МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗА В ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ
MULTIELECTRODE SENSOR FOR DETERMINING GAS CONTENT IN TWO-PHASE FLOW

Область техники
Настоящее изобретение относится к датчикам для определения содержания газа в двухфазной текучей среде, протекающей в проточной линии в любой промышленной установке, например в ракетном двигателе или другом объекте.
Уровень техники
Знание объемного содержания газа, присутствующего в жидкости, имеет большое практическое значение, в частности, в аэрокосмической области.
Так, например, турбонасосы, которыми оснащены ракетные двигатели, питаются криогенными компонентами ракетного топлива, в частности, жидким водородом и жидким кислородом. На входе насосов присутствие газа в жидкости возмущает потоки и создает риск кавитации, вызывающей разнос турбонасосов. Соответственно, в этом случае применения очень важна возможность выявление и измерение присутствия газа в компонентах ракетного топлива.
Известны обычные емкостные датчики с двумя электродами, пригодные для размещения в трубопроводе в потоке двухфазной текучей среды, протекающей в трубопроводе. Первый из двух электродов является анодом в виде цилиндрического стержня, тогда как другой электрод является катодом, образующим часть участка трубопровода.
Эти обычные емкостные датчики разработаны для измерения относительной диэлектрической проницаемости (или диэлектрической постоянной) двухфазной текучей среды, протекающей в трубопроводе между катодом и анодом, что позволяет определять объемное содержание газа, присутствующего в жидкой фазе текучей среды.
Диэлектрическая постоянная текучей среды непосредственно зависит от показателя преломления среды. Было установлено, что показатель преломления текучей среды в газообразном состоянии обычно несколько отличается от показателя преломления текучей среды, принявшей жидкое состояние, так что при предварительном знании этих двух показателей преломления и диэлектрической постоянной текучей среды, протекающей в двухфазном состоянии, с помощью емкостного датчика, расположенного в трубопроводе, можно определять процентное содержание пузырьков газа, присутствующих в жидкой фазе текучей среды.
Однако измеряемое этими обычными датчиками процентное содержание пузырьков газа неточно по отношению к действительному процентному содержанию пузырьков газа в проходном сечении участка трубопровода, в котором установлены датчики.
Это создает проблемы, тем более, что измеряемые этими обычными датчиками процентные содержания пузырьков газа соответствуют среднему процентному содержаниям по всему проходному сечению датчика, так что измеренные процентные содержания на позволяют выявлять возможные очень локализованные разбросы пузырьков газа.
Таким образом, существует насущная потребность в создании датчика, способного точно измерять среднее и локальное процентное содержание пузырьков газа в пределах данного проходного сечения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание такого датчика.
Датчик согласно изобретению обеспечивает возможность определения содержания газа в двухфазной текучей среде, протекающей в проточной линии, при этом датчик содержит патрон, выполненный с возможностью расположения в проточной линии, в потоке текучей среды. Патрон датчика содержит множество измерительных электродов, которые расположены на расстоянии друг от друга и напротив друг друга таким образом, что задают попарно множество зон, разделяющих проходное сечение патрона. Датчик дополнительно содержит органы переключения и измерения, которые соединены с измерительными электродами таким образом, чтобы управлять переключением каждой зоны патрона между, с одной стороны, состоянием измерения, в котором эти органы подают электрический сигнал возбуждения между двумя соседними измерительными электродами, задающими рассматриваемую зону, и измеряют представительную величину, представляющую электрический сигнал приема, возникающий в результате подачи электрического сигнала возбуждения, для определения содержания газа текучей среды, которое связано с этой представительной величиной, и, с другой стороны, состоянием отсутствия измерения. Органы переключения и измерения выполнены с возможностью избирательного переключения состояния каждой зоны независимо от любой другой зоны.
Таким образом, понятно, что патрон датчика содержит три или больше измерительных электродов, что позволяет разделять проходное сечение патрона на две или большее число зон, причем эти зоны соответствуют зонам между электродами, которые попарно задают эти зоны.
При этом для равных проходных сечений и прочих равных условий расстояния между электродами патрона датчика по настоящему изобретению меньше этого расстояния в известном описанном выше датчике с двумя электродами, что позволяет измерять сигналы с лучшим отношением сигнала к шуму и, следовательно, с большей точностью.
Кроме того, наличие нескольких зон в результате оснащения датчика большим числом измерительных электродов в соответствии с изобретением дает преимущество в возможности точного измерения процентного содержания пузырьков газа, образовавшихся локально в одной или нескольких из этих зон, которые выбирают путем выбора посредством комбинации переключений между состояниями измерения и состояниями отсутствия измерения, что может производиться произвольно и независимо для каждой зоны патрона датчика.
Далее, для того, чтобы рассматриваемая зона принимала свое состояние отсутствия измерения, органы переключения и измерения могут быть выполнены с возможностью препятствовать установлению электрического возбуждения между двумя соседними измерительными электродами, задающими эту зону.
Множество альтернативных вариантов возможны для того, чтобы рассматриваемая зона принимала свое состояние отсутствия измерения.
Так, согласно первому альтернативному варианту органы переключения и измерения подают одинаковый электрический потенциал на два соседних измерительных электрода, задающих рассматриваемую зону, для того, чтобы эта зона принимала свое состояние отсутствия измерения.
При этом понятно, что пока эта зона остается в своем состоянии отсутствия измерения, разность потенциалов на клеммах двух ограничивающих ее измерительных электродов имеет нулевую величину (на практике эта разность потенциалов поддерживается на величине, настолько близкой к нулю, насколько это позволяют органы переключения и измерения, которыми оснащен датчик).
В результате два соседних измерительных электрода удерживаются в принудительном состоянии, не допускающем установление электрического возбуждения между этими двумя электродами.
Согласно другому альтернативному варианту органы переключения и измерения прерывают всякую электрическую связь между двумя соседними измерительными электродами, задающими рассматриваемую зону, чтобы эта зона принимала свое состояние отсутствия измерения.
В этом случае органы переключения и измерения могут вновь устанавливать электрическую связь, когда эта зона принимает свое состояние измерения, таким образом обеспечивая электрическое возбуждение между двумя соседними измерительными электродами, задающими эту зону.
Оптимально электрическим сигналом возбуждения является периодическое переменное напряжение в постоянном режиме, предпочтительно со средней нулевой величиной. В частности, может использоваться напряжение синусоидальной, прямоугольной, треугольной формы, последовательность импульсов и т.д.
В этом случае электрический сигнал приема (или ответный сигнал) в качестве реакции на подачу электрического сигнала возбуждения изменяется также периодически с амплитудой и/или периодом и/или сдвигом фазы по отношению к электрическому сигналу возбуждения, которая/которые зависит от диэлектрической постоянной текучей среды, протекающей в рассматриваемой зоне.
В рамках настоящего изобретения возможна подача на два соседних измерительных электрода, задающих рассматриваемую зону, переменного напряжения в не постоянном режиме, или постоянного напряжения или сигнала любого другого характера при единственном условии, что этот электрический сигнал возбуждения вызывает, по меньшей мере, в один заданный момент времени перемещение зарядов между двумя измерительными электродами рассматриваемой зоны, что обеспечит возможность определения диэлектрической постоянной текучей среды, протекающей в рассматриваемой зоне.
Далее, органы переключения и измерения могут быть выполнены таким образом, что эта представительная величина, измеряемая измерительными электродами, является представителем исключительно электрического сигнала приема, являющегося результатом подачи электрического сигнала возбуждения между двумя соседними измерительными электродами, задающими рассматриваемую зону.
Таким образом, понятно, что на эту представительную величину не влияет содержание газа в текучей среде, протекающей в другой или в каждой другой соседней зоне, независимо от того, в каком состоянии переключения находится эта соседняя зона.
Согласно оптимальному альтернативному варианту органы переключения и измерения могут быть выполнены таким образом, что эта представительная величина содержит первую составляющую, которая является представительной для электрического сигнала приема, являющегося результатом подачи электрического сигнала возбуждения между двумя соседними измерительными электродами, задающими рассматриваемую зону, и вторую составляющую, которая является представительной для электрического сигнала приема, являющегося результатом подачи любого электрического сигнала возбуждения между двумя соседними измерительными электродами, задающими другую зону, соседнюю рассматриваемой зоне.
Для этого указанная представительная величина может измеряться, например, на клеммах двухполюсной цепи, предпочтительно двухполюсной цепи сопротивления, соединенной, с одной стороны, с измерительным электродом, общим для рассматриваемой и соседней зон, и с другой стороны, с линией фиксированного потенциала датчика, в частности с его нулевым потенциалом.
В этом случае представительная величина, измеренная на клеммах двухполюсной цепи, соответствует его импедансу, когда выбрана подача электрического сигнала возбуждения, изменяющегося периодически в постоянном режиме.
Предпочтительно органы переключения и измерения в ходе одного цикла измерения переключают последовательно, по меньшей мере, один раз состояние, по меньшей мере, одной зоны.
Понятно, что благодаря этому можно воспользоваться тем фактом, что органы переключения и измерения могут переключать каждую из зон патрона датчика независимо одна от другой для определения цикла измерения, в ходе которого, по меньшей мере, одна из зон подвергается последовательно одному или нескольким переключениям своего состояния.
За счет этого можно определять самые различные последовательности переключения, которые должны выполняться в ходе такого цикла измерения.
Так, например, может быть предпочтительно, чтобы каждая зона в. ходе цикла измерения принимала свое состояние измерения, по меньшей мере, один раз.
В этом случае можно в ходе цикла измерения сканировать каждую зону патрона датчика, что позволяет получать точную картографию распределения пузырьков газа в проходном сечении патрона.
Также может быть предпочтительно, чтобы в ходе цикла измерения датчик принимал, по меньшей мере, одну конфигурацию, в которой, по меньшей мере, первая из зон принимает свое состояние измерения, в то время как, по меньшей мере, одна (предпочтительно каждая) другая зона, соседняя с первой, принимает свое состояние отсутствия измерения.
Эта конфигурация имеет особые преимущества, когда органы переключения и измерения выполнены таким образом, что представительная величина, которую они измеряют, содержит первую и вторую представительные составляющие электрических сигналов приема, связанных соответственно с первой зоной и соседней зоной, как было описано выше. В данной конфигурации датчика эта вторая составляющая измеряемой представительной величины является нулевой (на практике настолько близкой к нулю, насколько позволяют органы переключения и измерения) в состоянии отсутствия измерения соседней зоны. В результате измеренная представительная величина позволяет непосредственно получать диэлектрическую постоянную текучей среды, протекающей конкретно в первой зоне, и при этом содержание газа в текучей среде, протекающей в другой зоне, не влияет на измерение указанной представительной величины.
Далее, может иметь преимущество решение, когда в первый момент цикла измерения, по меньшей мере, первая из зон принимает свое состояние измерения в то время как вторая зона, соседняя с первой, принимает свое состояние отсутствия измерения, а во второй момент (предшествующий первому моменту или последующий за ним) цикла измерения первая зона остается в своем состоянии измерения, тогда как вторая зона принимает свое состояние измерения.
В этом случае предпочтительно в течение первого и второго моментов каждая возможная зона, соседняя первой или второй зоне, остается в том же состоянии измерения или отсутствия измерения (предпочтительно отсутствия измерения).
При этом, когда кроме того выбрано, что представительная величина, связанная с первой зоной содержит первую и вторую составляющие, которые представляют электрические сигналы приема, соответственно связанные с первой и второй зонами, как это было описано выше, эта представительная величина позволяет в первом временном промежутке определять диэлектрическую постоянную текучей среды, протекающей в первой зоне, а во втором временном промежутке она позволяет определять диэлектрическую постоянную текучей среды, протекающей в объединенном пространстве первой и второй зон.
За счет этого диэлектрическая постоянная текучей среды, протекающей во второй зоне может быть выведена из двух предшествующих измерений посредством вычитания из диэлектрической постоянной, полученной во втором временном промежутке, диэлектрической постоянной, полученной в первом временном промежутке.
Понятно, что при этом органы переключения и измерения могут содержать цепь измерения, которая является общей для первой и второй зон и которая позволяет определять процентные содержания пузырьков газа, образовавшихся отдельно в первой зоне и отдельно во второй зоне, и при этом требуется только одно переключение состояния, а именно переключение состояния второй зоны между первым и вторым моментами цикла.
Предпочтительно в ходе цикла измерения, по меньшей мере, первая из зон принимает свое состояние измерения большее число раз, чем, по меньшей мере, одна другая из зон.
Понятно, что благодаря этому можно более внимательно следить за определенными зонами датчика, которые считаются более подверженными образованию пузырьков газа, чем другие зоны датчика, которые считаются менее проблематичными.
Предпочтительно цикл измерения выполняется повторяющимся, предпочтительно периодически.
При этом понятно, что можно следить за развитием пространственного распределения пузырьков газа в одной или нескольких зонах патрона датчика.
Предпочтительно патрон датчика содержит электроды ограждения, которые продолжают концы измерительных электродов, будучи электрически отсоединенными от них, и соединены с органами переключения и измерения таким образом, что электроды ограждения во все моменты находятся под тем же электрическим потенциалом, что и измерительные электроды, которые они соответственно продолжают.
Понятно, что электроды ограждения позволяют устранить краевые эффекты, которые значительно влияют на реакцию измерительных электродов на электрическое возбуждение, которому они подвергаются, когда расстояния между электродами не являются пренебрежительно малыми по отношению к размерам этих измерительных электродов.
Кроме того, когда решено возбуждать измерительные электроды датчика электрическими сигналами возбуждения в постоянном изменяющемся режиме, для точности измерений предпочтительно, чтобы частота, фаза и амплитуда электрических потенциалов, подаваемых на электроды ограждения, были в каждый момент идентичны частоте, фазе и амплитуде электрических потенциалов, под которыми находятся продолжаемые ими измерительные электроды.
Предпочтительно датчик может содержать по выбору один или множество конструктивных элементов, способных взаимодействовать с измерительными электродами для их удержания на расстоянии и напротив друг друга.
Предпочтительно измерительные электроды удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью промежуточных распорок, по меньшей мере, частично выполненных из электроизоляционного материала, например, из тефлона (политетрафторэтилена).
Предпочтительно, когда патрон датчика дополнительно содержит электроды ограждения, они могут быть расположены на расстоянии друг от друга и продолжают соответствующие измерительные электроды с помощью указанных распорок.
Предпочтительно распорки снабжены проходами, внутрь которых введены соединительные провода таким образом, чтобы обеспечивать соединение между измерительными электродами (и их возможными электродами ограждения) и органами переключения и измерения.
В результате такого решения патрон датчика может быть расположен в проточной линии текучей среды, например внутри трубопровода проточной линии или между двумя ее участками, тогда как органы переключения и измерения могут быть расположены снаружи и удаленно от проточной линии в более доступном месте для пользователя датчика.
Далее, измерительные электроды (и их возможные электроды ограждения) могут иметь любые подходящие формы при условии, что они могут проходить на расстоянии друг от друга и напротив друг друга таким образом, чтобы попарно задавать множество зон проходного сечения патрона датчика.
Так например измерительные электроды (и возможные электроды ограждения) могут быть выполнены плоскими и параллельными друг другу.
Это решение имеет преимущество, когда проходное сечение проточной линии имеет прямоугольную форму.
С учетом того, что большинство участков используемых в проточных линиях трубопроводов имеют круглое сечение, согласно особенно предпочтительному альтернативному варианту измерительные электроды (и их возможные электроды ограждения) могут быть коаксиальными, окружающими друг друга вокруг общей оси и имеющими круглое сечение в плоскости сечения, перпендикулярной общей оси.
В этом случае измерительные электроды (и их возможные электроды ограждения) могут по выбору также иметь форму усеченного конуса или быть цилиндрическими.
Предпочтительно отношение диаметров двух соседних измерительных электродов (и их возможных электродов ограждения) в плоскости сечения составляет от 1,1 до 3,0 для повышения точности измерений.
Изобретатели настоящего изобретения путем теоретических вычислений, экспериментальных работ и проведения многократного числового моделирования смогли установить, что измеряемая диэлектрическая постоянная изменяется к тому же нелинейно для одного и того же процентного содержания и для тех же размеров пузырьков газа в функции радиального расстояния от общей оси измерительных электродов, на котором локально образуются эти пузырьки газа.
Изобретателям удалось установить, что это явление обусловлено тем фактом, что относительный объем, занимаемый пузырьком по отношению к объему кольцевой зоны, в которой заключен этот пузырек, тем больше, чем ближе образование пузырька в радиальном направлении к общей оси патрона датчика.
Изобретателями было найдено решение, позволяющее компенсировать эту экспериментальную радиальную зависимость диэлектрической постоянной текучей среды путем задания того, что отношение диаметров двух соседних измерительных электродов в плоскости сечения должно составлять от 1,1 до 3,0.
Предпочтительно это отношение диаметров составляет от 1,4 до 2,0 для еще большего повышения точности измерений.
Далее, в рамках настоящего изобретения патрон датчика может содержать любое число измерительных электродов, равное или больше трех (например, три, четыре, пять, шесть, семь или больше).
Понятно, что для равных проходных сечений и равных прочих параметров, чем больше измерительных электродов содержит патрон датчика, тем меньше расстояния между электродами в патроне и тем точнее выполняемые измерения.
Однако для того, чтобы конструкция датчика оставалась простой в серийном производстве, предпочтительно патрон датчика содержит от трех до шести измерительных электродов.
В случае использования датчика, измерительные электроды которого представляют собой осесимметричные тела, отношение диаметров в сечении между двумя крайними измерительными электродами патрона датчика (то есть между двумя измерительными электродами, наиболее удаленными друг от друга) может предпочтительно составлять от 5 до 20, как функция числа измерительных электродов в патроне.
Далее, предпочтительно отношение осевой длины измерительных электродов вдоль их общей оси к диаметру измерительного электрода, наиболее удаленного от общей оси, составляет от 0,25 до 1. Этот диапазон величин представляет хороший компромисс между оптимизацией точности измерений и снижением до минимума возмущения потока, которое вызывается присутствием патрона в проточной линии.
Краткий перечень чертежей
Далее объяснение изобретения и его преимуществ будет дано в последующем подробном описании не имеющих ограничительного характера примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг. 1 изображает в перспективе патрон датчика в соответствии с изобретением;
фиг. 2 изображает патрон по фиг. 1 на виде сверху;
фиг. 3 изображает патрон на виде в разрезе в плоскости III-III на фиг. 2;
фиг. 4 изображает патрон на виде в разрезе в плоскости IV-IV на фиг. 2, показывая возможность установки патрона в участке трубопровода проточной линии;
фиг. 5 изображает вид в перспективе, представляя один из измерительных электродов патрона отдельно от своих двух электродов ограждения;
фиг. 6 схематично изображает патрон, соединенный органами связи с органами переключения и измерения в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Датчик по изобретению содержит патрон 10 и органы 50 переключения и измерения.
На фиг. 1-4 показан пример выполнения патрона 10 по изобретению, не имеющий ограничительного характера.
Согласно показанному примеру выполнения патрон 10 датчика содержит пять измерительных электродов 1-5, которые расположены на расстоянии друг от друга и напротив друг друга таким образом, что задают попарно четыре зоны A-D проходного сечения патрона 10.
Измерительные электроды 1-5 коаксиальны, окружают друг друга вокруг общей оси, определяющей осевое направление патрона 10, и имеют круглое сечение в плоскости сечения, перпендикулярной общей оси.
Кроме того, измерительные электроды 1-5 являются телами вращения в виде цилиндров.
Наружный корпус патрона 10, ограничивающий его проходное сечение, образует измерительный электрод 1, наиболее дальний от общей оси, при этом наружный корпус патрона 10 является в целом цилиндрическим с осью вращения на общей оси.
Ближайший к общей оси измерительный электрод 5 образует цилиндрический центральный сердечник (который может быть полностью сплошным, полностью полым или частично полым, как показано на фиг. 3).
Остальные три измерительных электрода 2, 3 и 4 являются промежуточными измерительными электродами, которые образуют соответственно цилиндрические кольца, проходящие коаксиально между наружным корпусом и центральным сердечником патрона 10 и заключены один в другом.
В данном примере выполнения четыре зоны A-D проходного сечения патрона 10, которые образованы каждыми двумя из пяти измерительных электродов 1-5, являются кольцевыми цилиндрическими осесимметричными зонами.
Согласно показанному примеру выполнения отношение диаметров двух соседних измерительных электродов в плоскости сечения составляет от 1,1 до 3,0, предпочтительно от 1,4 до 2,0 (в этом отношении больший диаметр из двух является числителем, а меньший диаметр знаменателем) и еще более предпочтительно от 1,5 до 1,9.
В частности, в данном примере выполнения диаметры выбраны такими, что внутренний диаметр первого измерительного электрода 1 (то есть диаметр внутренней стенки наружного корпуса патрона 10) составляет 121 мм, а наружный диаметр второго измерительного электрода 2 составляет 80 мм, так что отношение диаметра первого измерительного электрода 1 к диаметру второго измерительного электрода 2 составляет примерно 1,5.
Далее, в данном примере выполнения внутренний диаметр второго измерительного электрода 2 выбран равным 76 мм (это означает, что в данном примере второй электрод имеет радиальную толщину 2 мм), а наружный диаметр третьего измерительного электрода 3 равен 50 мм, так что отношение диаметра второго измерительного электрода 2 к диаметру третьего измерительного электрода 3 составляет примерно 1,5.
Таким же образом в данном примере выполнения внутренний диаметр третьего измерительного электрода 3 выбран равным 47 мм (это означает, что в данном примере третий электрод имеет радиальную толщину 1,5 мм), а наружный диаметр четвертого измерительного электрода 4 равен 30 мм, так что отношение диаметра третьего измерительного электрода 3 к диаметру четвертого измерительного электрода 4 составляет примерно 1,6.
И наконец, в данном примере выполнения внутренний диаметр четвертого измерительного электрода 4 выбран равным 28 мм (это означает, что в данном примере четвертый электрод имеет радиальную толщину 1,0 мм), а наружный диаметр пятого измерительного электрода 5 (то есть наружный диаметр центрального сердечника) равен 15 мм, так что отношение диаметра четвертого измерительного электрода 4 к диаметру пятого измерительного электрода 5 составляет примерно 1,9.
В результате получается, что в данном примере выполнения отношение внутреннего диаметра первого измерительного электрода 1 к наружному диаметру пятого измерительного электрода 5 (то есть отношение диаметров крайних измерительных электродов патрона 10 датчика) составляет примерно 8,1 и лежит в пределах упомянутого выше предпочтительного диапазона [5; 20].
Кроме того, в данном примере выполнения выбраны такие размеры, что осевая длина измерительных электродов вдоль их общей оси (которая здесь соответствует расстоянию между двумя осевыми концами промежуточных измерительных электродов 2-4) равна 55 мм, так что отношение этой осевой длины к внутреннему диаметру первого измерительного электрода 1 составляет примерно 0,5 и лежит в пределах упомянутого выше предпочтительного диапазона [0,25; 1].
При этом каждый измерительный электрод 1-5 изготовлен из электропроводного материала. В частности, предпочтение может быть отдано латуни или нержавеющей стали, причем последняя рекомендуется, когда патрон предназначен для установки в криогенной проточной линии, например, в проточной линии жидкого водорода LH2 при температуре около 20 K .
Как показано, в частности, на фиг. 4, патрон 10 датчика может быть расположен в любой проточной линии, в которой проходит текучая среда, в потоке F текучей среды.
Согласно данному примеру выполнения патрон 10 выполнен с возможностью установки в участке 60 трубопровода с образованием части проточной линии.
Наружный корпус патрона 10 содержит первый элемент крепления, выполненный с возможностью взаимодействия со вторым элементом крепления, образующим часть участка 60 трубопровода, для крепления патрона 10 в участке 60 трубопровода.
В частности, наружный корпус патрона 10 содержит в качестве первого элемента крепления фланец 14, который может опираться на уступ 66, представляющий собой второй элемент крепления, образованный на внутренней стенке участка 60 трубопровода, что позволяет укреплять патрон 10 в участке 60 трубопровода с помощью винтов (не показаны), которые могут быть пропущены через сквозные отверстия 16, выполненные во фланце 14 (см, в частности, фиг. 1 и 2) для соединения с уступом 66.
Участок 60 трубопровода содержит два фланца 62 и 64, образованные соответственно на его двух осевых концах таким образом, что этот участок 60 может быть расположен между двумя другими участками трубопровода (не показаны), образующими проточную линию.
В рамках настоящего изобретения в качестве предпочтительной альтернативы показанному примеру выполнения наружный корпус патрона датчика сам образует участок трубопровода, который может быть непосредственно расположен между двумя другими участками проточной линии. Этот альтернативный вариант позволяет уменьшить сужение проходного сечения, которое вызывается присутствием патрона датчика внутри проточной линии.
В этом случае наружный корпус патрона может содержать два фланца, аналогичных фланцам 62 и 64 описанного выше участка 60 трубопровода.
Далее, как показано на фиг. 2 и 3, измерительные электроды 1-5 патрона 10 удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью промежуточных распорок 20, которые изготовлены полностью из электроизоляционного материала, в частности, из политетрафторэтилена (тефлона), и в целом имеют форму ребер.
В частности, патрон 10 содержит четыре первые распорки 20 на верхней по направлению потока стороне патрона 10, которые расположены крестом вокруг центрального сердечника таким образом, что проходят в четырех радиальных направлениях по углом 90° друг к другу между центральным сердечником и наружным корпусом патрона 10.
Далее, патрон 10 содержит четыре другие распорки 20 на нижней по направлению потока стороне патрона, которые аналогичны четырем первым распоркам и проходят между центральным сердечником и наружным корпусом патрона 10 соответственно в тех же четырех радиальных направлениях, что и четыре первые распорки.
Каждая распорка 20 установлена с помощью удерживающего стержня 30, который проходит через сквозное отверстие в распорке 20 и закреплен с одной стороны на центральном сердечнике и с другой стороны на наружном корпусе 1 патрона 10.
Согласно показанному примеру выполнения оба конца каждого удерживающего стержня 30 снабжены резьбой для крепления, с одной стороны, на центральном сердечнике путем завинчивания в его резьбовое гнездо и, с другой стороны, для крепления на наружном корпусе 1 путем навинчивания гайки 31, которая упирается в наружную стенку наружного корпуса 1 вокруг сквозного отверстия в наружном корпусе 1 для прохода удерживающего стержня наружу в радиальном направлении патрона 10.
Каждая распорка 20 упирается в центральный сердечник.
Далее, как показано на фиг. 5, в частности, в отношении измерительного электрода 3, два осевых конца каждого промежуточного измерительного электрода 2-4 (то есть два конца электрода, которые отстоят друг от друга в осевом направлении электрода), содержат четыре равномерно разнесенные по радиусам выемки, в которые могут входить четыре распорки на нижней по направлению потока стороне, и соответственно, на верхней по направлению потока стороне, для того, чтобы удерживать измерительные электроды 2-4 на расстоянии в радиальном направлении патрона от других измерительных электродов 1 -5, которые расположены напротив них.
Кроме того, как показано на фиг. 3-5, патрон 10 датчика содержат электроды 2а-4а и 2b-4b ограждения, которые продолжают концы измерительных электродов 2-4 и электрически отсоединены от них.
Более конкретно, два осевых противоположных конца (то есть на верхней и нижней по направлению потока сторонах патрона 10) трех промежуточных измерительных электродов 2-4 продолжены в осевом направлении патрона соответственно тремя электродами 2b-4b ограждения на верхней по направлению потока стороне и тремя электродами 2а-4а ограждения на нижней по направлению потока стороне.
Верхние по направлению потока электроды 2b-4b ограждения электрически отсоединены от продолжаемых ими промежуточных измерительных электродов 2-4, будучи укрепленными на распорках 20 с верхней по направлению потока стороны, противоположной в осевом направлении патрона 10 той стороне, на которой укреплены промежуточные измерительные электроды 2-4.
Таким же образом нижние по направлению потока электроды 2а-4а ограждения электрически отсоединены от продолжаемых ими промежуточных измерительных электродов 2-4, будучи укрепленными на распорках 20 с нижней по направлению потока стороны, противоположной в осевом направлении патрона 10 той стороне, на которой укреплены промежуточные измерительные электроды 2-4.
Для этого, как это показано для двух электродов 3а и 3b ограждения промежуточного измерительного электрода 3, один из двух осевых концов каждого электрода 2а-4а, 2b-4b ограждения снабжен четырьмя равномерно разнесенными радиально выемками, в которые могут входить соответственно четыре распорки 20 для удержания электродов ограждения на расстоянии в осевом направлении патрона 10 от измерительных электродов и в радиальном направлении патрона 10 от других, расположенных напротив них электродов ограждения.
Электроды 2а-4а, 2b-4b ограждения изготовлены из электропроводного материала, например, из латуни или предпочтительно из нержавеющей стали, когда патрон 10 предназначен для прохода через него криогенной текучей среды.
Далее, согласно показанному примеру выполнения, не имеющему ограничительного характера, измерительные электроды 1 и 5, наиболее удаленные друг от друга в радиальном направлении патрона 10 (то есть соответственно наружный корпус и центральный сердечник патрона 10) связаны электрически, с одной стороны, друг с другом и, с другой стороны, с линией постоянного электрического потенциала датчика, в частности, с его нулевым потенциалом.
В данном примере выполнения удерживающие стержни 30 изготовлены из электропроводного материала, в частности, из латуни или нержавеющей стали и обеспечивают электрическую связь между, с одной стороны, центральным сердечником за счет соединения с ним и, с другой стороны, с наружным корпусом 1 патрона через гайки 31, которые также изготовлены из электропроводного материала, в частности, из латуни или нержавеющей стали.
Согласно показанному примеру выполнения эти два крайних электрода 1 и 5 играют роли измерительных электродов и электродов ограждения.
В показанном примере выполнения наружный корпус 1 выполнен в виде моноблока или единого элемента.
Согласно показанному примеру выполнения центральный сердечник 5 выполнен сборным в осевом направлении из нескольких участков, которые могут быть собраны для образования центрального сердечника.
Согласно примеру выполнения по фиг. 3 центральный сердечник содержит первый участок 5, который образует измерительный электрод 5 как таковой и на котором закреплены удерживающие стержни 30 на верхней по направлению потока стороне; второй участок 5а, на котором закреплены удерживающие стержни 30 на нижней по направлению потока стороне; вставку (необязательную), установленную по оси между первым и вторым участками; и стяжной винт 12, который может проходить через сквозное отверстие второго участка 5а для завинчивания в резьбовую проточку первого участка 5.
В рамках изобретения может быть предусмотрено выполнение центрального сердечника в виде единого элемента.
Далее, как показано на фиг. 3 и 4, в распорках 20 имеются проходы 25, внутри которых проведены соединительные провода 40 для обеспечения, с одной стороны, соединения между измерительными электродами 1-5 и органами 50 переключения и измерения, которые будут описаны дальше, и, с другой стороны, соединения между электродами 2а-4а и 2b-4b ограждения и органами 50 переключения и измерения.
В частности, проход 25 каждой распорки 20 пересекает, по меньшей мере, часть этой распорки 20 и имеет выходы в различных местах, находящихся, соответственно, в зонах A-D патрона 10.
Далее, каждый соединительный провод 40, приходящий снаружи патрона 10, проходит внутрь наружного корпуса 1 через отверстие, выполненное в наружном корпусе 1 (в частности, вблизи места крепления гайки 31) для входа соединительного провода 40 внутрь прохода 25 распорки 20, и затем выходит в соответствующую зону A-D вблизи измерительного электрода или электрода ограждения, с которым он должен быть соединен.
Далее, по меньшей мере, один из компонентов патрона 10 датчика предпочтительно может быть выполнен обтекаемым для снижения до минимума потери напора потока на входе и/или на выходе патрона 10.
Согласно показанному примеру выполнения, по меньшей мере, один из осевых концов центрального сердечника, в частности, на верхней по направлению потока стороне патрона 10 (который обозначен позицией 5b на фиг. 1), выполнен закругленным.
Кроме того, в данном примере выполнения осевой конец каждого электрода 2а-4а, 2b-4b ограждения, расположенный на стороне, противоположной в осевом направлении той стороне, где находится измерительный электрод 2-4, который он продолжает, также выполнен обтекаемым.
Далее, как показано, в частности, на фиг. 1, по меньшей мере, распорки 20 на верхней по направлению потока стороне патрона 10 (в частности, также и распорки на нижней по направлению потока стороне патрона 10) также выполнены обтекаемыми.
Так, каждая распорка 20 имеет по существу треугольное сечение, вершина которого лежит в радиальной плоскости, представляющей направление, в котором проходит распорка 20, и обращена в сторону, противоположную в осевом направлении той стороне, где находятся измерительные электроды 2-4.
Далее будут описаны различные этапы сборки патрона 10 датчика в цехе или мастерской.
Первый этап заключается в том, что вводят соединительные провода 40 снаружи через отверстия наружного корпуса 1 патрона 10.
Второй этап заключается в том, что для каждой распорки 20 пропускают соответствующий соединительный провод 40 через проход 25 в распорке 20 и выводят каждый соединительный провод 40 через соответствующую ему выходную часть прохода 25, чтобы соединительный провод 40 выходил в ту зону A-D, для которой он предназначен.
Третий этап заключается в том, что вводят первые четыре удерживающие стержня 30 соответственно в четыре распорки 20 на верхней по направлению потока стороне патрона 10 и завинчивают эти стержни 30 в первый участок 5 центрального сердечника, а затем навинчивают соответствующие гайки 31 на наружном корпусе 1.
Четвертый этап заключается в том, что вводят и закрепляют третий промежуточный измерительный электрод 4 в патроне 10, вводят и закрепляют сопутствующий ему электрод 4b ограждения на верхней по направлению потока стороне патрона 10 и присоединяют соответствующие соединительные провода 40, выходящие из соответствующих распорок 2.
Пятый этап заключается в повторении четвертого этапа для второго промежуточного измерительного электрода 3 и его электрода 3b ограждения на верхней по направлению потока стороне, а затем для первого промежуточного измерительного электрода 2 и его электрода 2b ограждения на верхней по направлению потока стороне.
Шестой этап заключается в установке вставки центрального сердечника на первом участке 5, установке второго участка 5а и закреплении этих двух участков с помощью винта 12.
Седьмой этап заключается в том, что вводят четыре последних удерживающих стержня 30 соответственно в четыре распорки 20 на нижней по направлению потока стороне патрона 10, завинчивают стержни 30 во второй участок 5а центрального сердечника и навинчивают соответствующие гайки 31 на наружном корпусе 1.
Последний этап заключается в установке трех электродов 2а-4а ограждения на нижней по направлению потока стороне патрона 10 аналогично процессам, описанным для четвертого и пятого этапов.
Далее будут описаны органы 50 переключения и измерения в соответствии с изобретением.
В показанном примере выполнения датчик является емкостным датчиком.
Согласно этому примеру протекающая в проточной линии текучая среда является электроизоляционной двухфазной текучей средой.
Как показано на фиг. 6, органы 50 переключения и измерения содержат один или несколько не связанных друг с другом емкостных блоков контроля (в частности, три блока 51-53 контроля), которые могут быть соединены, факультативно, с одним, с несколькими или с каждым из измерительных электродов патрона 10 (в частности, соответственно с тремя промежуточными измерительными электродами 2-4 с помощью соединительных проводов 40).
Каждый блок 51-53 контроля содержит первый генератор напряжения, который подает первое электрическое напряжение V1, и второй генератор напряжения, который подает второе электрическое напряжение V1′, независимое от первого электрического напряжения V1, но всегда равное ему.
В частности, первый генератор выполнен таким образом, что первое напряжение, которое он подает, является переменным в постоянном режиме с частотой f1, амплитудой А1 и фазой Р1.
Таким же образом второй генератор выполнен таким образом, что второе напряжение, которое он подает, является переменным в постоянном режиме с частотой f1′, амплитудой А1′ и фазой Р1′ и всегда удовлетворяет трем условиям: f1′=f1, А1′=А1 и Р1′=Р1.
Кроме того, каждый блок 51-53 контроля содержит цепь переключения, выполненную с возможностью переключения между:
- первым состоянием Е1, в котором он подает на первый выход первое напряжение V1 и на второй выход второе напряжение V1′;
- вторым состоянием Е0, в котором первый и второй генераторы блока контроля замкнуты накоротко таким образом, что первый и второй выходы оба подают напряжение короткозамкнутой цепи, соответствующее фиксированному потенциалу V0 данного блока контроля, в частности, нулевому потенциалу датчика.
При этом каждый блок 51-53 контроля содержит цепь измерения тока, вырабатываемого в первом генераторе.
Далее, линии фиксированного потенциала V0 блоков 51-53 контроля соединены друг с другом таким образом, что подают одинаковые напряжения короткого замыкания в своих соответствующих вторых состояниях Е0.
При этом блоки 51-53 контроля синхронизированы таким образом, что напряжения V1 и V1′, которые они подают в своих соответствующих первых состояниях Е1, в каждый момент находятся в одной фазе.
Далее, блоки 51-53 контроля выбраны таким образом, что в своих соответствующих первых состояниях Е1 подаваемые ими напряжения V1 и V1′ имеют максимально близкие амплитуды и частоты, - теоретически одинаковые амплитуды и частоты.
Органы 50 переключения и измерения соединены с измерительными электродами 1-5, в частности, с помощью описанных выше соединительных проводов 40.
Более конкретно, два измерительных электрода 1 и 5, наиболее удаленных друг от друга в патроне 10, электрически соединены с той же линией фиксированного потенциала V0, что и каждый из блоков 51-53 контроля (в частности, с нулевым потенциалом датчика, который является общим для органов переключения и измерения и для патрона).
С другой стороны, первые выходы трех блоков 51-53 контроля соединены соответственно с тремя промежуточными измерительными электродами 4, 3 и 2.
Далее, согласно этому примеру выполнения органы 50 переключения и измерения соединены с электродами 2а-4а и 2b-4b ограждения, в частности, описанными выше соединительными проводами 40 таким образом, что эти электроды ограждения имеют в каждый момент такой же электрический потенциал как и измерительные электроды 2-4, которые они продолжают.
Для этого вторые соответствующие выходы трех блоков 51-53 контроля соединены, соответственно, с одной стороны, с тремя электродами 4b, 3b и 2b ограждения на верхней по направлению потока стороне патрона и, с другой стороны, с тремя электродами 4а, 3а, 2а ограждения на нижней по направлению потока стороне патрона.
Из этого понятно, что органы 50 переключения и измерения способны управлять состояниями каждой зоны A-D патрона 10 с переключением между состоянием измерения и состоянием отсутствия измерения.
Более конкретно, состояние измерения рассматриваемой зоны измерения получают, когда за счет комбинации переключения блоков 51-53 контроля между их соответствующими первыми и вторыми состояниями Е1 и Е0 первое напряжение V1 подается на первый из двух соседних измерительных электродов, задающих рассматриваемую зону, тогда как фиксированный потенциал V0 подается на другой из этих соседних измерительных электродов, так что между этими двумя соседними измерительными электродами создается электрический сигнал возбуждения, соответствующий разности потенциалов V1-V0.
Кроме того, в этом состоянии измерения рассматриваемой зоны измерительная цепь блока контроля, который соединен с первым из двух соседних измерительных электродов, измеряет электрический ток, вырабатываемый в первом генераторе блока контроля, в качестве представительной величины электрического сигнала приема в результате подачи электрического сигнала возбуждения, что позволяет определять содержание газа в текучей среде, которое связано с этой представительной величиной.
Далее, состояние отсутствия измерения рассматриваемой зоны измерения получают, когда за счет комбинации переключения блоков 51-53 контроля между их соответствующими первыми и вторыми состояниями Е1 и Е0 на два соседних измерительных электрода, задающих рассматриваемую зону, подается один и тот же потенциал V1 или V0.
При этом, поскольку блоки 51-53 контроля не связаны между собой, каждый из них может переключаться между первым состоянием Е1 и вторым состоянием Е0 независимо от других блоков 51-53 контроля.
Из описанного выше понятно, что органы 50 переключения и измерения выполнены с возможностью избирательно переключать состояние каждой зоны A-D независимо одна от другой.
Кроме того, можно управлять блоками 51-53 контроля, например, с помощью компьютера, для задания цикла измерения, в ходе которого эти блоки контроля переключают последовательно, по меньшей мере, один раз состояние, по меньшей мере, одной зоны A-D.
Так, например, можно реализовать описанный ниже цикл измерения.
В первый момент времени t1 цикла измерения посредством комбинации переключений блоков контроля на измерительные электроды 1-5 патрона 10 датчика подают следующие потенциалы:
Измерительный электрод
1
2
3
4
5
Потенциал
V0
V1
V1
V1
V0
Таким образом, видно, что электрическое напряжение возбуждения V1-V0 подано между двумя соседними электродами 1 и 2, задающими первую зону A. В результате эта первая зона находится в своем состоянии измерения.
Соответствующий блок контроля измеряет ток, вырабатываемый в его первом генераторе.
Поскольку в два электрода 2 и 3, задающие соседнюю зону B, подается один и тот же потенциал VI, эта соседняя зона 8 находится в состоянии отсутствия измерения.
Следовательно ток, подаваемый в измерительный электрод 2, является представителем только напряжения приема, являющегося результатом подачи напряжения возбуждения между двумя соседними электродами 1 и 2. В результате этот измеренный электрический ток имеет амплитуду и/или сдвиг фазы относительно амплитуды и фазы напряжения V1, поданного первым генератором соответствующего блока контроля, что дает величины, которые прямо зависят от диэлектрической постоянной текучей среды, протекающей конкретно в первой зоне A. Таким образом, в течение первого интервала времени t1 можно непосредственно определить процентное содержание пузырьков газа, образовавшихся в первой зоне A.
То же самое относится к четвертой зоне D, поскольку напряжение VI-V0 возбуждения также подается между двумя соседними электродами, задающими эту зону D, тогда как соседняя зона C находится в состоянии отсутствия измерения.
Итак, в первый интервал времени t1 получают одновременно величины процентного содержания пузырьков газа, образовавшихся в первой зоне А и в четвертой зоне D.
Затем, во второй последующий интервал времени t2 цикла измерения переключают только состояние блока 53 контроля, связанного со вторым измерительным электродом 2, который переходит из своего первого состояния Е1 во второе состояние Е0. При этом получают следующую конфигурацию:
Измерительный электрод
1
2
3
4
5
Потенциал
V0
V0
V1
V1
V0
Таким образом, в течение второго интервала времени t2 получают одновременно величины процентного содержания пузырьков газа, образовавшихся во второй зоне B и в четвертой зоне D.
Далее, в третий последующий интервал времени t3 цикла измерения переключают состояние блока 53 контроля, связанного со вторым измерительным электродом 2, который переходит из своего второго состояния Е0 в первое состояние Е1, а также состояние блока 51 контроля, связанного с четвертым измерительным электродом 4, который переходит из своего первого состояния Е1 во второе состояние Е0. При этом получают следующую конфигурацию:
Измерительный электрод
1
2
3
4
5
Потенциал
V0
V1
V1
V0
V0
Таким образом, в течение третьего интервала времени t3 получают одновременно величины процентного содержания пузырьков газа, образовавшихся в первой зоне A и в третьей зоне C.
Понятно, что в процессе всего трех переключений блоков контроля в ходе простой последовательности из трех этапов можно определять процентное содержание пузырьков газа, образовавшихся конкретно в каждой зоне A-D проходного сечения патрона 10 датчика, причем в ходе цикла измерения каждая из этих зон A-D, по меньшей мере, один раз принимает свое состояние измерения.
При этом следует заметить, что в данном примере цикла измерения зоны A и D принимают свое состояние измерения большее число раз, чем две другие зоны B и C (в частности, два раза против одного раза).
Кроме того цикл измерения может предпочтительно, но не обязательно, содержать, по меньшей мере, один четвертый этап верификации линейности измерений датчика.
Более конкретно, можно добавить к циклу измерения четвертый последующий интервал времени t4 за третьим интервал времени t3, в течение которого получают следующую конфигурацию:
Измерительный электрод
1
2
3
4
5
Потенциал
V0
V1
V0
V1
V0
Таким образом, в течение четвертого интервал времени t3 первые две соседние зоны A и B обе находятся в состоянии измерения.
В результате ток, вырабатываемый в блоке 53 контроля, связанном со вторым измерительным электродом патрона, который является общим электродом двух зон A и B, содержит первую составляющую, которая является представителем диэлектрической постоянной первой зоны A, и вторую составляющую, которая является представителем диэлектрической постоянной второй зоны B. Таким образом, ясно, что ток, который измеряет блок 53 контроля, позволяет определять процентное содержание пузырьков газа, образовавшихся в суммарной зоне A+B, образованной первой зоной A и второй зоной B.
Аналогичным образом ток, который измерен блоком 51 контроля, связанным с четвертым электродом 4 в этот четвертый интервал времени t4, позволяет определять процентное содержание пузырьков газа, образовавшихся в суммарной зоне C+D, образованной третьей зоной C и четвертой зоной D.
Таким же образом ток, который измерен блоком 52 контроля, связанным с третьим электродом 3, позволяет определять в течение этого четвертого интервала времени t4 процентное содержание пузырьков газа, образовавшихся в суммарной зоне B+C, образованной второй зоной B и третьей зоной C.