УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительных устройств и может быть использовано для измерения плотности и уровня электропроводящих жидкостей в резервуарах, в частности, для контроля плотности травильных растворов металлургических производств с целью определения концентрации железа.
Известно устройство [1], действие которого основано на том, что давление Р в жидкости на расстоянии Н от ее поверхности определяется выражением:
P=ρ·g·H
где: ρ - плотность раствора;
g - ускорение свободного падения.
Давление столба жидкости измеряется косвенно, по давлению воздуха, подаваемого непрерывно в пьезометрическую трубку, погруженную в жидкость на глубину Н. Плотность жидкости определяется из известной величины В и измеренного давления Р. К недостаткам указанного устройства относится тот факт, что в момент отрыва пузырька избыточного воздуха происходит скачок давления воздуха в трубке, что приводит к увеличению погрешности результатов измерения давления. Кроме того, если уровень раствора в резервуаре меняется, то это приводит к существенным ошибкам в определении плотности.
Известно устройство для измерения уровня или плотности электропроводящей жидкости [2], в котором в пьезометрической трубке установлен электрический контакт, являющийся реперной точкой. Уровень жидкости внутри пьезометрической трубки путем изменения давления приводят к реперной точке и по величине давления определяют значение уровня жидкости в резервуаре. К недостаткам такого устройства относится то, что погрешность фиксации давления воздуха при достижении реперной точки определяется фактическим отклонением уровня жидкости внутри пьезометрической трубки от положения реперной точки. Это отклонение зависит как от электропроводимости жидкости, так и от явлений смачивания контакта жидкостью. Если устройство используется в качестве плотномера, неконтролируемое изменение уровня раствора в резервуаре также приводит к существенным ошибкам в определении плотности.
Известно устройство для измерения уровня или плотности электропроводящей жидкости в резервуарах [3]. Оно включает в себя пьезометрическую трубку с двумя
электрическими контактами, установленными на высотах, разность которых равна ΔН, а также регулятор расхода воздуха, датчик разности давлений, узел регистрации и управления. С помощью регулятора расхода воздуха уровень жидкости в пьезометрической трубке понижается до момента размыкания нижнего контакта с жидкостью, а затем повышается до момента замыкания верхнего контакта. В указанные моменты фиксируются соответствующие разности давлений в пьезометрической трубке и в резервуаре (Р1 и Р2), а уровень Н жидкости в резервуаре определяется по формуле:
Н=ΔН·Р1/(Р1-Р2)
Недостатком этого устройства является зависимость моментов срабатывания сигнализаторов уровня от электропроводимости жидкости и от явлений смачивания контактов жидкостью. Когда устройство используется в качестве плотномера, то изменение уровня раствора в резервуаре за время, разделяющее моменты измерения величин Р1 и Р2, также приводит к ошибкам в определение плотности. В частности, к подобным ошибкам приводят гидродинамические возмущения жидкости в пьезометрической трубке в случае наличия волн на поверхности жидкости в резервуаре.
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения плотности жидкости [4], в состав которого входят две пьезометрические трубки, концы которых погружены в жидкость на различную глубину, узел подготовки воздуха, датчик дифференциального давления, датчик температуры и блок обработки информации. В каждую пьезометрическую трубку подают воздух. По измеренной разности давлений ΔР в трубках, исходя из разности ΔН глубин погружения определяют величину плотности ρ контролируемой жидкости для конкретной температуры:
ρ=ΔР/(g·ΔН)
Из величин плотности и температуры жидкости в случае применения устройства для контроля травильных растворов определяют приближенно концентрацию железа в растворе. Более точное определение концентрации железа возможно с учетом влияния кислоты по величине удельной электрической проводимости раствора.
Недостатком этого устройства является то, что в момент отрыва пузырька избыточного воздуха в пьезометрической трубке происходит скачок давления воздуха. Этот процесс для каждой трубки независим, что вызывает пульсации разности давлений воздуха в пьезометрических трубках и увеличение погрешности измерений указанной разности. Соответственно, увеличивается погрешность определения плотности жидкости. Кроме того, при применении устройства для точного контроля концентрации железа в травильном растворе его необходимо дополнить устройством, измеряющим удельную электрическую проводимость раствора.
Решение задачи повышения точности измерений плотности жидкости и расширение функциональных возможностей устройства обеспечивается тем, что внутри каждой пьезометрической трубки размещается бесконтактный высокочастотный кондуктометрический датчик в диэлектрическом герметичном пенале, при этом указанные датчики размещаются на различной высоте, а два их выхода соединяются со входами блока обработки информации. Пьезометрические трубки выполняются одинаковой длины и погружены в жидкость на одинаковую глубину, их внутренние полости и отверстия в нижней части геометрически идентичны, при этом одинаковые по форме диэлектрические пеналы кондуктометрических датчиков размещаются внутри пьезометрических трубок идентичным образом.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения плотности жидкости. В его состав входят: пьезометрические трубки 1 и 2, установленные в резервуаре 3 с электропроводящей жидкостью, идентичные кондуктометрические датчики 4 и 5, заключенные в диэлектрические пеналы 6 и 7, датчик температуры 8, датчик дифференциального давления 9, узел подготовки воздуха 10, который включает в себя регуляторы давления 11 и 12, и блок обработки информации 13. Пьезометрические трубки 1 и 2 - одинаковой длины и погружены в жидкость на одинаковую глубину, их внутренние полости и отверстия в нижней части геометрически идентичны. Диэлектрические пеналы 6 и 7 кондуктометрических датчиков 4 и 5 - одинакового размера и размещаются внутри пьезометрических трубок идентичным образом. Собственно кондуктометрические датчики размещены в пеналах на различной высоте, при этом разность высот равна ΔН.
Чувствительный элемент кондуктометрического датчика 4 или 5 представляет собой высокочастотную катушку, намотанную на ферритовом стержне. Выходной сигнал датчика 4 или 5 пропорционален величине активных потерь катушки. Последние, в свою очередь, пропорциональны удельной электрической проводимости контролируемой жидкости и глубине погружения в жидкость указанной катушки, герметизированной с помощью диэлектрического пенала 6 или 7.
Выходы кондуктометрических датчиков 4 и 5, датчика температуры 8 и датчика дифференциального давления 9 подключены к соответствующим входам блока обработки информации 13, снабженного цифровым индикатором и последовательным портом, который может служить для обмена информацией с внешними устройствами. Входы регуляторов давления 11 и 12 присоединены к управляющим выходам блока обработки информации 13.
Устройство работает следующим образом. В начале измерительного цикла на выходах регуляторов давления 11 и 12 отсутствует избыточное давление воздуха. Жидкость заполняет пьезометрические трубки 1 и 2 до уровня, на котором находится ее свободная поверхность в резервуаре 3. В этих условиях, исходя из величины сигнала полностью погруженного в жидкость кондуктометрического датчика 5, в блоке обработки информации 13 определяется и запоминается величина удельной электрической проводимости жидкости. Затем на управляющих выходах блока 13 формируются сигналы, обуславливающие увеличение давления воздуха на пневматических выходах регуляторов давления 9 и 10. Жидкость начинает вытесняться из пьезометрических трубок 1 и 2. Вследствие этого каждый из кондуктометрических датчиков независимо друг от друга постепенно освобождается от жидкости. По величине уменьшающихся выходных сигналов датчиков 4 и 5 с учетом определенной ранее величины удельной электрической проводимости жидкости в блоке обработки информации 13 непрерывно вычисляются соответствующие уровни жидкости X1 и Х2 относительно нижних торцов датчиков 4 и 5. Как только уровень X1 достигает заданного значения, по команде блока обработки информации 13 изменение давления на выходе регулятора 11 прекращается. Аналогичным образом фиксируется давление на выходе регулятора 12 по заданному уровню Х2.
факт
В действительности уровни X1 и Х2 после фиксации давлений в пьезометрических трубках 1 и 2 не будут строго постоянными и равными заданным значениям. На них влияют флюктуации уровня жидкости в резервуаре 3, гидравлические возмущения в жидкости, связанные с особенностями технологического процесса. Однако, благодаря идентичности внутренней полости пьезометрических трубок 1 и 2, их одинаковой глубине погружения флюктуации уровней X1 и Х2 будут синхронными и практически одинаковыми по величине. В указанных условиях, полученных за счет конструкции предложенного устройства, погрешность определения плотности существенно снижается за счет использования безинерционного измерения уровней X1 и Х2, что позволяет определить фактическую высоту столба контролируемой жидкости ΔH в любой момент времени как:
факт
ΔН=ΔН+Х1-Х2.
Как следует из указанной формулы, флюктуации уровней X1 и Х2 взаимно компенсируются за счет вычитания. Соответственно, значение плотности вычисляется по формуле:
ρ=ΔР/[g·(ΔН+X1-Х2)]
При этом производится осреднение величины ρ по некоторому массиву последовательно полученных отсчетов, каждый из которых определяется исходя из одновременно измеренных величин ΔР, X1, Х2.
После определения среднего значения плотности ρ жидкости, которая находится внутри пьезометрических трубок 1 и 2, по сигналам блока обработки информации 13 с помощью регуляторов давления 11 и 12 в трубки 1 и 2 подается воздух в количестве, достаточном для полного вытеснения из них жидкости. Затем на выходах регуляторов давления 11 и 12 избыточное давление воздуха устанавливается равным нулю, пьезометрические трубки 1 и 2 заполняются контролируемой жидкостью, начинается очередной измерительный цикл. Если уровень жидкости в резервуаре 3 находится ниже верхнего кондуктометрического датчика 4, в начале измерительного цикла на выходах регуляторов давления 11 и 12 устанавливают разрежение, которое обеспечивает подъем раствора в пьезометрических трубках 1 и 2 на высоту, достаточную для погружения в раствор верхнего кондуктометрического датчика 4. С этой целью в качестве регуляторов давления 11 и 12 применяют устройства, на пневматических выходах которых можно устанавливать как избыточное давление воздуха, так и разрежение.
Предлагаемое устройство обеспечивает значительно меньшую погрешность определения плотности жидкости по сравнению с прототипом и аналогами при наличии волнения свободной поверхности жидкости или при воздействии гидравлических возмущений, связанных, например, с перемещением металлических изделий в ванне с травильным раствором, плотность которого контролируется. Помимо определения плотности жидкости, в блоке обработки информации 11 предлагаемого устройства определяется также удельная электрическая проводимость жидкости, что в случае контроля концентрации железа позволяет существенно повысить точность определения последней за счет учета количества кислоты в травильном растворе.
Литература.
1. М.В.Кулаков. Технологические измерения и приборы для химических производств. М., 1983 г.
2. А.с. СССР №573719, кл. G01F 23/16, приоритет 13.04.73, бюл. №35, 18.10.77
3. А.с. №1278594.
4. Промышленный концентратомер плавиковой кислоты. Современные технологии автоматизации, №1, 2000 г, стр.62-64