SE500027C2 - Mätanordning, inrättad att bestämma den vertikala fördelningen av ett eller flera medier - Google Patents

Description

Det föreligger även olika sensorsystem, baserade på skillnaden i termisk ledningsförmåga i vätskor. Exempelvis kan nämnas NO 133 517 där det med hjälp av ett långstråckt termoelement registreras en temperaturskillnad på insidan av ett rör, varvid den varma sidan av elementet även har ter- misk förbindelse med ett elektriskt värmeelement. Temperatur- skillnaden över ett visst avstånd i rörets längdriktning och vätskan omkring detta bestämmer signalnivån.

Av andra system som används för mätning av vätskenivåer kan nämnas GB-A 2 134 260, US 2 702 476, US 3 280 627 och DE-A 1 959 041. Gemensamt för dessa är att det icke är möj- ligt att registrera små ändringar i termiska egenskaper med tillräckligt hög upplösning.

Genom uppfinningen uppnås en mätanordning med hög upp- lösning, som är i stånd till att skilja med god kontrast mellan små variationer i det omgivande mätmediets termiska egenskaper. Detta kan i princip uppnås utan tillförsel av elektrisk energi, vilket är av stor betydelse för användning i explosiva miljöer. Mätanordningen baserar sig på mate- rialets olika termodynamiska egenskaper. Vid ändamålsenlig sammansättning av komponenter och material med tanke på termisk ledning och kapacitet uppnås den önskade mäteffekten. Ändring i sensorernas signalrespons är ett uttryck för det medium som omsluter den.

Den inledningsvis nämnda mätanordningen känntecknas enligt uppfiningen av att pa de termiska ledarelementen är längs ytter- och innerdelen växelvis anbragt temperatur- sensorelement, som är elektriskt kopplade i serie för mät- ning av den termiska transporten mellan det gemensamma ter- miska referenselementet och sensorytorna med avseende på storlek och riktning, och att en signalprocessor är inrättad att omvandla de därvid alstrade mätsignalerna till en indi- kation på mätmediets position och eventuella ändring i ter- miska egenskaper.

Ytterligare kännetecknas på mätanordningen framgår av de efterföljande patentkraven och beskrivningen med hänvisning till bifogade ritningar. 3 A 500 027 Sensoranordningen är 1 huvuddrag uppbyggd omkring en långsträckt och god värmeledare, som på grund av materialval och utformning, företrädesvis som en hålkropp, håller tempe- raturen konstant över hela sin utsträckning och därvid bildar ett termiskt referenselement, varifrån det huvudsakligen ut- går ledarelement, som bildar en termisk förbindelse mellan referenselementet och en avgränsning mot mätmediet. Av- gransningen är företrädesvis utformad som en tunnväggig plattliknande anordning av ett material med stort termiskt motstånd. Genom att registrera temperaturskillnaden på de enskilda ledarelementen uppkommer ett uttryck för värme- transport den ena eller andra vägen mellan referenselementet och avgränsningen mot mätmediet. På grund av dåliga värme- ledningsegenskaper i nämnda platta uppnås lokala termiskt inbördes isolerande kontaktytor.

Referenselementet fungerar som en temperaturomvandlare, som genomströmmas av vätska eller gas för etablering av en referenstemperatur. Systemet arbetar i huvuddrag efter föl- jande två principer.

I) Referenstemperaturen hålles på en konstant nivå, som i princip kan vara högre/lägre än mätmediet. Det kan också vara ändamålsenligt att referenstemperaturen är lika med en av komponenterna i ett sammansatt mätmedium, exempelvis så att gasen 1 en processbehållare strömmar genom referens- elementet.

IIJ Matmediets sammansättning med hänsyn till termisk kapa- citet är medbestämmande i den tidskonstant som kan regist- reras vid språngvis ändring av referenstemperaturen. Detta är möjligt vid växelvis ändring av det genomströmmande mediet, som har olika temperaturnivåer.

Vid den språngvisa ändringen av det genomströmmande mediets temperatur registreras temperaturskillnaden på de enskilda ledarelementen. Temperaturskillnaden ändrar sig efter en exponentialfunktion, där tidskonstanten ut- göres av ett sammansatt värde av fasta och variabla tempe- raturledare och kapaciteter, där de fasta representeras av anordningen och de variabla av mätmediet. 500 027 Ett praktiskt utförande av anordningen, som inte ar en begränsning, är exempelvis en koaxialstruktur, där refe- renselementet består av ett centralt anordnat massivt rör av ett material med god termisk ledningsförmåga.

Ett yttre tunnväggigt rör av ett material med dålig termisk ledningsförmåga är termiskt förbundet med det inre med hjälp av ledarelementen, som i huvudsak har en koncent- risk utsträckning mellan de inre och yttre rören, utformad som större eller mindre sektorer. Dessa har åter en för- delning i rörens längdriktning motsvarande den för systemet önskade upplösningen.

Temperatursensorer är anbragta nära elementens kontakt- punkter med de inre och yttre rören. Företrädesvis är de ut- formade som differentialtemperatursensorer i form av termo- stapel.

På ritningarna visar fig 1 ett utförande av anordningen integrerad i en del av behållaren, fig. 2 ett ändamålsenligt utförande i form av en full- ständigt innesluten sensorenhet, fig. 2A en industriell modifiering av densamma, fig. 3A-30 exempel på ledarelement försedda med dif- ferentialtemperatursensorelement i form av en termostapel, fig. 4 en typisk användning i en separationsprocess, fig. 5 ett exempel på uppställning, som visar signal- förloppet i förhållande till det angränsande mätmediets position i förhållande till anordningen, fig. SA en signalpresentation av värmetransport som en funktion av olika mätmediers positioner, fig. 6 ett förenklat ekvivalent schema över de termiska storheter som ingår i mätprocessen för anordningen och fig. 6A signalförloppet som ett resultat av en ändring mellan två temperaturnivåer på referenselementet.

I fig 1 visas en enkel utföringsform, där sensordelen är skild från mätmediet med en skiljevägg 1, som med fördel kan vara en del av en behållare. Ett massivt termiskt refe- renselement 2 av gott termiskt ledande material, exempelvis 10 15 20 25 30 35 500 027 s koppar, har en god termisk förbindelse genom ledarelementet 3 med skilda sensorytor 9 på skiljeväggen 1, som på grund av dåliga termodynamiska värmeledningsegenskaper i hög grad för- hindrar temperaturutjämning längs ytan mellan kontaktpunkt- erna, och sensorytorna 9 kan således betraktas som termiskt transparenta. Därigenom upprättas individuella termiskt iso- lerade kontaktytor mot mätmedierna 7, 7.1 och 7,2.

Referenselementet 2 kan med fördel utformas som en långsträckt hålkropp. Detta möjliggör ändringar av referens- elementets temperatur, exempelvis genom genomströmning av vätska eller gas. En ändamålsenlig utforming av referens- elementet kan med hjälp av känd teknik utformas så, att det genomströmmande mediet har en strömningsmässig fördelning på insidan av referenselementet för minimering av temperaturgra- dienten i referenselementets längdriktning till följd av ter- misk ledning. Vidare kan det vara lämpligt att anbringa ter- miska sensorer för registrering av temperaturgradienter längs referenselementets utsträckning. Därvid är det möjligt att kontrollera den termiska transporten mellan referenselemen- tet 2 och mätmediet 7 via ledarelementen 3. Mängd och rikt- ning av den termiska transporten registreras med hjälp av temperaturskillnaden mellna ledarelementens 3 kontaktpunkter 3.1 och referenspunkten 9.1 (se fig. 3A) på skiljeväggen 1.

Detta registreras med fördel via ett differentialtemperatur- element 4, som med fördel är utfört som en termostapel av ett antal seriekopplade termoelement, som är lämpligt fördelade på ledarelementet.

Temperatursensorelementets slutpunkter 5 och 6 ledes samlat i en kabel 8 till en signalprocessor.

Fig. 2 visar sensorn utformad som en koaxialstruk- tur med referenselement 2 i form av en ihålig kropp med god termisk ledningsförmåga, exempelvis av koppar, och en yttre omslutande skiljevägg 1 av ett'material med ytterst dåliga värmeledningsegenskaper, t.ex. tunn syrafast stålplåt.

Den termiska kopplingen mellan referenselementet 2 och den utvändiga skiljeväggen 1 sker med hjälp av företrä- desvis cirkulära värmeledare 3. Med avsikt att uppnå speci- ella mättekniska effekter kan det vara lämpligt att värme- 10 15 20 25 30 35 500 027 ledarna är utformade i större eller mindre sektorer, förde- lade längs insidan av skiljeväggen 1 såväl sektorvis som på inbördes avstånd i anordningens längdriktning. Detta möjlig- gör b1.a. en riktningsbestämning av det förbiströmmande mät- mediet. Hålrummet kan vara fyllt med gas, ventilerat mfit atmosfären eller fyllt med ett material med låg termisk kapa- citet och dålig ledningsförmåga. Detta förhindrar i huvudsak inträngning av ämnen som på ett negativt sätt kan påverka den termiska balansen och/eller ha annan olämplig effekt på sensorsystemet. Dessutom kan en fyllning av hålrummet 10 ha vissa lämpliga mekaniska och elektriska egenskaper.

Fig. 3A och B visar exempel på utföranden av ledar- elementet 3. Fig. 3A visar ett exempel på en utföringsform av ledarelementet, som bildar den termiska förbindelsen mellan den med referenselementet 2 kontaktbildande kontaktpunkten 3.1. och kontaktytan 9.1, som har god termisk kontakt med skiljeväggen 1, som skiljer hela mätsystemet från mätmedi- erna.

Det temperaturavkännande elementet 4 kan vara upp- byggt av en termostapel i form av växelvis koppar 4.1 och konstantan 4.2 hopfogade i ändarna och med god termisk kon- takt med ledarelementets kontaktpunkter 3.1 och 9.1. Via slutpunkterna 5 ochéiöverföres termospänningen till signal- processorn.

Fig. 3B visar ett exempel på ledarelementet 3' i förbindelse med ett koaxialutförande för anordningen, där den med referenselementet 2 kontaktbildande kontaktpunkten 3.7 kan vara anordnad i centrum av ett skivformigt ledarelement framställt av kopparplåt med en kontaktyta 3.2 som är ter- miskt förbunden med insidan av en rörformig skiljevägg 1.

Fig. 3C visar ett exempel där ledarelementet är indelat i sektorer 3.4, 3.5 och 3.6 för registrering av strömningsprofilen till riktning och storlek.

Fig. 4 visar ett exempel på användning av anord- ningen i ett separationssystem för övervakning av olika in- bördes positioner hos mätmedierna, som i exemplet kan vara gas 7, olja 7.1, vatten 7.2 och skumbildningar 7.3. De olika mätmedierna har olika termodynamiska egenskaper och bildar om- 7 500 027 slutande kontakt med sensorsystemets yta 1 i åtskilda sensor- ytor 9. I dessa sker med hjälp av respektive ledarelement en termisk transport till eller från referenselementet 2, som bildar en konstant temperaturreferens med hjälp av cir- kulation av en gas eller en vätska, som håller en konstant temperatur i referenselementet. Detta sker genom en cirkula- tion genom in- och utloppen 2.1 och 2.2.

Under speciella förhållanden kan det vara lämpligt att använda mätmediet eller en viss del av detta som termisk referens genom att den delen cirkulerar genom (genomströmmar) referenselementet, exempelvis i förbindelse med en separator, där gasen föres genom referenselementet. Alternativt kan såväl olja som vatten frän separatorn användas till upprätt- hållande av referenstemperatur. Av praktiska skäl kan det vid vissa tillfällen vara lämpligt att det användes en form av värmeväxlare för att undgå direkt kontakt mellan referens- elementet och mätmediet. .

Separatorenheten har skilda in- och utlopp for de olika fraktionerna av mätmediet. som via ventiler kan styras pa grundval av information från det här beskrivna sensorsystemet.

Pig. 5 visar förenklat en sensoranordning, där det åstad- kommes en temperaturskillnad mellan referenselementet 2 och skiljeväggen 1 mot mätmedierna 7.1 och 7.2. Temperaturskill- naden över de enskilda ledarelementen 3 representeras av olika nivåer av värmetransport. I exemplet visas detta fran referenselementet och till mätmediet mätt genom skiljeväg- gen 1.

De olika potentialskillnaderna som är mätbara över slutpunkterna 5 och 6 pa respektive ledarelement 3, när systemet användes enligt alternativ I, framgår av diagrammet i fig SA som horisontella balkar 20 som en funktion av ter- misk transport mellan referenselementet och i huvudsak mät- mediet i respektive positioner.

Signalerna överföres via en kabel 8 till signalproces- sorn 12. Mätmediernas position och skillnad i termodynamiska egenskaper kan följaktligen framställas visuellt på visaren- heten 13. Utgången 14 överför information till processtyr- 500 027 ning, alarmgransgivare och eventuellt annan form av signal- kommunikation.

Styrning av omkopplaren 11 sker via ledningen 15. I det visade exemplet är det möjligt att växla mellan två genom- strömningsmedier med olika temperaturer för etablering av temperaturskillnaden 2.

In- och utlopp 2.1 och 2.2 är anordnade för genomström- ningsmediet med temperaturen T1 och in- och utlopp 2.3 och 2.4 för genomströmningsmediet med temperaturen T2. En snabb växling mellan de två skilda temperaturerna kommer att i tillägg till en mera statisk form, alternativ I för regist- rering av värmetransport, möjliggöra inhämtning av informa- tion som en funktion av mätmediets tidskonstant, dvs en sammansatt bild av såväl termisk kapacitet som lednings- förmåga, såsom den framgår i alternativ II.

Fig. 6 visar ett enkelt termiskt ekvivalent schema, där T1 och T2 representerar tva skilda strömningsmedier med olika temperaturer. Den termiska ledningsförmågan till och genom referenselementet 2 visas som en termisk ledningsför- måga 100, som det är av vikt att halla så liten som möjligt med hjälp av lämpligt materialval och utförande i övrigt.

En viss termisk kapacitet representeras av kapaciteten 101.

Ledarelementet 3 är utformat att omfatta den termiska led- ningsförmägan tillsammans med den termiska strökapaciteten 103, som i huvudsak representeras av skiljeväggen 1', dvs den utvändiga skiljevägg som skiljer mätmediet från sensor- systemet.

En viss termisk läckning från sensorytan 9 represen- teras av den termiska ledningsförmágan 104 och kapaciteten 103. Mätmedierna 7 består av en variabel termisk kapacitet 105 och en ledningsförmäga 106.

I det här visade fallet är det möjligt att med hjälp av omkopplaren 11 växla mellan tva olika temperaturer pä referenselementet, vilket ger ett signalförlopp som kan av- läsas över ledarelementet 102 med hjälp av mätanordningen 107.

Signalförloppet följer en exponentialkurva, där tidskonstan- ten utgöres av de i kretsen ingående termiska kapaciteterna och ledningsförmàgorna. 9 500 027 En temperaturväxling mellan T1 och T2 frambringar ett signalförlopp. som visas 1 fig. 6A. Ändringen i den ter- miska transporten i ledarelementen följer en exponential- kurva, där tidskonstanten bestämmas av förhållandet mellan summan av termiskt motstånd och termisk kapacitet. En enkel algoritm som utföres 1 centralprocessenheten 12 består i huvudsak av att jämföra signalförloppet utan och med nar- varo av mätmediet. så att nettovärdet av mätmediets termo- dynamiska värden gör det möjligt att avläsa de skilda frak- tionernas fördelning 1 förhållande till sensoranordningen.

Claims (11)

500 027 10 15 20 25 30 10 EAIEEIKBAY

1. Mätanordning, inrättad att bestämma den vertikala fördelningen av ett eller flera medier, som har en termisk förbindelse med anordningen och där gränsskiktens positioner kan bestämmas utifrån skillnad i termiska tillstànd och egen- skaper, och omfattande ett eller flera termiska ledarelement (3), som är relaterade till ett enskilt termiskt referens- element (2) och har en i huvudsak termiskt isolerad sensor- yta (9, 9.1) med god termisk kontakt med mätmediet (7) genom en skiljevägg (1), som ger tillräcklig fysisk och termisk separering, och medel för att hålla referenselementet (2) pà en temperaturnivà skild från mätmediet, k ä n n e t e c k- n a d av att pà nämnda termiska ledarelement (3; 3') är anordnade individuella värmeströmningskänsliga element (4; 4.1, 4.2) i form av ett antal seriekopplade termoelement (4.1, 4.2), som är fördelade utmed respektive referenskon- taktyta (3.1; 3.7) mot referenselementet (2) och sensoryta (9.1; 3.2) med skiljeväggen (1), varvid termoelementen mäter den termiska transporten mellan referenskontaktytan och sensorytan pà ledarelementet (3; 3') och varvid den termoelektriska spänningen frán termoelementen är ett mått pá den termiska transporten till storlek och riktning och ger med hjälp av en signalprocessor en signalbehandling av respektive elements termospänningar en indikation (13) pà mätmediets respektive mätmediernas position och eventuella skillnad i termodynamiska egenskaper.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att de termiska ledarelementen (3'), som bildar termiskt känsliga ytelement, är uppdelade i termiskt själv- ständiga sektorer (3.4, 3.5 och 3.6) eller segment, som i huvudsak är anbragta i samma vertikala läge för bildande av en uppsättning åtskilda sensorytor för bestämning av position och strömningsriktning för det omslutande mediet. 10 15 20 25 âo 35 500 027 11

3. Anordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e- t e c k n a d av att ledarelementet eller -elementen bildar en ring, som vid sin yttre (3.2J och inre (3.7) omkrets är förbunden med skiljeväggen <1) respektive referensele- mentet (2).

4. Anordning enligt nagot av patentkraven 1 - 3, k ä n n e- t e c k n a d av att det termiska referenselementet <2) är inrättat att med hjälp av en omkopplare (11) sprángvis växla mellan tva olika temperaturer för att därvid kunna registrera mätmediets termodynamiska egenskaper.

5. S. Anordning enligt nagot av patentkraven 1 - 4, k ä n n e- av att den är utformad som en koaxialstruk- tur med det termiska referenselementet (2) centralt anordnat 3.7, 3.2; fig. 3B och 30) bildande den termiska förbindelsen mellan referenselementet (2) och t e c k n a d och ledarelementen (3“; insidan av skiljeväggen (1), som företrädesvis har en rör- formig utformning med liten termisk ledningsförmága, t.ex. av tunn plast.

6. Anordning enligt nagot av patentkraven 1 - 5, k ä n n e- t e c k n a d av att ett elektriskt värmeelement är centralt placerat i referenselementet (2) för att därvid avge den nöd- vändiga värmetransporten via ledarelementen till mätmediet.

7. Anordning enligt nagot av patentkraven 1 - 6, k ä n n e- t e c k n a d av att ledarelementen är anordnade som tre termiskt åtskilda sektorer i samma plan (fig. 30) för bild- ande av termiskt avgränsade sensorytor längs periferin av den yttre rörformiga skiljeväggen mot mätmediet.

8. Anordning enligt nagot av patenkraven 1 - 5 och 7, k ä n n e t e cvk n a d av att mätmediet eller en viss del av detta användes som termisk referens genom att detta genom- strömmar referenselementet <2).

9. Anordning enligt nagot av patentkraven 1 - S och 8, k ä n n e t e c k n a d av att referenselementet är utfor- mat som en värmeväxlare, som pà i och för sig känt sätt är sa inrättad att det inströmmande termiska mediet fördelas pa insidan av referenselementet pa ett lämpligt sätt för att hindra eller minimera temperaturgradienten(-erna) i refe- renselementets längdriktning pa grund av termisk ledning. 'son 027 10 12

10. Anordning enligt något av patentkraven 1 - 9, k ä n n e t e c k n a d av att det pà referenselementet är anbragt termiska sensorer för registrering av temperatur- gradienter längs referenselementet.

11. Anordning enligt något av patentkraven 1 - 10, med minst två ledarelement, k ä n n e t e c k n a d av att ledarelementen är anbragta inbördes åtskilda i vertikal riktning pà olika nivåer för registrering av mätmediet på dessa nivàer.