Датчик для определения параметров жидких сред

 

Использование: для физических измерений параметров сред, например, в спиртовом производстве и может использоваться как первичный датчик в системе управления технологическим процессом. Сущность изобретения: датчик содержит корпус, полый объем которого заполнен контролируемой жидкой средой, входной и выходной патрубки, коаксиальные электроды, погруженные в жидкую среду. Внешним коаксиальным электродом является входной патрубок, внутренний коаксиальный электрод выполнен в виде электропроводящего стержня, установленного через изоляционный и крепежный элементы на нижней стенке корпуса внутри входного патрубка. В датчик введена капсула, выполненная в виде герметичного полого электропроводящего цилиндра, закрепленного на одной из стенок корпуса и погруженного в контролируемую жидкую среду. Капсула заполнена эталонной жидкой средой и содержит дополнительный электропроводящий стержень, установленный через изоляционный элемент коаксиально по отношению к стенкам полого электропроводящего цилиндра. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к физическим измерениям параметров сред, в частности для определения степени загрязненности жидкостей или наличия примесей, посторонних компонентов в потоке жидкого продукта, например в спиртовом производстве и может использоваться как первичный датчик в системе автоматического управления технологическим процессом.

Известен датчик для измерения параметров жидких средств [1] содержащий источник света, оптически связанный с фотоприемником, преобразующим световой поток, пропускаемый через жидкую среду, в электрический сигнал, по уровню которого определяют степень загрязненности жидкой среды.

Недостаток такого датчика заключается в том, что с его помощью нельзя определять наличие жидкостных примесных компонент, оптико-физические параметры которых близки к оптико-физическим параметрам основной жидкости.

Другим известным датчиком является датчик [2] выполненный в виде конденсатора, между обкладками которого помещается пробе рабочей жидкости.

Недостатком такого датчика является ограниченная область применения, поскольку, кроме содержания воды в рабочей жидкости, он не определяет наличия других примесей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является известный датчик для определения параметров жидких и сыпучих сред [2] содержащий каркас, на котором расположены индуктивные и емкостные элементы, выполненные в виде плоских печатных электродов (проводников), электропроводящие шины (электроды), подключенные к выводам датчика.

Такой датчик может быть выполнен съемным, погружаемым в контролируемую жидкость при измерениях параметров среды, либо стационарным, закрепленным в корпусе, полый объем которого заполнен контролируемой жидкостью, которая поступает в него через входной патрубок, а выводится через выходной патрубок. Указанные средства являются известными и позволяют контролировать потоки жидкой среды в протекающем во времени технологическом процессе.

Работа такого датчика основана на определении физико-химических параметров жидких и сыпучих сред путем измерения емкости, индуктивности или проводимости датчика. По изменениям величин этих параметров можно судить о наличии в контролируемой жидкости примесей, влияющих на изменение диэлектрической постоянной, магнитной постоянной среды или на изменение ее удельной электрической проводимости.

Одним из недостатков такого датчика является сложность конструкции, обусловленная тем, что датчик изготавливается на основе гибкой печатной платы, а индуктивные и емкостные элементы выполняются по сложной технологии печатного монтажа.

Другой недостаток заключается в том, что в таком датчике не предусмотрена возможность обеспечения температурной компенсации при последующей обработке информационных сигналов, получаемых на выходах датчика.

В предлагаемом датчике для определения параметров жидких сред, содержащем корпус, полый объем которого предназначен для наполнения контролируемой жидкой средой, и который снабжен входным и выходным патрубками для подвода и отвода потока контролируемой жидкой среды, электропроводящие электроды, расположенные внутри корпуса и соединенные с выводами датчика, электроды датчика выполнены коаксиальными, при этом внешним коаксиальным электродом является входной патрубок, закрепленный на верхней стенке корпуса и установленный с зазором между своим нижним торцом и нижней стенкой корпуса, внутренний коаксиальный электрод выполнен в виде электропроводящего стержня, установленного через изоляционный и крепежный элементы на нижней стенке корпуса внутри входного патрубка, входной торец выходного патрубка расположен с зазором к верхней стенке корпуса, в корпусе установлена капсула, выполненная в виде закрепленного на стенке корпуса герметичного полого электропроводящего цилиндра, рабочая часть которого расположена ниже уровня входного торца выходного патрубка, капсула заполнена эталонной жидкой средой и содержит электропроводящий стержень, установленный через изоляционный элемент коаксиально по отношению к стенкам полого электропроводящего цилиндра и соединенный с дополнительным выводом датчика.

Дополнительные отличия заключаются в том, что входной и выходной патрубки установлены в корпусе вертикально, а их торцы выполнены скошенными под острым углом к вертикальной оси, а также в том, что в боковой поверхности входного патрубка, на уровне между входным торцом выходного патрубка и верхней стенкой корпуса выполнены отверстия для выпуска газовой (паровой) фазы из потока контролируемой газожидкостной среды.

На фиг.1 показана конструкция датчика, разрез; на фиг.2 схема подключения датчика в измерительном блоке.

Датчик (фиг. 1) содержит корпус 1, полый объем которого заполнен контролируемой жидкой средой 2, входной патрубок 3 для подвода жидкой среды и выходной патрубок 4 для отвода жидкой среды.

Патрубки 3 и 4 представляют собой отрезки металлических трубок, вставленных через отверстия в корпусе 1 и имеющих резьбу на внешних своих концах для соединения с внешними трубопроводами, а также фланцы 5 и 6, которыми они плотно прилегают к стенкам корпуса и приварены к ним сваркой 7, что обеспечивает полную герметизацию полости датчика.

К корпусу датчика, выполненному из металла, приварен также электрод 8, соединенный с шиной общего потенциала измерительной схемы (см.фиг.2).

Датчик содержит также электропроводящий стержень 9, установленный на нижней стенке корпуса через изоляционный элемент 10, закрепленный во втулке 11, имеющей фланец 12, приваренный к корпусу 1 сварным швом 13. Для уплотнения соединения используется уплотнительное кольцо, расположенное на буртике 15 стержня 9 и поджатое накидной гайкой 16 через резьбовое соединение на втулке 11.

Стержень 9 и входной патрубок 3 по отношению друг к другу установлены коаксиально, при этом патрубок 3 является внешним коаксиальным электродом, электрически соединенным с корпусом, а стержень 9 внутренним коаксиальным электродом, имеющим вывод 17, закрепленный на внешнем конце стержня посредством двух гаек 18.

В датчик введена капсула 19, выполненная в виде герметичного полого электропроводящего цилиндра, вставленная в отверстие в корпусе и закрепленная на одной из стенок посредством приварки фланца 20 сварным швом 21.

Капсула 19 заполнена эталонной жидкой средой 22 и содержит дополнительный электропроводящий стержень 23, установленный через изоляционный элемент 24 коаксиально по отношению к стенкам полого электропроводящего цилиндра.

Герметичность капсулы 19 обеспечивается уплотнительным кольцом 25, расположенным на буртике 26 стержня 23, и накидной гайкой 27, связанной с капсулой 19 через резьбовое соединение.

Электропpоводный стержень 23 имеет вывод 28, закрепленный гайками 29.

Для обеспечения возможности работы с потоком газожидкостной среды в боковой поверхности входного патрубка 3, расположенной внутри корпуса 1, вблизи его верхней стенки выполнены отверстия 30 для выпуска газовой (паровой) фазы из потока контролируемой газожидкостной среды.

На фиг.1 представлен вариант конструкции датчика, при котором входной и выходной патрубки 3 и 4, а также и капсула 19 расположены вертикально, однако предлагаемый вариант не является единственно возможным.

Чтобы облегчить условия прохождения потока среды (уменьшить сопротивление потоку) торцы патрубков 3 и 4, находящиеся в полости корпуса датчика, выполнены скошенными под острым углом к вертикальной оси, причем патрубки установлены с зазором между указанными торцами и соответствующими стенками корпуса. При этом выходной патрубок 4 может быть установлен и по другому варианту, например на одной из боковых стенок корпуса 1 вблизи его верхней стенки.

Предлагаемый вариант электронного блока формирования информационного сигнала датчика выполнен по мостовой схеме (фиг.2) и содержит постоянные резисторы 31 и 32, включенные в одни из плеч моста, в другие плечи которого включены электроды 3, 9, 19, 23 датчика посредством выводов 8, 17, 28.

Между постоянными резисторами 31 и 32 включен потенциометр 33, подвижный электрод которого соединен с клеммой 34 источника стабильного напряжения (постоянного или переменного).

Выводы 17, 28 подключены к входам дифференциального усилителя 35, с выходом которого соединен измерительный прибор 36.

Датчик предназначен для работы с жидкой средой, находящейся в состоянии непрерывного движущегося потока, что позволяет отслеживать во времени изменение ее физических параметров.

Предлагаемый датчик для определения параметров жидкой среды работает следующим образом.

Датчик должен быть включен в магистраль (трубопровод) по которой движется поток жидкой среды, изменение параметров которой необходимо контролировать во времени. Это осуществляется с помощью входного и выходного патрубков, имеющих на своих концах резьбу для соединения.

Перед началом работы капсула 19 должна быть полностью заполнена эталонной жидкостью 22, параметры которой известны. Эталонная жидкость должна быть такой же природы и иметь состав компонентов, аналогичный природе и составу компонентов контролируемой жидкой среды 2. Наполнение капсулы 19 производится через входное окно капсулы 19 после предварительного изъятия конструктивных элементов 23, 24, 25, 26, 27, которые затем вновь устанавливаются на место, т.е. капсула 19 герметизируется.

Замкнутый объем полости датчика начинает заполняться через входной патрубок 3 контролируемой жидкой средой (указано сплошной стрелкой и волнистыми линиями, изображенными на внутренней поверхности патрубка 3).

Уровень жидкой среды 2 в полости датчика постепенно повышается и достигает верхней отметки, соответствующем положению скошенного торца выходного патрубка 4.

При этом жидкая среда 2 начинает перетекать из полости датчика через выходной патрубок 4 в следующий участок магистрали (трубопровода), который включен в технологическую линию.

При наличии в жидкостном потоке газовой среды пузырьки газа выделяются через отверстия 30 в верхнюю часть полости датчика.

При повышении давления газа некоторого порогового значения они либо уходят вновь вверх через патрубок 3, либо удаляются из верхней части коpпуса 1 через специальный клапан.

Таким образом, в полости датчика устанавливается постоянный уровень перемещающейся жидкой среды 2, при котором капсула 19 оказывается полностью погруженной в контролируемую среду 2.

Благодаря высокой степени теплопроводности стенок капсулы 19 эталонная жидкость 22 приобретает такую же температуру, как и у контролируемой жидкой среды 2.

Следовательно, контролируемая жидкая среда 2 и эталонная жидкая среда 22 будут находиться при одних и тех же температурных условиях, задаваемых технологическим процессом, а их физико-химические параметры во времени будут изменяться в зависимости от температуры.

Первая пара коаксиальных электродов 3, 9 и вторая пара коаксиальных электродов 19, 23 включены в разные плечи мостовой схемы на фиг.2.

Клемма 34 подключена к источнику стабильного напряжения (постоянного или переменного).

На узлах 17, 28 мостовой схемы будут присутствовать определенные уровни напряжений, которые подводятся к суммирующему (+) и вычитающему (-) входам дифференциального усилителя 35, на выходе которого формируется электрический сигнал, уровень которого будет пропорционален разности двух указанных уровней и который будет зарегистрирован измерительным прибором 36.

Перед началом работы мостовая схема предварительно должна быть сбалансирована с помощью потенциометра 33.

Это может быть осуществлено следующим образом. Замкнутная полость датчика через патрубок 3 должна быть заполнена эталонной жидкой средой 22 (также как и капсула 19), а с помощью потенциометра 33 устанавливают нулевое показание измерительного прибора 36.

В реальных условиях технологического процесса, например в химическом производстве, физико-химические параметры контролируемой жидкости 2 (температура, состав компонентов жидкой среды) будут непрерывно изменяться.

Эти изменения будут непрерывно фиксироваться парой коаксиальных электродов 3, 9 в виде уровня электрического сигнала в узле 17 мостовой схемы (фиг.2) с постоянным сравнением (вычитанием) с уровнем электрического сигнала в узле 28, формируемым от пары коаксиальных электродов 19, 23, погруженных в эталонную жидкую среду 22.

При этом на выходе дифференциального усилителя 35 будет формироваться разностный сигнал, практически не зависящий от изменения температуры контролируемой жидкой среды 2, но фиксирующий изменения физико-химических параметров среды от других факторов, обусловленных ходом технологического процесса.

По полученному разностному уровню информационного электрического сигнала на выходе дифференциального усилителя 35 можно осуществлять автоматическое регулирование хода технологического процесса путем функциональной обработки полученного сигнала и выработки необходимых воздействий на элементы управления технологической установки.

Необходимо отметить, что в зависимости от природы контролируемой жидкой среды 2, обладающей проводимостью (электроды с различной степенью диссоциации) или ярко выраженными диэлектрическими свойствами, коаксиальные пары электродов 9, 3 и 19, 23 могут регистрировать либо изменение проводимости, либо изменение диэлектрической проницаемости среды, либо и то и другое (датчик проводимости или емкостной датчик).

В зависимости от конкретного типа среды 2 выбирается тот или иной способ, определяющий тип источника стабильного напряжения, подключаемого к клемме 34 (постоянное или переменное напряжение).

Также в зависимости от среды выбираются конкретные конструктивные параметры коаксиальных электродов 3, 9, 19, 23 (диаметр, длина, зазоры между поверхностями внутренних и внешних электродов).

Предлагаемый датчик был испытан в ректификационной установке по получению высококачественного спирта.

Датчик был включен в продуктовый трубопровод и показал высокую стабильность при регистрации изменений в составе конечного продукта независимо от его температуры, что позволяет использовать его в системе автоматического управления ходом технологического процесса наряду с другими первичными датчиками (температуры и давления).

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СРЕД, содержащий корпус, полый объем которого предназначен для заполнения контролируемой жидкой средой и который снабжен входным и выходным патрубками для подвода и отвода потока контролируемой жидкой среды, электропроводящие электроды, расположенные внутри корпуса и соединенные с выводами датчика, отличающийся тем, что электроды датчика выполнены коаксиальными, при этом внешним коаксиальным электродом является входной патрубок, закрепленный на верхней стенке корпуса и установленный с зазором между своим нижним торцом и нижней стенкой корпуса, внутренний коаксиальный электрод выполнен в виде электропроводящего стержня, установленного через изоляционный и крепежный элементы на нижней стенке корпуса внутри входного патрубка, выходной патрубок установлен на нижней или одной из боковых стенок корпуса, входной торец выходного патрубка расположен с зазором к верхней стенке корпуса, в корпусе установлена капсула, выполненная в виде закрепленного на стенке корпуса герметичного полого электропроводящего цилиндра, рабочая часть которого расположена ниже уровня входного торца выходного патрубка, капсула заполнена эталонной жидкой средой и содержит электропроводящий стержень, установленный через изоляционный элемент коаксиально по отношению к стенкам полого электропроводящего цилиндра и соединенный с дополнительным выводом датчика.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки установлены в корпусе вертикально, а их торцы выполнены скошенными под острым углом к вертикальной оси.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в боковой поверхности входного патрубка на уровне между входным торцом выходного патрубка и верхней стенкой корпуса выполнены отверстия для выпуска газообразной фазы из потока контролируемой среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2