электроконтактный датчик

Формула изобретения

1. Электроконтактный датчик, содержащий наружный и внутренний электроды, разделенные диэлектриком, выполненным в виде электроизолирующей трубки, узел уплотнения, в котором установлен наружный электрод, и узел уплотнения, располагаемый вне измеряемой среды, отличающийся тем, что узел уплотнения, располагаемый вне измеряемой среды, выполнен в виде конусообразной втулки, перекрывающей своим основанием электроизолирующую трубку, обжатой по ее наружной конусообразной поверхности уплотняющей втулкой, обе втулки нанизаны на внутренний электрод и уплотнены с помощью накидной гайки и хвостовика с резьбой.

2. Электроконтактный датчик по п.1, отличающийся тем, что наружный электрод снабжен, по крайней мере, одним удлинительным проводом, образующим с внутренним электродом межэлектродный промежуток, причем размер межэлектродного промежутка h выбран из условия h(/(g(’-’’))0,5, а электроды смещены по высоте относительно друг друга на расстояние h0,5 h, где - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, ’, ’’ - плотность воды и пара на линии насыщения соответственно.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследовании двухфазных потоков в качестве датчика наличия пара или капель жидкости в парогенерирующих каналах различного назначения.

Известны электроконтактные датчики, содержащие два коаксиально расположенных электрода, разделенных диэлектриком. В качестве диэлектрика используется либо компаунд - эпоксидная смола [1], либо герметизирующий состав УР-231 [2] (1. Вертинский Н.И., Соловьев А.В. Зонд для исследования поверхности слоя океана. Океанология, 1977, т.17, вып.2 с.358. 2. Левков В.Н., Тупицын B.C., Чашечкин Ю.Д. Кондуктометрический датчик. А.С. СССР №813230, Б.И. №10, 1981 г.).

Основной недостаток датчиков заключается в их малой надежности при работе в условиях высоких давлений и температур. При исследовании пароводяных потоков в условиях высоких давлений и температур (Р до 16.0 МПа, Т до 350°С) взаимодействие пароводяного потока с диэлектриком приводит к его быстрому разрушению, замыканию электродов и, соответственно, к выходу датчика из строя.

Известен электроконтактный датчик (Бурлаков В.А., Болтенко Э.А., Джусов Ю.П. Электроконтактный датчик. А.С. СССР, №1250047, Б.И. №14, 1991 г.), содержащий два коаксиально расположенных электрода, разделенных диэлектриком, диэлектрик выполнен из керамики в виде цилиндра, который через металлизированные слои, нанесенные на его наружной и внутренней поверхностях, жестко скреплен электродами, а на торце цилиндра нанесены несколько пар металлизированных слоев, контактирующих с металлизированными слоями цилиндра и образующих межэлектродные измерительные промежутки.

Недостатки датчика заключаются в следующем. Несмотря на использование керамики надежность (ресурс) датчика в условиях высоких температур невелика.

Последнее связано с тем, что металлизированные слои, на основе которых керамика крепится к электродам, при взаимодействии с двухфазным потоком вымываются, датчик теряет свою герметичность и выходит из строя. Отбраковка датчика по признаку некачественных металлизированных слоев возможна только в условиях, приближенных к реальным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является электроконтактный датчик, содержащий наружный и внутренний электроды, разделенные диэлектриком, выполненным в виде электроизолирующей трубки, узел уплотнения, в котором установлен наружный электрод, и узел уплотнения, располагаемый вне измеряемой среды (Балдауф Дитер, Прассер Михаэль, Тамме Гюнтер. Зонд игольчатой формы для измерения электропроводности жидкостей или многофазных смесей. Патент РФ №2125722, Б.И. №3, 1996 г. [3]).

Недостатки датчика заключаются в следующем. Узел уплотнения, располагаемый вне измеряемой среды, выполнен в виде прокладки (см. чертеж), не позволяет изменять степень уплотнения датчика в процессе монтажа и проводить устранение протечек среды в окружающую среду при разуплотнении узла уплотнения. Судя по рисунку прокладка выполнена в виде некоего затвердевающего состава, заполняющего пространство между электроизолирующей трубкой и внутренним электродом (накидная гайка приварена к несущей трубке). Любой состав в течение некоторого времени (или сразу же после установки датчика в объект измерения) под действием высокого давления, разности коэффициентов расширения материалов теряет свои герметизирующие свойства. В результате датчик и установка, в которой помещена измеряемая среда, будут разуплотнены. Датчик подлежит замене.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении надежности и ремонтопригодности датчика.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается тем, что узел уплотнения, располагаемый вне измеряемой среды, выполнен в виде конусообразной втулки, перекрывающей своим основанием электроизолирующую трубку, обжатой по ее наружной конусообразной поверхности уплотняющей втулкой, обе втулки нанизаны на внутренний электрод и уплотнены с помощью накидной гайки и хвостовика с резьбой.

Благодаря сопряжению по двум конусообразным поверхностям и обжатию уплотняющей втулкой надежность узла уплотнения и, соответственно, датчика значительно улучшается. Кроме того, после установки датчика в объект измерения и создания требуемого давления (до проведения измерений) на “холодном объекте” возможна дополнительная затяжка узла уплотнения с помощью накидной гайки и хвостовика с резьбой. После дополнительной затяжки на рабочем давлении уменьшается вероятность разуплотнения датчика при совместном влиянии высоких температур и давлений в условиях проведения экспериментов.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении ремонтопригодности датчика, обеспечивается тем, что узел уплотнения позволяет проведение его разборки и замены его составляющих.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается также тем, что наружный электрод снабжен, по крайней мере, одним удлинительным проводом, образующим с внутренним электродом межэлектродный промежуток, причем размер межэлектродного промежутка выбран из условия

h(/(g(’-’’)) ^0,5,

где - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, ’, ’’ - плотность воды и пара на линии насыщения соответственно, а электроды смещены по высоте относительно друг друга на расстояние h0,5h.

На фиг.1 показан электроконтактный датчик. Датчик состоит из внутреннего электрода 1, наружного электрода 2, снабженного удлинительным проводом 3. Электроды разделены диэлектриком 4, выполненным в виде трубки (капилляра) из окиси бериллия ВеО. Узел уплотнения состоит из шара 5, приваренного к наружному электроду 2, и накидной гайки 6.

Узел уплотнения, находящийся вне среды, включает в себя хвостовик 7, накидную гайку 8, втулку 9 и уплотнительную втулку 10, выполненную из фторопласта. Для улучшения уплотнения за счет увеличения сопрягаемых поверхностей использована втулка 11 из фторопласта.

Уплотняющие узлы объединены в единый узел с помощью трубки 12. Трубка 12 приварена к шару 5 и хвостовику 7. Отвод тепла от жидкости, находящейся в пространстве между узлами уплотнения, достигается с помощью теплоотводящих ребер 13. Наружный электрод 2 выполнен в виде капилляра из никеля (наружный диаметр d_н=1 мм), внутренний электрод 1 выполнен из никелевой проволоки диаметром d_вн =0,15 мм. Наружный электрод 2 снабжен удлинительным проводом 3, приваренным к нему с помощью лазерной сварки. Внутренний электрод 1 образует с удлинительным проводом 3 межэлектродный промежуток. Удлинительный провод 3, так же как и внутренний электрод,

выполнен из никелевой проволоки диаметром 0,15 мм. Расстояние h выбрано из следующего условия:

где - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, ’, ’’ - плотность воды и пара на линии насыщения соответственно.

При измерении паросодержания датчик располагается не навстречу потоку, а перпендикулярно ему, так что поток набегает на внутренний электрод 1 и удлинительный провод 3 и размыкает или замыкает межэлектродный промежуток. Расстояние h выбрано так, что оно не превышает характерный размер пузырька в потоке, который определяется выражением (1). При определении h выбирают наименьшее его значение, исходя из тех режимных параметров, при которых будет проводиться измерение. Например, в пароводяном потоке при Р=5 МПа h=1,72 мм, а при Р=14,0 МПа h=1,08 мм.

Значение h выбрано в данном случае равным 1,1 мм, что позволяет обеспечить во всем диапазоне давлений размыкание межэлектродного промежутка при набегании пузырька. Минимальный размер межэлектродного промежутка выбирается из отсутствия электрического пробоя и определяется опытным путем в зависимости от конкретных условий эксплуатации - в наших опытах размеры межэлектродного промежутка составляли от 0,1 до 0,05 мм. Эти размеры и определяют диапазон минимальных включений (паровых или жидкостных), фиксируемых датчиком. В случае мелкодисперсных включений (капельный режим) для надежной фиксации капель влаги электроды смещены по высоте относительно друг друга. Величина смещения выбирается таким образом, чтобы этот размер был соизмерим с размером включений. В нашем случае он составлял h=h/2, где h определено выражением (1).

Устройство работает следующим образом. Двухфазная смесь (вода и пар) протекают по каналу, в котором установлен перпендикулярно потоку (в отличие от традиционной установки навстречу потоку) электроконтактный датчик 14 (фиг.2а), в зависимости от того, пар или жидкость попадает на устройство, происходит либо размыкание электродов (удлинительного провода и центрального электрода) - контакт с пузырьками, либо замыкание - контакт с капельками влаги. На фиг.2б также представлена характерная зависимость вторичного сигнала датчика U=f() для случая измерения истинного локального влагосодержания (капли в несущем потоке пара) при течении неравновесного двухфазного потока (Р=10 МПа, W=1500 кг/м², балансное паросодержание Х_б=0,9). Получив такую зависимость U=f(), определяют истинное локальное паро(влагосодержание) в объеме измерения

где - время контакта пузырей (капель) с датчиком,

t - время измерения,

n - число контактов за время измерения.

В качестве примера рассмотрим работу датчика в условиях пароводяного потока. Датчик был установлен в пароводяной поток, протекающий в трубе D_вн=27 мм, давление Р=10 МПа, массовая скорость W=1500 кг/м²c, балансное паросодержание Х_б=0,9.

Характеристики датчика следующие: диаметр наружного электрода d_н=4,0 мм, диаметр внутреннего электрода - d_вн =0,15 мм, диаметр удлинительного провода d_у=0,15 мм, смещение электродов h=0,5 мм, размер межэлектродного промежутка выбран равным 0,15 мм.

На фиг.2а показано устройство с блок-схемой измерительной цепи, 14 - электроконтактный датчик, 15 - источник ЭДС, 16 - нагрузочный резистор, 17 - вторичный измерительный прибор.

При набегании жидкой фазы (капель) на электроды датчика происходит замыкание межэлектродного промежутка, и в цепи устанавливается некоторое значение силы тока, вызывающее падение напряжения U _ж на нагрузочном резисторе 16. Контакт с паровой фазой приводит к значительному снижению силы тока, в результате чего регистрируется значение Uг. На фиг.2б приведен пример характерной зависимости U=f(). Истинное локальное влагосодержание определялось по (2). Время измерения t=15 с. Датчик успешно проработал без замены уплотнительного узла в условиях двухфазного потока при Р до 16,0 МПа и температур до 340°С примерно 1000 часов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать надежный электроконтактный датчик, работающий в условиях пароводяного потока.