СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ОСАДКА В ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ ЖИДКОСТИ

Группа полезных моделей относится к электрическим устройствам контроля уровня сыпучего материала в электропроводной жидкости, в частности, к вихретоковым сигнализаторам уровня границы раздела двух электропроводных жидких сред в технологической емкости.
Например, в гидрометаллургическом производстве магния после извлечения его методом выщелачивания из мелких твердых частиц серпентинита отработанные пористые частицы этого минерала непрерывно ссыпаются по вертикальному трубопроводу, заполненному слабым раствором соляной кислоты, в накопительный резервуар с этим же раствором.
Для обеспечения своевременного начала операции выгрузки осадка отработанного серпентинита из резервуара он должен быть снабжен сигнализатором заданного верхнего уровня осадка.
Сигнализатор должен удовлетворять следующим требованиям:
- погружаемые в резервуар детали сигнализатора должны быть стойкими к агрессивной жидкости, в частности, к горячей концентрированной соляной кислоте, сливаемой через накопительный резервуар при аварии на технологической установке;
- сигнализатор должен работать при электропроводимости осадка пористых твердых частиц на 38% меньше электропроводимости жидкости над осадком;
- сигнализатор должен безошибочно срабатывать при накоплении осадка в резервуаре до заданного верхнего уровня при концентрации соляной кислоты в резервуарной жидкости в два раза больше и в два раза меньше средней (регламентной) концентрации, а также при увеличении на 15% концентрации кислоты в жидкости над осадком в конце операции загрузки резервуара;
- демонтаж и повторный монтаж чувствительных элементов датчиков сигнализатора не должен нарушать герметичность накопительного резервуара.
Известны измерительные приборы, действие которых основано на трехкратной разности электропроводимостей природной воды и грунтового осадка в ней (Силин Н.А., Пищенко Н.А., Диминский К.В., Кондаков В.Н., Стовбун И.И. Приборы для измерения параметров гидротранспортирования твердых материалов. Киев; Изд-во АН Украинской ССР, 1963, с.168-170, рис.107, 111). Эти приборы успешно используют для контроля высоты отложения грунтового осадка в трубопроводах. Прибор для измерения слоя отложения в трубе содержит четыре трехэлектродных датчика, встроенных в стенку трубы, три из которых - на боковой стенке на разной высоте от нижнего донного датчика. Все датчики подключены к мосту переменного тока, в диагональ которого включены последовательно миллиамперметр переменного тока и переключатель, позволяющий подключать его к центральному электроду любого из датчиков. При отсутствии грунтового осадка мост сбалансирован и показания миллиамперметра на любом датчике минимальные. Существенное увеличение показаний миллиамперметра на каком-то датчике означает, что на высоте этого датчика есть грунтовый осадок.
Основные недостатки этого прибора заключаются в том, что металлические электроды датчиков разрушаются в агрессивной жидкости, в частности в растворе соляной кислоты, и электродные датчики невозможно демонтировать, не нарушив герметичность трубы или иной технологической емкости, в которой они размещены. Указанные недостатки свидетельствуют о том, что этот прибор не приспособлен для работы в накопительном резервуаре, заполненном раствором соляной кислоты.
Более совершенен бесконтактный индуктивный (вихретоковый) датчик для обнаружения поверхности раздела двух электропроводных жидких сред, в частности расплавленного металла и шлака по заявке Франции №2238920, МПК G01F 23/26, В23К 9/18, B22D 11/00, 1975 г. Этот датчик принят в качестве прототипа.
Преимущества этого датчика перед электродным состоят в его индуктивном или, другими словами, вихретоковом способе определения разницы электропроводимости двух смежных жидких сред и в торцовой форме корпуса, обеспечивающей высокую точность измерения уровня жидкого металла под слоем шлака.
Датчик-прототип содержит разомкнутую магнитную систему с Ш-образной формой магнитопровода (из двух магнитопроводов U-типа), на среднем стержне которого размещена рабочая обмотка, а на двух крайних - две одинаковых измерительных обмотки. Магнитная система установлена концами трех стержней вперед на плоское немагнитное дно стаканообразного корпуса, помещенного с зазором в другой (дополнительный) корпус тоже с немагнитным дном. В зазоре между корпусами циркулирует хладоагент. Датчик помещен и надежно загерметизирован в сквозном отверстии в боковой стенке плавильной печи на заданном уровне, причем все обмотки магнитной системы выставлены на одной вертикали друг над другом. Способ крепления и конструкция датчика позволяют при необходимости выполнять демонтаж и повторный монтаж внутреннего корпуса с магнитной системой без демонтажа наружного корпуса, т.е. без разгерметизации отверстия в стенке плавильной печи.
Измерительные обмотки по индуцируемому в них напряжению соединены друг с другом встречно, при отсутствии около дна корпуса жидкого металла магнитный поток среднего стержня магнитопровода разделяется на два равных потока в каждом крайнем стержне и напряжения на выводах каждой измерительной обмотки тоже одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе, а суммарное выходное напряжение датчика равно нулю. Максимальное выходное напряжение получается тогда, когда поверхность раздела металла и шлака находится на уровне середины рабочей обмотки магнитной системы. Максимальное выходное напряжение датчика является сигналом о достижении металлом заданного уровня.
Основной недостаток датчика - прототипа состоит в его низкой чувствительности к удельной электрической проводимости жидкости из-за чрезвычайно малого коэффициента потокосцепления между нижней (также и верхней) измерительной обмоткой и контролируемой жидкостью, вихревые токи в которой оказались в таком датчике (торцевого вида) за пределами магнитопровода магнитной системы. Этот недостаток не повлиял на успешное использование датчика на плавильной печи только благодаря очень большой проводимости расплавленного металла-около трех миллионов Сименс на метр (См/м) и малой проводимости расплавленного шлака (не более 10000 См/м). Удельная электрическая проводимость раствора соляной кислоты при концентрации 12 г/л всего 15 См/м, т.е. в двести тысяч раз меньше, чем у металла, и обнаружить датчиком - прототипом поверхность осадка пористых частиц в растворе кислоты скорее всего невозможно.
Другие недостатки датчика - прототипа заключаются в близости (по высоте размещения) измерительных обмоток, из-за чего может получиться потеря сигнала о большом уровне металла, когда он поднимется выше верхней (фактически, компенсационной) измерительной обмотки, и тогда выходное напряжение датчика окажется повторно равным нулю. И последний недостаток датчика - большой наружный диаметр корпуса вследствие Ш-образной формы магнитопровода и трех обмоток на его стержнях по сравнению с датчиком с однообмоточным стержневым чувствительным элементом.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение перечисленных недостатков.
Изучение конструкции и работы накопительного резервуара на экспериментальной установке выщелачивания магния из серпентинита, определения концентрации кислоты в резервуаре и измерения электропроводимости раствора и осадка, а также испытания вариантов опытных образцов сигнализаторов позволило авторам реализовать цель полезной модели - создать сигнализатор новой конструкции: безошибочно срабатывающий при разной концентрации реагентного вещества в растворе (от 12 до 48 г/л соляной кислоты).
Предлагаемый для экспертизы сигнализатор, как и прототип, содержит вихретоковый (индуктивный) измерительный датчик, размещенный на заданном уровне раздела осадка и жидкости, и известный измеритель разности токов (или напряжений), а также компенсационный вихретоковый датчик, установленный выше измерительного.
Новый технический результат достигается (в первом варианте, по первому пункту формулы полезной модели) за счет того, что он снабжен индикатором знаков разности токов (или напряжений), и чувствительные элементы датчиков вставлены в пустотелые цилиндрические корпуса (гильзы) из диэлектрического материала, стойкого в соляной кислоте, герметично закрепленные на стенке резервуара, а наружный диаметр корпуса компенсационного датчика больше диаметра корпуса измерительного датчика в 1,1-1,5 раза.
Во втором варианте, по второму пункту формулы полезной модели, этот же технический результат достигается за счет того, что коэффициент преобразования электропроводимости в выходной сигнал у компенсационного датчика на 10-40% меньше, чем у измерительного датчика при одинаковых наружных диаметрах корпусов, закрепленных на стенке резервуара.
Заявляемая полезная модель соответствует критериям патентоспособности: обладает новизной, так как из уровня техники заявителем не выявлено техническое решение, характеризуемое такой же совокупностью признаков, и промышленно применима, так как сигнализатор и все его признаки выполнимы и воспроизводимы. Ничто в предлагаемом техническом решении не противоречит и не мешает использованию его в промышленном производстве с достижением ожидаемого технического результата. Доказательство тому - нижеприведенное описание конструктивного выполнения сигнализатора и его работы.
На прилагаемом к описанию полезной модели рисунке представлен вариант выполнения заявляемого технического решения. Сигнализатор уровня осадка диэлектрических частиц в накопительном резервуаре с электропроводной жидкостью содержит измерительный 1 и компенсационный 2 вихретоковые (индуктивные) датчики, измеритель 3 разности токов (или напряжений) и индикатор 4 знаков «плюс» и «минуса разности токов. Часть корпуса датчиков 1 и 2, в которой размещен их чувствительный элемент - цилиндрическая катушка индуктивности с размещенным в ней стержневым магнитопроводом 5 - выполнена в виде заглушенной на конце тонкостенной трубки 6 из диэлектрического материала. Эта часть корпуса датчиков 1 и 2 снабжена дополнительным диэлектрическим корпусом, соответственно, 7 и 8 в виде заглушенной на одном конце цилиндрической гильзы. Наружный диаметр дополнительного корпуса 7 компенсационного 2 датчика больше, чем измерительного 1. Разница наружных диаметров дополнительных корпусов 7 и 8 должна быть в пределах 1,1-1,5 раза.
Дополнительный корпус 7 измерительного датчика 1 герметично закреплен, например, фланцем 9 в сквозном отверстии на стенке резервуара так, что центр его чувствительного элемента 5 находится на заданном уровне осадка.
Так же закреплен на стенке (или на крышке) резервуара компенсационный датчик 2, но центр его чувствительного элемента 5 размещен существенно выше, чем у измерительного 1, по крайней мере на столько, чтобы поверхность осадка при нормальных операциях загрузки и выгрузки осадка никогда не доходила до его дополнительного корпуса 8. Датчики 1 и 2 могут легко извлекаться из дополнительных корпусов 7 и 8. Это возможно, например, благодаря резьбе в отверстиях фланцев, закрепляющих корпуса 7 и 8 на стенке резервуара, и такой же резьбе на основных корпусах 6 датчиков 1 и 2 и контргайках 10 на них. Таким образом, накопительный резервуар может быть выполнен (изготовлен) сразу с двумя гильзами (карманами) 7 и 8 для установки в них датчиков 1 и 2. При этом гильзы будут выполнять роль корпусов 7 и 8.
В противоположных от чувствительного элемента 5 конце корпуса 6 обоих датчиков 1 и 2 размещены электронные измерительные преобразователи, выходные сигналы которых прямо пропорциональны удельной электрической проводимости жидкости, окружающей дополнительные корпуса 7 и 8 датчиков.
Наружный диаметр дополнительного корпуса 7 компенсационного датчика 2 может быть вычислен по формуле:
к
из
где D и D - наружные диаметры дополнительных корпусов 8 и 7 компенсационного 2 и измерительного 1 датчиков;
ос
ж
σ и σ - удельные электрические проводимости, соответственно, осадка частиц и чистой жидкости при средних температуре и концентрации растворенных в жидкости технологических веществ.
к
и
Заявляемая полезная модель может быть реализована иначе, по второму пункту формулы, когда дополнительные корпуса 7 и 8 выполнены с одинаковым наружным диаметром, а датчики 1 и 2 выполнены с разными коэффициентами преобразования удельной электропроводимости жидкости в выходной сигнал, причем коэффициент компенсационного датчика 2 (К) на 10-40% меньше, чем у измерительного датчика 1 (К) и вычислялся по формуле:
Заявляемый сигнализатор уровня работает следующим образом. В начале операции загрузки частиц минерала в резервуар в нем находится жидкость, под воздействием которой был выгружен (вытеснен сильной струей) предыдущий осадок; концентрация и электропроводимость ее, скорее всего, минимальные. Чувствительные элементы 5 датчиков 1 и 2 индуцируют в жидкости вихревые токи вокруг наружных цилиндрических поверхностей дополнительных корпусов 7 и 8, при этом сила вихревых токов около компенсационного датчика 2 меньше в основном из-за большей длины жидкостного «проводника» вокруг большего диаметра дополнительного корпуса 8 этого датчика 2; выходные сигналы тока у датчиков 1 и 2 при отсутствии осадка тоже разные (у компенсационного датчика 2 сигнал меньше). Разность токов (ток компенсационного датчика 2 минус ток измерительного датчика 1) в этот начальный момент загрузки резервуара имеет отрицательный знак.
При загрузке резервуара частицами минерала вытесняемая ими часть жидкости выходит в приемную трубу, а концентрированная жидкость из пор частиц переходит в жидкость резервуара, поэтому концентрация ее в конце загрузки увеличивается на 15-20% и выходные сигналы датчиков 1 и 2 настолько же увеличиваются. При достижении поверхностью осадка заданного уровня - центра чувствительного элемента 5 измерительного датчика 1 - сила вихревого тока вокруг его корпуса 7 уменьшится, потому что элементарные линии тока (воображаемые) вынуждены огибать множество неэлектропроводных частиц осадка, выходной сигнал измерительного датчика 1 тоже уменьшится и разность сигналов окажется близка к нулю. При незначительном дополнительном увеличении уровня осадка отрицательный знак разности на индикаторе 4 изменится на положительный. Смена знака разности сигналов датчиков 1 и 2 - это сигнал завершения процесса загрузки резервуара.
Нулевая разность выходных сигналов датчиков 1 и 2 в заявляемой полезной модели инвариантна по отношению к электропроводимости контролируемой жидкости. Если в момент нулевой разности каким-то образом, например, от мгновенного разогрева на +60°С чистой жидкости и осадка в ней, электропроводимость жидкости увеличилась на 50%, но тогда выходные сигналы обоих датчиков 1 и 2 тоже увеличатся на 50% и нулевая разность сигналов сохранится.
При работе сигнализатора уровня по второму пункту формулы полезной модели в начальный момент загрузки осадка чувствительные элементы 5 обоих датчиков 1 и 2 находятся в чистой жидкости, но выходной ток компенсационного датчика 2 меньше, чем у измерительного 1 из-за меньшего коэффициента преобразования электропроводности. Далее работа сигнализатора уровня аналогична работе сигнализатора по пункту 1 формулы.
Применение дополнительных корпусов 7 и 8 разных диаметров на вихретоковых датчиках 1 и 2 и индикатора знаков «плюс» и «минус» разности сигналов датчиков 1 и 2 позволило исключить ошибочные «срабатывания» сигнализатора при непредвиденном уменьшении в 2 раза электропроводимости жидкости в резервуаре и в осадке пористых частиц отработанного минерала. Размещение дополнительных корпусов 7 и 8 датчиков 1 и 2 на стенке резервуара дало возможность производить монтаж и демонтаж датчиков 1 и 2 на работающей технологической установке без ее останова.
Из вышеизложенного следует, что заявляемый сигнализатор обладает существенными преимуществами перед известными сигнализаторами уровня поверхности раздела двух электропроводных жидкостей. Его преимущества заключаются в безошибочности подачи сигнала при достижении заданного уровня осадка пористых частиц и в возможности быстрой замены неисправных датчиков без остановки технологического процесса на установке.