ДАТЧИК КОНТРОЛЯ КОРРОЗИОННОЙ АКТИВНОСТИ СРЕДЫ Российский патент 2007 года по МПК G01N17/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости коррозии и контроля коррозионной активности сред при исследовании процессов коррозии, протекающих, в том числе, в трубопроводах, технологических аппаратах, грунтах.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик для контроля коррозионной активности среды, содержащий корпус, например цилиндрический, состоящий из стенки и днища, и размещенные внутри корпуса плоский постоянный магнит, две плоские индукционные катушки и изготовленный из электропроводящего материала чувствительный элемент, выполненный с возможностью контактирования с агрессивной средой, при этом одной плоскостью плоский постоянный магнит контактирует с днищем корпуса, а между второй плоскостью постоянного магнита и первой индукционной катушкой, а также между второй индукционной катушкой и чувствительным элементом размещен диэлектрический материал, а плоские индукционные катушки разделены диэлектриком (см. патент РФ №2205383, кл. G01N 17/04, 2003).

Недостатками известного технического решения являются значительная трудность в обеспечении герметичности внутреннего пространства датчика, высокая трудоемкость и металлоемкость изделия, нетехнологичность изготовления плоских индукционных катушек, а также значительные массогабаритные характеристики датчика.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение герметичности внутреннего пространства датчика, в котором расположены электрические компоненты устройства, уменьшение массогабаритных характеристик, а также снижение металлоемкости и трудоемкости при изготовлении и сборке узлов датчика.

Это достигается тем, что в датчике контроля коррозионной активности среды, состоящем из полого цилиндрического корпуса с электрическим устройством внутри него, съемного чувствительного элемента, корродирующего в агрессивной среде, и ниппеля с накидной гайкой, согласно изобретению полый цилиндрический корпус состоит из головной и хвостовой частей, причем внешний диаметр головной части превосходит внешний диаметр хвостовой части с образованием выступа, хвостовая часть оканчивается резьбой под упорную гайку, предназначенную для фиксации чувствительного элемента на внешней поверхности хвостовой части корпуса между выступом и указанной упорной гайкой так, чтобы обеспечить контактирование только внешней поверхности чувствительного элемента с агрессивной средой, внутренняя поверхность головной части снабжена конической резьбой для соединения корпуса с ниппелем, снабженным электрическим разъемом, а все пустоты, не занятые электрическим устройством внутри корпуса и ниппеля, заполнены химически- и термостойким электроизоляционным герметиком. Электрическое устройство состоит из ферритового стрежня, контактирующего с ним каркаса и намотанных на внешнюю поверхность каркаса двух катушек индуктивности, выводные концы которых соединены с электрическим разъемом, причем каркас имеет вид полого цилиндра с двумя торцевыми щечками и может быть выполнен из химически стойкого электроизоляционного материала. При этом корпус датчика и упорная гайка могут быть выполнены из химически стойкого электроизоляционного материала, для изготовления ниппеля и накидной гайки может быть использована нержавеющая сталь, а съемный чувствительный элемент, выполненный в виде цилиндрической трубки, может быть изготовлен из электропроводящего материала, корродирующего в агрессивной среде.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен датчик контроля коррозионной активности среды, на фиг.2 показан корпус датчика, на фиг.3 показано увеличенное изображение хвостовой части датчика.

Приведенный на фиг.1 датчик контроля коррозионной активности среды состоит из цилиндрического полого корпуса 1, имеющего головную 2 и хвостовую часть 3 и выполненного из химически стойкого электроизоляционного материала. Головная часть 2 корпуса 1 выполнена в виде цилиндрического утолщения и снабжена внутренней конической резьбой 4. Хвостовая часть 3 заканчивается наружной резьбой 5. При этом внешний диаметр головной части превосходит внешний диаметр хвостовой части так, что в месте перехода хвостовой части в головную часть образуется выступ 6.

На корпус датчика 1 со стороны хвостовой части 3 надевается чувствительный элемент 7, изготовленный из электропроводящего материала, корродирующего в исследуемой среде, например из углеродистой стали. Чувствительный элемент 7 представляет собой цилиндрическую трубку с толщиной стенок от 0,0003 до 0,001 м. Внутренняя поверхность этой трубки посредством посадки с натягом контактирует с наружной поверхностью хвостовой части 3 корпуса 1. Торцевая поверхность трубки чувствительного элемента упирается в выступ 6 головной части 2 корпуса. На наружную резьбу 5 хвостовой части корпуса 1 навернута упорная гайка 8 из химически стойкого электроизоляционного материала, которая упирается в другую торцевую поверхность трубки чувствительного элемента 6 и, таким образом, фиксирует его на хвостовой части датчика, обеспечивая контактирование только внешней поверхности чувствительного элемента с агрессивной средой.

В полости хвостовой части 3 корпуса расположено электрическое устройство, состоящее из каркаса 9, в который вставлен контактирующий с ним ферритовый стержень 10, и намотанных на каркас двух катушек индуктивности 11, контактирующих с внешней поверхностью каркаса 9. Каркас 9, изготовленный из химически стойкого электроизоляционного материала, представляет собой полый цилиндр с двумя торцевыми щечками. В торцевых щечках просверлено по два отверстия для выхода выводных концов 12 катушек индуктивности. Каркас 9 с намотанными катушками индуктивности 10 вставлен в корпус датчика 1, при этом между каркасом и корпусом датчика имеется зазор, в котором располагаются нижние выводные концы катушек индуктивности, соединяющие катушки индуктивности с электрическим разъемом 13. В торце внутренней полости хвостовой части находится технологическая полость, образовавшаяся в процессе высверливания внутренней полости хвостовой части 3. Головная часть 2 корпуса датчика снабжена внутренней конической резьбой 4 для соединения с ниппелем 14, снабженным накидной гайкой 15 и электрическим разъемом 13, при помощи которых датчик присоединяется к ответному узлу фланца (тройника, автоклава и другого оборудования), а также к электрической схеме (не показана), находящейся вне коррозионно-активной среды. Такое соединение предохраняет внутреннюю полость датчика от проникновения коррозионно-активной среды. Все пустоты, не занятые конструктивными элементами внутри корпуса датчика и ниппеля, заполнены химически- и термостойким герметиком 16. На фиг.2 отдельно показан корпус датчика, а на фиг.3 показано увеличенное изображение хвостовой части датчика.

При использовании датчика в коррозионно-активной среде скорость коррозии чувствительного элемента 6 определяется следующим образом. Внутренняя поверхность чувствительного элемента 6 взаимодействует электромагнитным образом с катушками индуктивности 10, а внешняя поверхность - с коррозионно-активной средой. Коррозионная активность среды проявляется в том, что происходит стравливание металла с наружной поверхности чувствительного элемента, приводящее к уменьшению толщины стенок чувствительного элемента.

Эмпирическим путем установлено, что скорость коррозии может быть определена по следующей формуле:

где ρ - скорость коррозии чувствительного элемента в агрессивной среде, м/год;

а - чувствительность датчика, определяемая экспериментально, м/Гц;

∂f - разность между значениями частоты электрических сигналов датчика в начале и в конце наблюдения за коррозией в среде, Гц;

τ - продолжительность наблюдения процесса коррозии, сек.

Значение чувствительности а датчика определяется как отношение значения толщины проводящего материала чувствительного элемента к значению разности частот электрических сигналов датчика при наличии в датчике чувствительного элемента (максимальное значение) и при отсутствии в нем чувствительного элемента (минимальное значение):

где а - чувствительность датчика, м/Гц;

d - толщина стенок чувствительного элемента, м;

f_max - значение частоты сигнала при наличии в датчике чувствительного элемента, Гц;

f_min - значение частоты сигнала при отсутствии в датчике чувствительного элемента, Гц.

Таким образом, для определения скорости коррозии сначала следует определить чувствительность датчика а в единицах [м/Гц] или производных от них - [мкм/кГц ]. Значение этой величины, вычисленное по формуле (2), дает представление о характеристике и свойствах используемого в датчике контроля коррозионной активности среды чувствительного элемента. Полученное из выражения (2) значение величины чувствительности датчика учитывается в формуле (1), с помощью которой и вычисляется значение скорости коррозии чувствительного элемента.

Пример

При проведении экспериментальной работы с коррозионной средой с использованием предлагаемого датчика толщина стенок d его чувствительного элемента составляла 1000 мкм (10^-3 м), значения частот сигнала на индукционных катушках при наличии или отсутствии в нем чувствительного элемента равны соответственно f_max=180 кГц и f_min=60 кГц. Тогда чувствительность а датчика, вычисленная по формуле (2), составит ˜8,3 мкм/кГц (1000 мкм / (180 кГц - 60 кГц)).

В дальнейшем, при определении скорости коррозии с использованием этого конкретного чувствительного элемента может быть использовано вычисленное значение а. При этом следует подчеркнуть, что для определения скорости коррозии необходимо зафиксировать отрезок времени τ, на котором вычисляют разность значений частот сигналов ∂f. Полученные данные позволяют определить значение скорости коррозии. При этом промежуток времени τ можно выбирать по мере необходимости, но обязательно с последующей проверкой полученного вычисленного значения скорости коррозии на длительном промежутке времени. Следует отметить, что вычисленное аналогичным способом значение скорости коррозии, равное 2,7 мкм/сутки (или 1 мм/год), означает, что частота электрических сигналов на индукционных катушках 10 уменьшается на величину 22,41 кГц/сутки. Вычисленное значение скорости коррозии, равное 0,08 мкм/сутки (или 0,03 мм/год), означает, что частота электрических сигналов уменьшается на величину ˜0,7 кГц/сутки.

Таким образом, по величине вычисленной скорости коррозии можно судить о том, каким образом идет процесс коррозии.

Предлагаемый датчик может быть использован в системах автоматического мониторинга агрессивной среды. При этом с его помощью возможно определение как фактической скорости коррозии на коротком промежутке времени, так и, в зависимости от изменяющихся синбатно во времени технологических параметров среды, с учетом известной для данной среды скорости коррозии. В этом случае можно осуществлять как обработку наблюдаемых данных изменения скорости коррозии, так и пересчет получаемых данных, сводя получаемые при этом результаты в одну итоговую таблицу.

Заявленное техническое решение позволяет обеспечить герметичность внутреннего пространства датчика и расположенных в нем электрических компонент устройства, уменьшить массогабаритные характеристики, а также снизить металлоемкость и трудоемкость при изготовлении и сборке узлов датчика.

Датчик состоит из полого цилиндрического корпуса с электрическим устройством внутри него, съемного чувствительного элемента, коррелирующего в агрессивной среде, и ниппеля с накидной гайкой. Корпус датчика состоит из головной и хвостовой частей, причем внешний диаметр головной части превосходит диаметр хвостовой части с образованием выступа. Хвостовая часть оканчивается резьбой под упорную гайку, фиксирующую чувствительный элемент на внешней поверхности хвостовой части корпуса между выступом и упорной гайкой. Внутренняя поверхность головной части снабжена конической резьбой для соединения корпуса с ниппелем, снабженным электрическим разъемом. Все пустоты, не занятые электрическим устройством внутри корпуса и ниппеля, заполнены химически- и термостойким электроизоляционным герметиком. Электрическое устройство состоит из ферритового стрежня, контактирующего с ним каркаса и двух катушек индуктивности, выводные концы которых соединены с электрическим разъемом. Датчик характеризуется уменьшенными массогабаритами. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик контроля коррозионной активности среды, состоящий из полого цилиндрического корпуса с электрическим устройством внутри него, съемного чувствительного элемента, корродирующего в агрессивной среде, и ниппеля с накидной гайкой, отличающийся тем, что полый цилиндрический корпус состоит из головной и хвостовой частей, причем внешний диаметр головной части превосходит внешний диаметр хвостовой части с образованием выступа, хвостовая часть оканчивается резьбой под упорную гайку, предназначенную для фиксации чувствительного элемента на внешней поверхности хвостовой части корпуса между выступом и указанной упорной гайкой, чтобы обеспечить контактирование только внешней поверхности чувствительного элемента с агрессивной средой, часть внутренней поверхности полости головной части снабжена конической резьбой для соединения корпуса с ниппелем, который содержит электрический разъем, а все пустоты внутри цилиндрического корпуса и ниппеля, не занятые электрическим устройством, заполнены химически и термостойким электроизоляционным герметиком.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электрическое устройство, расположенное в полости хвостовой части корпуса, состоит из ферритового стрежня, контактирующего с ним каркаса и намотанных на внешнюю поверхность каркаса двух катушек индуктивности, выводные концы которых соединены с электрическим разъемом.3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что каркас, представляющий собой полый цилиндр с двумя торцевыми щечками, выполнен из химически стойкого электроизоляционного материала.4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрической трубки из электропроводящего материала, коррозирующего в агрессивной среде, например из углеродистой стали.5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что упорная гайка и корпус датчика выполнены из химически стойкого электроизоляционного материала.6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что ниппель и накидная гайка выполнены из нержавеющей стали.