Устройство для измерения плотности жидкости
DEVICE FOR MEASURING THE DENSITY OF A LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкостей и может быть использовано в химической, нефтехимической и других видах промышленности, в том числе при анализе растворов кислот.
Известно устройство поплавкового типа для измерения плотности жидкостей (Кивилис С.С. Плотномеры. - Москва: Энергия, 1980 - 279 с.). Например, электромагнитный плотномер содержит измерительный сосуд с измеряемой жидкой средой и размещенный внутри сосуда поплавок с установленным в нем постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле соленоида. Датчик положения поплавка выполнен в виде индукционной катушки. Значение плотности определяется током соленоида в момент равновесия поплавка относительно «нулевой отметки». Недостатком данного устройства является погрешность измерения за счет смещения поплавка относительно нулевой точки отсчета.
Известно устройство, реализующее измерения плотности с возможностью погружения поплавка со встроенным в него постоянным магнитом в жидкость [RU №2277705, G01N 9/12, опубл. 27.09.2005]. Электромагнитный плотномер содержит измерительный сосуд с измеряемой жидкой средой и размещенный внутри сосуда поплавок с установленным в нем постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле соленоида. Электромагнитом в зоне размещения постоянного магнита поплавка создается магнитное поле с вертикальной ориентацией магнитных силовых линий с регулированием силового взаимодействия этого поля с полем постоянного магнита поплавка. Так регулируется плавучесть последнего в измеряемой жидкой среде, а положение поплавка изменяется из фиксированного верхнего в фиксированное нижнее положение или наоборот.
Недостатком данного устройства является наличие дополнительных погрешностей, поскольку магнитная проницаемость магнитопровода зависит от температуры, существенно увеличивая его индуктивность и накопленную в нем энергию, что затрудняет или делает невозможным использование данного устройства во взрывозащищенном исполнении, например для измерения плотности нефтепродуктов.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является плотномер для измерения плотности жидкой среды [RU №2652647, G01N 9/00 (2006.01), опубл. 22.02.2018], содержащий корпус с измерительной полостью, поплавок со встроенным постоянным магнитом в данной полости, электрический датчик положения поплавка, соединенный с блоком вычисления плотности, электромагнит, соединенный с источником питания электромагнита. Магнитное поле создают электромагнитом без магнитопровода ступенчатым источником тока питания электромагнита, имеющим электрическую связь с блоком вычисления плотности, в корпусе плотномера установлены датчики температуры и вертикальности, соединенные с вычислителем плотности, постоянный магнит расположен в нижней части поплавка, корпус устройства перфорирован и подвешен вертикально на гибкой связи, проходящей через ось симметрии корпуса и поплавка.
Недостатком данного устройства является высокая погрешность измерения веса поплавка, обусловленная зависимостью электрического тока электромагнита от магнитных свойств постоянного магнита поплавка и их взаимных положений.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании устройства для измерения плотности жидкости, в котором применяемые конструктивные элементы (связанные со стабильностью и однородностью магнитного поля, температурными свойствами материалов и их старением) обусловливают малые погрешности измерения за счет непосредственного взвешивания силометрическим элементом поплавка, находящегося в жидкости, с периодичской калибровкой силометрического элемента путем кратковременного исключения влияния веса поплавка на него.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что устройство, содержащее корпус с измерительной полостью, поплавок, электрический датчик измерения температуры, соединенный с блоком управления, электромагнит, который согласно изобретению соединен с выходом коммутатора, подключенного входом к блоку питания, второй вход коммутатора соединен с выходом блока управления, второй выход блока управления подключен к блоку интерфейсов, второй вход блока управления соединен с выходом усилителя сигнала, входом подключенного к выходу силометрического элемента, силометрический элемент одним концом неподвижно закреплен к корпусу, на другом конце подвешен поплавок через конусную опору, в верхней части которой находится пластина из ферромагнетика, расположенная с зазором между своей верхней границей и нижней границей электромагнита, соосно с ним, электромагнит своей верхней границей закреплен неподвижно к корпусу.
Уменьшение погрешности обеспечивается за счет исключения влияния свойств и взаимного расположения магнитных материалов и электромагнитных элементов на результат измерений, свойства которых зависят от температуры, их взаимного расположения и старения, а также калибровки силометрического элемента, заключающейся в периодическом исключении воздействия веса поплавка на него.
Функциональная схема предлагаемого устройства изображена на чертеже (фиг. 1). Устройство содержит корпус 1 с измерительной полостью, поплавок 2, электрический датчик измерения температуры 3, соединенный с блоком управления 4, электромагнит 5, соединенный с первым входом коммутатора 6, подключенного вторым входом к блоку питания 7. Третий вход коммутатора 6 соединен с выходом блока управления 4. Второй выход блока управления 4 подключен к блоку интерфейсов 8, который может быть представлен в виде индикатора, отображающего результаты измерений или цифрового интерфейса для передачи измеренного значения. Второй вход блока управления 4 соединен с выходом усилителя сигнала 9, входом подключенного к выходу силометрического элемента 10. Силометрический элемент 10 одним концом неподвижно закреплен к корпусу 1, на другом конце подвешен поплавок 2 через конусную опору 11, в верхней части которой находится пластина из ферромагнетика 12, расположенная с зазором между своей верхней границей и нижней границей электромагнита 5, соосно с ним. Электромагнит 5, помещенный в защитный чехол, своей верхней границей закреплен неподвижно корпусу 1. В качестве датчика температуры 3 можно использовать микросхему датчика температуры, например DS18B20, в качестве усилителя сигнала 9 – например, модуль НХ741, в качестве силометрического элемента 10 - тензодатчик, помещенный в защитный чехол, в качестве коммутатора 6 может быть использован реле или полевой транзистор.
Устройство для измерения плотности жидких сред работает следующим образом. Первоначально происходит калибровка силометрического элемента 10. Для этого с блока управления 4 подается сигнал на коммутатор 6, который соединяет блок питания 7 с электромагнитом 5, обеспечивая ток через него и, соответственно, магнитное поле в осевом направлении. Магнитное поле, взаимодействуя с ферромагнитной пластиной 12, притягивает поплавок 2 к нижней границе электромагнита 5, тем самым освобождая силометрический элемент 10 от веса поплавка 2. Сигнал с силометрического элемента 10 передается в блок управления 4, где преобразуется в значение измеренного веса:
где:
1
P - значение измеренного веса без учета веса поплавка, к - коэффициент пропорциональности силометрического элемента,
0
D - начальная деформация, обусловленная собственным состоянием силометрического элемента и состоянием защитных элементов,
0
Р - смещение сигнала, вызванное, к примеру, остаточной деформацией чехла силометрического элемента.
Затем с блока управления 4 подается сигнал на коммутатор 6, который отключает электромагнит 5 от блока питания 7, в результате чего исчезает магнитное поле, притягивающее ферромагнитную пластину 12. Поплавок 2 опускается и воздействует через конусную опору 11 на силометрический элемент 10. Сигнал с силометрического элемента 10 передается в блок управления 4, где преобразуется в значение измеренного веса:
где:
2
Р - значение измеренного веса с учетом веса поплавка,
р
Р - вес поплавка в жидкой среде.
1
2
Далее определяется разница между полученными значениями веса Р и Р:
где:
1
Р - значение измеренного веса без учета веса поплавка,
2
Р - значение измеренного веса с учетом веса поплавка.
Вычисляется плотность:
где:
r - значение плотности,
ν - известный объем поплавка.
Для вычисления плотности при фиксированной температуре используется датчик температуры 4, сигнал с которого поступает на блок управления 5. При этом используется зависимость:
где:
t - температура контролируемой среды,
α - температурный поправочный коэффициент для измеряемой жидкости, Блок управления 4 передает результат в блок интерфейсов 8, который отображает значение плотности на индикаторе и передает по цифровому интерфейсу.
Таким образом, устройство для измерения плотности жидких сред позволяет уменьшить погрешность измерений за счет исключения влияния магнитных материалов на результат измерений, а также калибровки силометрического элемента, заключающейся в периодическом исключении воздействия веса поплавка на него, соответствует вопросам химической промышленности, что в совокупности дает возможность использования данного устройства для осуществления непрерывного контроля плотности жидкостей, в том числе химически агрессивных, например растворов кислот.