Вибрационный измеритель плотности жидкости

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для непрерывного измерения плотности жидкости во время геолого-технологических исследований, и может быть использована в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами.
Известен датчик вибрации (RU 2646541, Кл. G01N9/00, 2018г), содержащий схему приемника, интерфейсную схему, схему возбуждения, в состав которой входят возбудитель без обратной связи, входные аналоговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор, генератор сигнала возбуждения, выходные аналоговые фильтры, вибрирующий элемент, содержащий камертонную структуру с пьезоэлектрическими кристаллическими элементами. Первый и второй пьезоэлементы расположены рядом с первым и вторым зубцами. Также в состав устройства входят усилитель измерительного сигнала вибрации, усилитель возбуждения, цифроаналоговый преобразователь, синтезатор сигнала возбуждения, цифровой сигнальный процессор, кодек. Датчик частично погружается в измеряемую текучую среду. Вибрирующий элемент включает корпус, который может быть прикреплен к трубе, трубопроводу, баку, резервуару, коллектору или любой другой структуре с текучей средой. Корпус удерживает вибрирующий элемент, в то время как вибрирующий элемент остается, по меньшей мере, частично раскрытым.
Однако известный датчик вибрации не может проводить непрерывное определение плотности бурового раствора, в пределах условной вязкости раствора до 70с. Кроме того, вибрирующие элементы камертона незащищены и могут быть повреждены во время процесса определения плотности.
Проблемой полезной модели является разработка датчика, способного проводить непрерывное определение плотности бурового раствора, с высокой вязкостью.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности при эксплуатации вибрационного измерителя плотности жидкости.
Указанная проблема и технический результат достигаются тем, что вибрационный измеритель плотности жидкости содержит камертонную структуру с пьезоэлектрическими кристаллическими элементами, связанную с блоком электроники. Согласно полезной модели блок электроники связан через составную штангу, части которой соединены между собой гибкой развязкой, с камертоном вилочной конструкции, в основании которого выполнены пазы с закрепленными в них пьезоэлектрическими кристаллическими элементами передающим и приемным, разделенных прокладкой. Камертон дополнительно снабжен охранным кожухом, охватывающим его и обеспечивающим омывание камертона жидкостью.
Охранный кожух выполнен в виде двух кольцевых элементов, соединенных между собой стержнями, разнесенными по окружностям кольцевых элементов, образующих цилиндр и закреплен на стойке, соединяющей камертон со штангой.
Для крепления измерителя к емкости или трубопроводу он дополнительно снабжен крепежным элементом, охватывающим штангу через резиновую прокладку.
В основании камертона расположен электронный термометр, определяющий температуру контролируемой жидкости.
Вибрационный измеритель выполнен во взрывозащищенном исполнении.
Выполнение пазов в основании камертона, в которых закреплены пьезоэлектрические кристаллические элементы, обеспечивают надежность их взаимодействия с ножками камертона, и предохраняет их от механических повреждений.
Выполнение охранного кожуха, который предназначен для защиты камертон от механических повреждений ножек камертона и одновременно обеспечивает свободное омывание достаточно вязкой жидкостью (буровым раствором) вибрирующего элемента позволяет проведение непрерывного измерение плотности бурового раствора без поломок хрупких и тонких ножек камертона.
Выполнение охранного кожуха в виде двух кольцевых элементов, соединенных между собой стержнями, разнесенными по окружностям кольцевых элементов, позволяет свободному проникновению бурового раствора к ножкам камертона.
Выполнение штанги составной, части которой связаны между собой гибкой развязкой обеспечивает снижение уровня внешних вибраций на камертоне, распространяющихся по штанге от точки крепления вибрационного измерителя.
Наличие крепежного элемента в виде кронштейна дает возможность надежной фиксации измерителя к емкости или трубопроводу.
Выполнение вибрационного измерителя во взрывозащищенном исполнении позволяет использование прибора во взрывоопасных зонах, к которым относится газо и нефтедобывающее оборудование.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 – представлен вибрационный измеритель плотности жидкости, общий вид; на фиг. 2 – охранный кожух; на фиг. 3 - внешний вид измерителя, в сборе; на фиг. 4 – камертон в разрезе; на фиг. 5 – установка измерительной части ВИП в емкости.
ВИП содержит составную штангу 1, части которой соединены между собой гибкой развязкой 2. На одном конце штанги 1 закреплена камертонная структура, включающая основание 3, в котором закреплен камертон 4 вилочной конструкции с ножками 5 и 6. На другом конце штанги 1 закреплен блок 7 электроники. Для крепления измерителя к емкости или трубопроводу он снабжен крепежным элементом в виде кронштейна 8, охватывающим штангу 1 через резиновую прокладку. Камертон 4 снабжен охранным кожухом 9, охватывающим его и обеспечивающим омывание камертона жидкостью. Охранный кожух 9 включает два кольцевых элемента 10 и 11, соединенных между собой стержнями 12, разнесенными по окружностям кольцевых элементов 10 и 11, образующих цилиндр и закреплен на стойке 13, соединяющей камертон 4 со штангой 1. В основании 3 камертона 4 выполнено углубление 14, в котором вклеены пьезоэлектрические кристаллические элементы передающий 15 и принимающий 16, разделенные между собой прокладкой 17, обеспечивающей исключения передачи вибрации в зоне размещения пьезоэлектрических кристаллических элементов 15 и 16, что исключает помехи при определении плотности бурового раствора. В основании 3 камертона 4 включен электронный термометр (на фиг. не показано).
ВИП предназначен для измерения плотности буровых и цементных растворов  в открытой емкости, или в трубопроводе. Буровой и цементный растворы относятся к неньютоновским жидкостям.
Принцип действия ВИП основан на определении резонансной частоты вынужденных колебаний камертона 4, опущенного в контролируемую жидкость. В камертоне 4 расположены два пьезокристалла 15 и 16, один из которых возбуждает в камертоне колебания, а другой является приемником установившихся колебаний. Также в основании 3 камертона 4 расположен электронный термометр (на фиг. не показано), позволяющий определять температуру контролируемой жидкости для пересчета результатов измерений плотности на плотность при температуре 20 °С.
Измерение плотности жидкости с использованием ВИП производится следующим образом.
Измерительная часть ВИП (штанга 1 с камертоном 4) с помощью входящего в комплект кронштейна 8 закрепляют за край емкости с контролируемой жидкостью или за элементы конструкции емкости, находящиеся над поверхностью жидкости (фиг. 5).
Выбор места установки измерительной части ВИП должен осуществляться с учетом следующих ограничений: камертон 4 всегда должен быть полностью погружен в контролируемую жидкость, расстояние от вилки камертона 4 до твердых поверхностей (стенки емкости, элементы конструкции емкости, дно, детали агрегатов и механизмов, находящиеся в жидкости, и т.д.) должно быть не менее 5 см. Если на дне или стенках емкости могут образовываться твердые или вязкие отложения, минимальное расстояние измеряется от поверхности этих отложений. Для неньютоновских жидкостей (например, буровые растворы), вязкость которых существенно зависит от скорости движения жидкости или которые склонны к «застыванию» при отсутствии движения, минимальные расстояния от камертона 4 до стенок, дна емкости и других твердых частей и элементов следует увеличить в 1,5 раза. Для вязких жидкостей камертон 4 не должен устанавливаться в местах, где отсутствует или затруднено движение жидкости (углы емкости, приямки и др.).
Блок 7 электроники ВИП формирует непрерывный электрический широкополосный специальный сигнал-шум. Этот сигнал по кабелю поступает на пьезокристалл 15, который возбуждает вынужденные механические колебания в камертоне 4. В приемном пьезокристалле 16 возникают вторичные колебания, спектральная характеристика которых зависит от свойств контролируемой жидкости, расчет их выполняется по характеризующим её параметрам. Вторичные колебания создают на выходе приемного пьезокристалла 16 электрический сигнал. Сигнал по кабелю передается в блок 7 электроники, усиливается и поступает на вход микропроцессора, который обрабатывает принятый сигнал и производит необходимые расчеты.
Учет вязкости позволяет снизить погрешность и увеличить стабильность измерений, прежде всего для жидкостей с большой вязкостью.
При достаточной амплитуде принятого сигнала от приемного пьезокристалла 16 блок 7 электроники осуществляет его спектральный анализ, определяет резонансную частоту по измеряемым параметрам. По найденным величинам вычисляют плотность контролируемой жидкости.
При расчете плотности учитывается температура жидкости и ее вязкость, функция, добротность контура и делаются соответствующие поправки для компенсации дополнительных погрешностей.
Гибкая резиновая развязка 2, соединяющая две части штанги 1, снижает уровень внешней вибрации на камертоне 4, распространяющейся по штанге 1 от точки крепления ВИП.
Охранный кожух 9 крепится к стойке 13 ВИП с помощью трех винтов и резиновой прокладки. Прокладку используют для исключения изменений настройки ВИП, влияющей на устойчивость показаний. Отсутствие прокладки может увеличить погрешность. При эксплуатации ВИП следует более тщательно выбирать место установки, чтобы избежать механического повреждения ножек 5 и 6 камертона 4.
Вибрационный измеритель плотности жидкости изготовлен ООО «НПК Геоэлектроника сервис» и испытан в ПФ Севергазгеофизика  с применением мобильной метрологической лаборатории геолого-технологических исследований. В настоящее время готовится серийная партия приборов для эксплуатации на газо и нефтедобывающих предприятиях.