Решение описанной задачи содержится в пунктах формулы изобретения. Формулировки, выявляющие преимущество, содержат следующие подпункты.

Изобретательское решение использует следующий принцип: при изготовлении зонда игольчатой формы по возможности все уменьшающие дальнейшую надежность технологические обработки и проблематично конструктивные исполнения, такие как испарение и взаимосоединение материалов, перенесены от особо сильно нагруженного острия зонда на менее нагруженные части зонда, особенно задний конец, выходящий из сосуда с измеряемой средой. Это прежде всего означает, что зонд должен продвигаться вперед без уплотнения. Применение соответствующих конструктивных мер позволяет избежать утечки в условиях высокого давления рабочей среды в случае возникновения дефектов в зонде.

Упразднение герметичного отверстия для ввода электрода у острия зонда делает возможным с помощью применения упругого материала построение механически гибкого зонда, который удобно подходит к сосудам сложной геометрической формы или ко всяким дополнительным приспособлениям, встроенным внутри сосуда с измеряемой средой.

Добавление в конструкцию дополнительной несущей трубки при должной организации герметичного затвора этой трубки на внешнем конце зонда позволяет увеличить эффективность сопротивления предохранительной оболочки зонда внешним механическим воздействиям и свести к минимуму возможность утечки.

При создании зонда игольчатой формы, в соответствии с изобретением, на его заднюю герметичную часть приходится полное рабочее давление измеряемой среды. В сравнении с возможной температурой внутри установки и на передней части зонда, температура на задней части зонда значительно снижена и приближается к температуре окружающей среды. Поэтому в задней части зонда допустимы управляемые вручную, стандартные датчики для измерения давления в установке в области рабочих температур, как, например, приборы для измерения давления на основе упругой мембраны с ленточным мостиком измерения расширения.

Таким образом, внутренний электрод может одновременно использоваться для электрического измерения температуры. Поскольку нагревающаяся часть внутреннего электрода, в основном, размещается в передней части зонда (например, при исполнении в виде внешнего охватывающего термоэлемента или термометра сопротивления) появляется возможность измерения температуры всей установки. Зная температуру и электропроводность среды, а также размеры зонда, можно рассчитать химическую концентрацию среды.

Изобретение описано далее на одном примере. При этом на чертеже изображен изготовленный на основе изобретения однопроволочный зонд игольчатой формы, причем без других дополнительных усложнений. Изобретение может также использоваться для многопроволочных зондов. Внутренний электрод 1 состоит из электропроводящего материала, например, драгоценного металла или электропроводящей керамики. Этот внутренний электрод 1 свободно лежит в изолирующей трубке 2, которая, к примеру, может быть изготовлена из электроизолирующей керамики. Для создания гибкого зонда изолирующая трубка может состоять, например, из тефлона.

В то время как передний конец зонда погружается в измеряемую жидкость и там возникает собственно измеряемый эффект, герметичное отверстие для ввода электрода находится в задней части зонда игольчатой формы. Температурные и колебательные нагрузки в этом месте в противоположность нагрузкам в передней части зонда значительно снижены. Пониженная температурная нагрузка позволяет выбирать среди гораздо большего числа материалов и технологий для обработки давлением, чем это было бы возможно для переднего острия зонда.

Дополнительно установленная (например, металлическая) несущая трубка 3 для зонда решает одновременно две задачи. Она является, с одной стороны, непосредственно защитой зонда от угрозы механических повреждений, которые могут возникать на каждой стороне сосуда. Несущая трубка также обеспечивает дополнительную защиту зонда снаружи от давления. В случае возникновения дефекта изолирующей трубки она выполняет роль герметичной капсулы. Защита от давления в виде капсулы - это еще одно приспособление для присоединения и вывода измерительного кабеля наружу в задней части зонда.

Охлаждающий корпус 4 служит для дополнительного понижения температуры вдоль зонда в местах его соединения с наиболее горячей стенкой сосуда и температурно-чувствительным входом электрода на задней части зонда. Он может быть прикреплен как непосредственно на несущую трубку, так и при исполнении без несущей трубки - прямо к изолирующей трубке.

В дальнейшем техническом оформлении несущая трубка 3 содержит отдельные отверстия 5 в области, которая находится в измеряемой среде. Через эти отверстия проникшие при внезапном падении давления между несущей и изолирующей трубками пары измеряемой среды отводятся в сторону. Тем самым большая часть возникающих паров отводится от острия зонда и возможная ошибка измерения, вызываемая ими, значительно уменьшается.

Возможно также попадание паров из емкости, содержащей жидкость, в промежуток между внутренним электродом и изолирующей трубкой. В результате получающаяся ошибка уменьшается за счет отвода паров от переднего острия зонда. Для более целесообразного выполнения конструкции эти объемы жидкости должны быть минимальны.

При изготовлении зонда как входное отверстие для электрода, так и соединение несущей трубки 3 с изолирующей трубкой 2 должны быть сформированы устойчивее, чем у известных входных отверстий зондов, так как эти два соединения здесь как из-за вызванных потоками колебаний и толчков, так и из-за экстремальных температур среды ослаблены. Далее допустимо располагать критические соединения материалов в задней части зонда и тем самым минимизировать корродирующее влияние от применения других материалов.

В дальнейших возможных оформлениях зонда допустимо так встроить датчик давления вне сосуда, содержащего измеряемую среду, что он разбивается только при воздействии полного давления жидкости или соответственно двухфазной смеси, но не от воздействия температуры среды. Целесообразно поэтому место присоединения выбирать подальше к заднему концу зонда, например позади охлаждающего корпуса 4 на задней головке зонда.

Для одновременного измерения температуры внутренний электрод 1 выполняется как дополнительный температурно-чувствительный элемент, например как термоэлемент или термометр сопротивления. Из-за высоких нагрузок давления и температуры на острие зонда и его незначительных геометрических размеров вызывают интерес лишь те решения, которые допускают внешне компактные конструкции. С технологиями стыковок и соединений необходимо при этом по возможности смириться. Решение этой проблемы дано с вышепредложенным интегральным сенсорным элементом, который в качестве конструктивно неразрывной связи подходит для измерения одновременно двух физических величин.

Зонд герметично вмонтирован в стенку сосуда с измеряемой средой. Зонд содержит внутренний электрод (1), изолирующую трубку (2) и может включать в себя несущую трубку (3). На конце зонда, вне измеряемой среды, имеется прокладка между изолирующей трубкой и внутренним электродом. Зонд обладает повышенной устойчивостью к экстремальным воздействиям окружающей среды. 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Зонд игольчатой формы для измерения электропроводности жидкостей или многофазных смесей, герметично вмонтированный в стенку сосуда, содержащего измеряемую среду, состоит из внутреннего электрода, помещенного в изолирующую трубку и по необходимости в несущую трубку, отличающийся тем, что имеет прокладку между внутренним электродом и изолирующей трубкой на конце зонда игольчатой формы, находящемся вне измеряемой среды. 2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что прокладка между изолирующей трубкой и несущей трубкой тоже находится в части зонда, находящейся вне измеряемой среды, а несущая трубка является дополнительной герметичной капсулообразной защитой игольчатого зонда. 3. Зонд по п.2, отличающийся тем, что часть несущей трубки, которая находится в измеряемой среде, имеет боковые отверстия, чтобы удалять находящиеся между несущей трубкой и изолирующей трубкой пары измеряемой среды при внезапном падении давления. 4. Зонд по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренний (е) электрод (ы) и его (их) электроизоляция изготовлены из гибкого материала, который допускает большие механические изгибы зонда при его применении. 5. Зонд по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что дополнительные отводящие тепло приспособления вдоль зонда помещены между герметичной прокладкой и горячей стенкой сосуда. 6. Зонд по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что на заднем холодном конце зонда установлен дополнительный датчик давления для измерения давления жидкости или многофазной смеси. 7. Зонд по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что внутренний электрод выполнен в качестве термоэлемента или термометра сопротивления для измерения температуры на острие зонда.