БАРОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 2015 года по МПК G01K1/00 G01D3/00 

Изобретение относится к технике измерений гидрофизических и гидрохимических параметров водных сред в океанографических, гидрографических и экологических глубоководньгх исследованиях и может быть использовано в различных технологических процессах, связанных с контролем параметров жидкости, находящейся в условиях высокого давления.

Известен первичный измерительный преобразователь (ПИП) показателя ионов водорода в известном гидролого-гидрохимическом зонде ИСТОК - 7 (разработчик и изготовитель - Морской гидрофизический институт НАН Украины), содержащий цилиндрический корпус, в котором соосно размещен стеклянный рН-электрод [1]. Для того, чтобы жидкость внутри электрода находилась при том же давлении, что и исследуемая среда, в стеклянном электроде выполнено отверстие, закрытое тонкостенной резиновой трубкой, которая натянута на электрод. Трубка по краям забандажирована нитью. Для исключения электрической утечки корпус ПИП снабжен дополнительной полостью, заполненной маслом - жидкостью полиметилсилоксановой ПМС - 10 ГОСТ 13032-77. Эта полость также разгружена барокомпенсатором, выполненным в виде колпачка, закрывающего отверстие в корпусе ПИП. Однако пределы деформирования резиновой трубки и колпачка ограничены, вследствие чего при больших перепадах давления трубка или колпачек либо рвутся, либо оказывают сопротивление компенсации давления, которое может привести к разрушению измерительного электрода.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является разработанный заявителем и испытанньш в натурных условиях первичный измерительный преобразователь растворенного кислорода гальванического типа, приведенный в работе [2, с.477, рис.2.4.33], который используется в составе каналов измерения растворенного в морской воде кислорода океанологических измерительных комплексов, работающих при изменениях гидростатического давления от 0 до 60 МПа.

Упрощенный эквивалент конструкции прототипа изображен на фиг. 1. Он содержит цилиндрический корпус 1 из компаунда, в котором соосно вклеены, в противоположных концах корпуса, чувствительный элемент - индикаторный электрод 2 и вспомогательный электрод 3. Выводы, соответственно 4 и 5, этих электродов изолированы, герметично уплотнены и выведены из ПИП через его хвостовик 6. Индикаторный электрод 2 выполнен из серебра и к его внешней поверхности плотно прижата полимерная мембрана (на фиг.1 не показана). Соединенные полимерная мембрана и индикаторный электрод 2 являются твердотельным чувствительным элементом. Пространство внутри корпуса заполнено электролитом 7, представляющим собой 0,5-нормальный раствор КС1. Вспомогательный электрод 3 выполнен из алюминия и, находясь с индикаторным электродом 2 в растворе КС1, служит для установления режима работы индикаторного электрода 2 посредством электрохимической реакции, образуя гальванический элемент. Для предотвращения разрушения мембраны или клеевого соединения электрода 2 с корпусом 1 вследствие повышения гидростатического давления, т.е. для предотвращения разрушения выполненного таким образом твердотельного чувствительного элемента, в рассматриваемом преобразователе предусмотрена барокомпенсация. В качестве барокомпенсатора применен резиновый колпачек 8, который с натяжением установлен на фланец, выфрезерованный в стенке корпуса, причем во фланце выполнено отверстие, сообщающееся с внутренним пространством корпуса, заполненным электролитом. Таким образом, электролит герметично отделен от внешней, анализируемой, жидкости посредством барокомпенсатора и твердотельного чувствительного элемента.

Общими существенными признаками для прототипа и заявленного изобретения являются: жестко соединенные хвостовик и цилиндрический корпус, выполненный с полостью, заполненной жидкостью, которая герметично отделена от · внешней среды барокомпенсатором и твердотельным чувствительным элементом цилиндрической формы. При этом чувствительный элемент установлен жестко относительно корпуса и соосно ему. Торцевая поверхность чувствительного элемента находится в контакте с жидкостью, заполняющей корпус. Вывод чувствительного элемента электрически изолирован и герметично выведен из ПИП через хвостовик.

Прототип работает следующим образом. Информация от чувствительного элемента 2 поступает по изолированному выводу 4 через герморазъем хвостовика 6 в корпус измерительного прибора. По мере погружения измерителя из-за наличия пузырьков газа в жидкости 7 возрастающее давление окружающей среды деформирует резиновый колпачок 8, стремясь уравнять давление внутри корпуса 1 с давлением окружающей среды. Деформация резинового колпачка будет происходить до тех пор, пока эти давления, не уравняются, либо пока жесткость колпачка не позволит ему далее деформироваться. В последнем случае эти давления не уравняются и возникнет угроза разрушения резинового колпачка или чувствительного элемента, например полимерной мембраны, установленной на электроде 2, или клеевого соединения электрода 2 с корпусом 1.

Таким образом, прототипу присуще техническое противоречие -уменьшение толщины резинового колпачка увеличивает его эластичность, но и увеличивает риск разрушения колпачка, особенно в агрессивных средах, например, в Черном море, где большое содержание сероводорода, а увеличение толщины резинового колпачка уменьшает его эластичность и не обеспечивает надежную барокомпенсацию в условиях высокого гидростатического давления, например при глубоководных океанологических исследованиях, и приводит к разрушению чувствительного элемента. Это является недостатком прототипа.

Прототипу также свойственен другой недостаток. При сборке подобных ПИП предъявляется требование удаления из жидкости пузырей газа [1,Рт 5.519.023 СБ -Электрод ИВ-023. Сборочный чертеж], чтобы элементы конструкции ПИП испытывали как можно меньшую нагрузку при погружении. Однако технологически выполнить это условие трудно, к тому же эти пузырьки могут образовываться в процессе работы, например в гидрохимических ПИП, как в прототипе, в которых осуществляется электрохимическая реакция электродов 2 и 3 с жидкостью 7, находящейся внутри корпуса 1. Наличие пузырьков газа, из-за их сжимаемости под воздействием давления, приводит к необходимости увеличения компенсирующей деформации резинового компенсатора, что приводит к его разрушению и в конечном итоге - выходу из строя ПИП.

В основу изобретения поставлена задача создания первичного измерительного преобразователя на базе твердотельного чувствительного элемента, в котором за счет скольжения компенсатора по внутренней стенке цилиндрического корпуса и боковой поверхности чувствительного элемента достигается новое техническое свойство - ничем не ограниченное уменьшение разности гидростатических давлений внутри и снаружи ПИП.

Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - расширение диапазона рабочего давления ПИП при наличии пузырьков газа в наполняющей его жидкости, что повышает надежность работы ПИП и достоверность полученной от него информации.

Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение технологии сборки, т.к. особенности барокомпенсации в заявленном ПИП допускают наличие в жидкости, наполняющей корпус, пузырей воздуха.

Поставленная задача решается тем, что в первичном измерительном преобразователе (ПИП) с твердотельным чувствительным элементом, который содержит жестко соединенные хвостовик и цилиндрический корпус, выполненный с полостью, заполненной жидкостью, которая герметично отделена от внешней среды барокомпенсатором и жестко закрепленным в преобразователе, соосно корпусу, чувствительным элементом цдлиндрической формы, торцевая поверхность которого находится в контакте с этой жидкостью, при этом вывод чувствительного элемента электрически изолирован и с герметизацией выведен из ПИП через хвостовик, новым является то, что полость корпуса выполнена цилиндрической, барокомпенсатор выполнен в виде цилиндрической втулки, установленной через уплотнение подвижного контакта в этой полости, на выходе корпуса, а чувствительный элемент установлен, также через уплотнение подвижного контакта, в осевом отверстии втулки.

Отличия заявленного устройства относятся к особенностям выполнения барокомпенсатора и установки чувствительного элемента.

Предложенный барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь (ПИП) изображен на фиг. 2 и включает жестко соединенные, например посредством клея или через эластичные уплотнения, цилиндрический корпус 1 и хвостовик 2. Корпус может быть выполнен из любого твердого материала, например, металла, если необходимо экранирование, либо пластмассы в зависимости от предъявляемых к ПИП требований. Полость корпуса заполнена жидкостью 3. В зависимости от принципа действия ПИП в качестве жидкости может быть применен электролит, как, например, в прототипе, либо масло, как, например, в приведенном аналоге [1, Рт 5.519.023 СБ - Электрод ИВ-023. Сборочный чертеж].

В корпусе 1, соосно ему, жестко закреплен цилиндрический твердотельный чувствительный элемент 4. При этом торцевая поверхность чувствительного элемента 4 соприкасается с жидкостью 3, т.е. элемент 4 не плотно соединен с хвостовиком 2 для обеспечения слоя жидкости между ними, которая под действием барокомпенсатора оказывает противоположное силовое воздействие на чувствительный элемент, разгружая его. Например, чувствительный элемент может быть установлен с помощью клея, штифтового соединения, или посредством стойки на хвостовике, как показано на фиг. 2.

Устройство барокомпенсации представляет собой цилиндрическую втулку 5, в которой через эластичное уплотнение 6 в виде резинового кольца круглого сечения установлен чувствительный элемент 4. Втулка 5 может быть выполнена, например, из оргстекла, т.к. легко полируется, обеспечивая надежное уплотнение с резиновыми кольцами.

Твердотельный чувствительный элемент 4 может быть выполнен из любого материала, обеспечивающего уплотнение с втулкой 5. Например, может быть применен чувствительный элемент от широко выпускаемого промышленностью лабораторного сульфид-селективного электрода XC-S-001 [3], вклеенный в пластмассовую или стеклянную трубку.

Появление чувствительных элементов с высокой ионо-селективностью, у которых выходной сигнал практически не зависит от посторонних ионов [3], делает их. практически незаменимыми при автоматизации измерений, особенно для электрохимического анализа растворов. Однако для решения проблем определения состояния среды при глубоководных исследованиях, например, зондирующими приборами в морских условиях, такие элементы не подходят, так как обеспечивают надежную работу только в лабораторных условиях. Для применения в глубоководных зондах их технологически дорабатывают и включают составной частью в барокомпенсированную конструкцию, чтобы выводная часть чувствительного элемента всегда находилась при том же давлении, что и исследуемая среда, иначе элемент разрушится. Аналог [1] - пример такого применения лабораторных электродов, в частности стеклянного электрода рН, в глубоководных исследованиях.

Цилиндрическая втулка 5 через эластичное уплотнение 7 в виде резинового кольца круглого сечения установлена в цилиндрической полости корпуса 1 ПИП - на его выходе.

Вывод 8 чувствительного элемента может быть выполнен из изолированного электрического провода, один конец которого вклеен в тело чувствительного элемента, а другой - в тело хвостовика 2, который через уплотнение вставляют в корпус измерительного прибора.

Хвостовик ПИП может быть выполнен из любого требуемого твердого материала, как и корпус.

Длину чувствительного элемента 4 выбирают из условий, чтобы объем жидкости, вытесненной барокомпенсатором в пузырек газа, не был меньше максимально возможного объема этого пузырька, оставшегося при заправке или образовавшегося во время работы ПИП.

ПИП собирают следующим образом: создают конструкцию, как показано на фиг.2, состоящую из соосно расположенного корпуса 1, хвостовика 2 и чувствительного элемента 4, при этом корпус и хвостовик не загерметизированы. В корпус вставляют втулку 5 с резиновыми кольцами 6 и 7, пропуская чувствительный элемент 4 в осевое отверстие втулки. Полость корпуса 1 заполняют жидкостью 3 и путем перемещения подвижного барокомпенсатора 5 обеспечивают удаление из жидкости пузырей воздуха. При достижении максимально возможного удаления из корпуса ПИП пузырьков газа обеспечивают герметичное соединение корпуса и хвостовика.

Предложенное устройство работает следующим образом. В рабочих условиях информация от чувствительного элемента 4 поступает по изолированному выводу 8 через хвостовик 2 на выход ПИП. По мере погружения прибора возрастающее давление среды перемещает подвижное устройство барокомпенсации внутрь корпуса ПИП, стремясь уравнять давление внутри корпуса ПИП и давление снаружи. Оставшийся при заправке корпуса жидкостью пузырек газа не вызывает риск разрушения ПИП, т.к. втулка 5 под воздействием нарастающего давления, двигаясь без ограничений, сожмет этот пузырек до необходимого объема. Выполнение барокомпенсатора подвижным относительно корпуса и чувствительного элемента обеспечивает выравнивание давлений внутри и снаружи корпуса созданного ПИП в широком диапазоне возрастающих нагрузок.

Преобразователь прост в реализаций и обеспечивает высокие параметры качества информации в научных исследованиях вследствие надежности его работы.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Зонд гидролого-гидрохимический ИСТОК-7. Эксплуатационная документация. Чертежи (Рт 5.519.023 Сб. - Электрод ИВ-023. Сборочный чертеж) и (Рт 5.519.025 СБ - Электрод. Сборочный чертеж).

2. Смирнов Г.В. Океанология: Средства и методы океанологических исследований/ Г.В.Смирнов, В.Н.Еремеев, М.Д.Агеев, Г.К.Коротаев, B.С.Ястребов, С.В.Мотыжев; Междунар. ассоц. акад. Наук; РАН; Нац.акад. наук Украины. - М.: Наука, 2005. - 795с. - прототип.

3. Сульфид-селективный электрод XC-S-001. Паспорт и инструкция по эксплуатации. Научно-внедренческая фирма "Аналитические системы" - C. Петербург.

Изобретение относится к технике измерений гидрофизических и гидрохимических параметров водных сред в океанографических, гидрографических и экологических глубоководных исследованиях и может быть использовано в различных технологических процессах, связанных с контролем параметров жидкости, находящейся в условиях высокого давления.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочего давления ПИП, что повышает надежность работы ПИП и достоверность полученной от него информации.

Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение технологии сборки, т.к. особенности барокомпенсации в заявленном ПИП допускают наличие в жидкости, наполняющей корпус, пузырей воздуха.

Сущность: барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь (ПИП) с твердотельным чувствительным элементом содержит жестко соединенные хвостовик и цилиндрический корпус, полость которого выполнена цилиндрической и заполнена жидкостью. Жидкость герметично отделена от внешней среды барокомпенсатором и жестко установленным в корпусе, соосно ему чувствительным элементом цилиндрической формы, торцевая поверхность которого контактирует с этой жидкостью. Барокомпенсатор выполнен в виде цилиндрической втулки, установленной через уплотнение подвижного контакта в полости корпуса, на его выходе. В осевом отверстии втулки установлен, также через уплотнение подвижного контакта, чувствительный элемент. Вывод чувствительного элемента электрически изолирован и с герметизацией выведен из ПИП через его хвостовик. 2 ил.

Барокомпенсированный первичный измерительный преобразователь (ПИП) с твердотельным чувствительным элементом, содержащий жестко соединенные хвостовик и цилиндрический корпус, выполненный с полостью, заполненной жидкостью, которая герметично отделена от внешней среды барокомпенсатором и жестко закрепленным в преобразователе, соосно корпусу, чувствительным элементом цилиндрической формы, торцевая поверхность которого находится в контакте с этой жидкостью, при этом вывод чувствительного элемента электрически изолирован и с герметизацией выведен из ПИП через хвостовик, отличающийся тем, что полость корпуса выполнена цилиндрической, барокомпенсатор выполнен в виде цилиндрической втулки, установленной через уплотнение подвижного контакта в этой полости на выходе корпуса, а чувствительный элемент установлен также через уплотнение подвижного контакта в осевом отверстии втулки.