МАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР С ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
MAGNETIC FLOWMETER WITH POLYTETRAFLUOROETHYLENE ELECTRODES

Область техники
Изобретение в своем общем аспекте относится к обработке текучих сред и, в особенности, к измерению и контролю в процессе обработки потоков. Конкретно в рамках изобретения рассматриваются магнитные расходомеры.
Уровень техники
Магнитные расходомеры (магнитометры) измеряют поток, используя для этого электромагнитное воздействие на основе индукции Фарадея. Измерительное устройство возбуждает катушку индуктивности (или несколько таких катушек), чтобы создать в поперечном сечении трубы магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует поперек обрабатываемого потока электродвижущую силу (ЭДС). Скорость потока пропорциональна индуцированной ЭДС, а объемный расход потока пропорционален скорости потока и его поперечному сечению.
Как правило, технические приемы электромагнитных измерений параметров потока применимы к текучим средам на водной основе, ионным растворам и другим электропроводным жидким потокам. К специфическим объектам использования таких приемов относятся водоочистные сооружения, изготовление высокочистых фармацевтических препаратов, гигиеничное производство пищевых продуктов и напитков, а также химическая обработка, в том числе обработка потоков, обладающих вредными и коррозионными свойствами. Магнитные расходомеры применяют, кроме того, при промышленном производстве углеводородного топлива (например, в технологиях гидравлического разрыва пластов с применением абразивных и коррозионных суспензий), а также в других способах экстракции и обработки углеводородов.
Магнитными расходомерами обеспечиваются быстрые точные измерения в приложениях, в которых применять технологии, основанные на перепаде давления, нежелательно из-за соответствующего падения давления (в частности, в плоскости расходомерной диафрагмы или в трубке Вентури). Кроме того, такие расходомеры могут применяться, когда трудно или с практической точки зрения нецелесообразно вводить в обрабатываемый поток механический элемент, такой как ротор турбины, вихреобразующий элемент или трубка Пито.
Магнитным расходомером определяют расход потока электропроводной текучей среды, протекающей через магистраль или трубу. Для этого во время прохождения текучей среды через магнитное поле, генерированное расходомером, измеряют напряжение, приложенное поперек потока, т.е. в направлении, перпендикулярном потоку. Данное напряжение измеряют между двумя электродами, приведенными в контакт с текучей средой и позиционированными на противоположных сторонах трубы. Стенки трубы должны быть неэлектропроводными или, если они электропроводны, их снабжают неэлектропроводной облицовкой, страхуя от короткого замыкания напряжения, генерированного поперек потока текучей среды. Если стенка трубы электропроводна, оба электрода необходимо электрически изолировать от нее, причем, чтобы провести точное измерение генерированного напряжения, они должны пронизывать данную облицовку.
Электроды нужны магнитному расходомеру для того, чтобы перенести напряжение от обрабатываемого потока к передатчику. В числе прочих факторов ключевыми требованиями, предъявляемыми заказчиками к электродам, являются заниженный профиль, обеспечивающий снижение шумовых помех, низкая стоимость, совместимость материалов, сопротивление образованию покрытия (отсутствие залипания) и широкий интервал рабочих давлений и рабочих температур.
Проблемы, возникающие при применении магнитных расходомеров в нефтяной и газовой отраслях промышленности, связаны с тем, что облицовки и электроды таких расходомеров могут подвергаться воздействию высоких давлений. В особенности это относится к облицовкам из политетрафторэтилена (ПТФЭ), который проявляет тенденцию к текучести в холодном состоянии, вследствие чего под воздействием давления и температуры облицовка из этого материала расширяется и сжимается. В результате выполненные из ПТФЭ облицовки и электроды могут отделиться друг от друга, создавая для обрабатываемой текучей среды каналы утечки, негативно сказывающиеся на работе электродов.
Раскрытие изобретения
Магнитный расходомер содержит трубу, на внутреннюю поверхность которой нанесена неэлектропроводная ПТФЭ облицовка. К облицовке прикреплены контактные электропроводные ПТФЭ электроды, причем так, что у каждого электрода один конец (внутренний) обращен к внутреннему объему трубы, а другой конец (наружный) совмещен с отверстием в трубе, предназначенным для электрода.
В конструкции узла, объединяющего облицовку и электроды, входят первый и второй электропроводные контактные электроды, прикрепленные к неэлектропроводной ПТФЭ облицовке. Форма их внутренних торцов согласована с контуром внутренней поверхностью облицовки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема магнитного расходомера.
На фиг. 2 представлена, в перспективном изображении, ПТФЭ облицовка с электропроводным контактным ПТФЭ электродом.
На фиг. 3 облицовка и электрод по фиг. 2 показаны тоже в перспективном изображении, но в разрезе.
На фиг. 4 представлены, в поперечном сечении, ПТФЭ облицовка и электропроводный контактный ПТФЭ электрод вместе с заплавленным в него резьбовым вкладышем.
На фиг. 5 представлены, в сечении, ПТФЭ облицовка и электропроводный контактный ПТФЭ электрод вместе с заплавленной в него гибкой кольцевой лентой.
На фиг. 6А и 6В представлены ПТФЭ облицовка и электропроводный контактный ПТФЭ электрод с подпружиненной насадкой-удлинителем электрода, предназначенной для осуществления контакта.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан магнитный расходомер 10, имеющий первую секцию (расходомерный тубус) 10А и вторую секцию (передатчик) 10В. Тубус 10А состоит из трубы 12, облицовки-изолятора 14, электродов 16А, 16В и индукторных катушек 18А, 18В.
Главная функция расходомерного тубуса 10А состоит в генерации напряжения, пропорционального скорости измеряемой текучей среды. Индукторные катушки 18А, 18В получают энергию за счет проходящего через них тока и создают магнитное поле. Направление тока, возбуждающего катушки 18А, 18В, периодически изменяют на обратное, так что образуемое катушками магнитное поле имеет переменное направление. Обрабатываемая текучая среда, протекающая через внутренний объем тубуса 10A, выполняет функцию движущегося проводника, индуцирующего в данной среде напряжение. Поскольку электроды 16А, 16В, установленные заподлицо внутри тубуса 10A, приведены в электрический контакт с электропроводной обрабатываемой текучей средой, она электризуется, и, чтобы предотвратить короткое замыкание, необходимо заключить текучую среду в электрически изолирующий материал. Если труба 12 выполнена металлической, изоляция обеспечивается посредством облицовки 14, которая представляет собой неэлектропроводный материал, такой как ПТФЭ.
Передатчик 10В интерпретирует напряжение, генерируемое на электродах 16А, 16В, и передает стандартизированный сигнал в систему мониторинга или управления. В передатчике 10В содержится процессор 20 сигнала, цифровой процессор 22, возбудитель катушек 24 и коммуникационный интерфейс 26. Принципиально важными функциями передатчика 10В являются преобразование сигнала, а также его кондиционирование и передача.
Ток возбуждения катушек, для которого возможны варианты АС или пульсирующий DC, подается возбудителем 24 на катушки 18А, 18В, приводя их в возбужденное состояние. Находясь в этом состоянии, они генерируют магнитное поле, ориентированное поперек обрабатываемого потока. Магнитным полем индуцируется ЭДС, которая может быть воспринята электродами 16А, 16В и пропорциональна скорости потока текучей среды при его прохождении через расходомерный тубус 10А.
Процессор 20 сигнала подключен к электродам 16А, 16В и заземлен. Данное заземление может быть выполнено посредством подключения процессора 20 к трубе 12 или к фланцевой или трубчатой секции, расположенной до или после трубы 12. Процессором 20 отслеживаются потенциалы VA и VB, соответственно, на электроде 16А и электроде 16В, и производится напряжение, соответствующее разности этих потенциалов, и конвертирование данного напряжения в цифровой сигнал, отображающий напряжение на электродах. Цифровой процессор 22 выполнен с возможностью производить дальнейшую обработку сигнала и сортировку цифровых сигналов, принятых от процессора 20. Процессор 22 подает измеренное значение расхода на коммуникационный интерфейс 26, откуда оно поступает в не изображенную на чертеже систему мониторинга или управления. Коммуникация, осуществляемая интерфейсом 26, может производиться в форме аналогового уровня по току, изменяющегося в интервале 4-20 мА, или выполняться в соответствии со следующими документами:
-HART communication protocol, согласно которому цифровая информация модулируется на основе тока 4-20 мА,
-Fieldbus/Profibus communication protocol over a digital bus.
Можно использовать также беспроводную коммуникацию в беспроводной сети, используя для этого такой протокол беспроводной связи, как, например, WirelessHart (IEC 62951).
ПТФЭ является материалом, который из-за его износостойкости и исключительной устойчивости к химическому воздействию обычно выбирают для облицовки магнитного расходомера. Недостатком применения ПТФЭ в качестве облицовки магнитного расходомера является возможное смещение ее относительно электродов, что может привести к утечке обрабатываемой текучей среды по периметру электродов или к короткому замыканию электродов на стенках электропроводной трубы. Эти ограничения особенно критичны при использовании магнитного расходомера в приложениях, связанных с высоким давлением, таких как нефтяная и газовая отрасли промышленности. Под воздействием давления и температуры ПТФЭ расширяется и сжимается, что может примести к проблемам, связанным со смещением ПТФЭ облицовки относительно электродного блока.
Изобретение предлагает техническое решение, заключающееся в применение электропроводного контактного ПТФЭ электрода, который прикреплен к неэлектропроводной ПТФЭ облицовке. Материал контактного ПТФЭ электрода легируют частицами углерода (графита) так, чтобы сопротивление данного электрода было менее 30 кОм. Предусмотрена возможность придать электропроводному контактному ПТФЭ электроду форму, которая позволяет вставить его в отверстие неэлектропроводной ПТФЭ облицовки таким образом, чтобы электрод был плотно подогнан внутри отверстия, прижимаясь поверхностью своего внутреннего торца к контуру наружной поверхности ПТФЭ облицовки, причем форма поверхности наружного торца электрода воспроизводит форму контура наружной поверхности облицовки. В качестве связывающего агента для скрепления электропроводного контактного ПТФЭ электрода и неэлектропроводной ПТФЭ облицовки друг с другом может быть использован перфторалкилоксид (ПФА). В совокупности облицовка и электрод образуют цельный полимерный барьер для потока, не позволяющий текучей среде проходить через магнитный расходомер. Поскольку контактный ПТФЭ электрод и ПТФЭ облицовка скреплены друг с другом и смещаются совместно, холодный поток утечки не вызывает.
Вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 контактный ПТФЭ электрод 30 показан установленным в неэлектропроводной ПТФЭ облицовке 14, а на фиг. 3 данные облицовка 14 и электрод 30 представлены в разрезе и в увеличенном масштабе. В этом варианте осуществления электроду 30 придана форма усеченного конуса, вставляемого в сужающееся отверстие 32 облицовки 14. У электрода 30 внутренний (более узкий) конец 34 и наружный конец 38 расположены заподлицо, соответственно, с внутренней поверхностью 36 и с наружной поверхностью 40 облицовки 14. Стенка отверстия 32 покрыта тонким слоем 42 ПФА, выполняющим функцию связующего агента между данной стенкой и боковой стенкой контактного электрода 30.
В этом варианте осуществления тонким слоем 42 ПФА покрыт также наружный конец 38 контактного электрода 30 и участок наружной поверхности 40 облицовки 14, окружающий наружный конец 38 электрода 30. Слой 42 по отношению к контактному электроду 30 выполняет функцию изолирующего барьера, блокирующего короткое замыкание электрода 30 с электропроводной внутренней стенкой трубы 12.
Необходимо обеспечить электрическое соединение между контактным электродом 30 и наружным окружением трубы 12. Такое соединение может быть выполнено в нескольких различных вариантах.
Например, на фиг. 4 представлены, в сечении, контактные ПТФЭ электроды 30А, 30В, разнесенные на 180° друг от друга, и облицовка 14. В этом варианте осуществления контактный электрод 30А содержит заплавленный резьбовой вкладыш 50А, а контактный электрод 30В - заплавленный резьбовой вкладыш 50В. Когда облицовка 14 позиционирована внутри трубы 12, а положение контактных электродов 30А, 30В совмещено с соответствующими отверстиями (или каналами), проходящими через стенку трубы 12, может быть выполнено электрическое присоединение к электродам 30А, 30В через их насадки-удлинители 51А, 51В, проходящие через отверстия для электродов и ввинченные во вкладыши, соответственно, 50А, 50В.
Другой вариант осуществления проиллюстрирован на фиг. 5. Гибкие кольцевые ленты 52А, 52В, один конец которых заплавлен в контактных электродах, соответственно, 30А, 30В, проведены через выполненные в трубе 12 отверстия для электродов, чтобы обеспечить электрическое присоединение к электродам, соответственно, 30А, 30В.
На фиг. 6А и 6В представлен еще один вариант осуществления, в котором насадка-удлинитель 54 электрода содержит подпружиненный штифт (или щуп) 56, приведенный в контакт с электродом 30. Штифт 56 виден на фиг. 6А, где показано относительное расположение насадки-удлинителя 54 электрода, облицовки 14 и контактного электрода 30 в условиях низкого давления/низкой температуры. На фиг. 6В проиллюстрированы облицовка 14, контактный электрод 30 и насадка-удлинитель 54 электрода, показанные в условиях высокого давления/высокой температуры.
На фиг. 6А насадка-удлинитель 54 электрода изображена с единичным подпружиненным штифтом (штифт 56), однако в других вариантах осуществления, чтобы увеличить площадь контакта с контактным электродом 30, может быть использовано несколько таких штифтов.
Для осуществления электрического контакта с электродами 30 необходимо согласовать их положение с отверстиями или каналами для электродов, проходящими через стенку трубы. Чтобы облегчить получение электрического соединения между контактными электродами 30А, 30В и их насадками-удлинителями 54А, 54В, перед введением облицовки 14 в трубу 12 предусмотрена возможность удалить небольшой участок 44 защитного слоя ПФА, расположенный поверх наружного конца 38 электродов 30А, 30В.
Применение электропроводных контактных ПТФЭ электродов 30А, 30В, закрепленных в отверстиях неэлектропроводной ПТФЭ облицовки, обеспечивает несколько важных преимуществ. Во-первых, поскольку данные электроды состыкованы с облицовкой так, что положение их внутренней поверхности совпадает с внутренней поверхностью облицовки, такая низкопрофильная геометрия совершенно не мешает прохождению потока. В результате уменьшаются шумовые помехи и повышается точность расходомера. Во-вторых, электропроводные контактные ПТФЭ электроды прикреплены к неэлектропроводной ПТФЭ облицовке, образуя непроницаемый барьер для протекания обрабатываемой текучей среды через расходомер. По отношению к утечке контактные электроды и облицовка в совокупности друг с другом представляют собой фактически нераздельный объект.
Изобретение было описано со ссылками на характерный вариант (характерные варианты) осуществления, однако специалистам в данной области должно быть понятно, что в границах изобретения возможны различные изменения, а также эквиваленты, полученные путем замещения его элементов. В дополнение к этому, могут быть внесены многочисленные изменения, не выходящие существенным образом за границы объема изобретения, с целью адаптировать к положениям изобретения конкретную ситуацию или конкретный материал. Поэтому следует считать, что изобретение не ограничено приведенным конкретным вариантом (приведенными конкретными вариантами) осуществления, но включает все варианты, попадающие в границы объема прилагаемой формулы.