УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах управления технологическими процессами, в частности, для измерения плотности и уровня жидких сред, в том числе буровых и цементных растворов в емкостях при их перемешивании.
Известно устройство для измерения плотности жидких сред, например буровых и цементных растворов, содержащее источник сжатого воздуха, две вертикально установленные в емкости с контролируемой жидкостью пьезометрические трубки, одни концы которых погружены в жидкость на различную глубину, и преобразователь разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал (SU №1374097, G01N 9/26, 1988).
Недостатком устройства является сложность конструкции и его настройки.
Также известно устройство для измерения плотности жидких сред, содержащее источник сжатого воздуха, две вертикально установленные в емкости с контролируемой жидкостью пьезометрические трубки, одни концы которых погружены в жидкость на различную глубину, и преобразователь разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал, причем погруженные в жидкость концы пьезометрических трубок оснащены наконечниками с антиадгезионным покрытием, выходной канал источника сжатого воздуха через соответствующий нормально закрытый пневмоклапан и постоянный дроссель соединен с входным штуцером не погруженного конца соответствующей пьезометрической трубки и с каналом управления соответствующего пневмоклапана, выходные штуцеры пьезометрических трубок, через первое и второе инерционные звенья соединены с глухими входами указанного преобразователя, а выход преобразователя является выходом устройства (RU №2122196, G01N 9/26, 1997).
Устройство обеспечивает высокую точность измерения, надежность измерения плотности буровых и цементных растворов, но не позволяет применять его для измерения плотности жидких сред типа буровых и цементных растворов в емкостях при их интенсивных перемешиваниях при приготовлении смесовых растворов с помощью различных мешалок. Причиной этого является несоответствие давления на концах пьезометрических трубок статическому состоянию, которое описывается следующими формулами: давление Р(1,2)=ρgH(l,2), где Р(1,2) - давление соответственно в первой и второй трубке, Н(1,2) - глубина погружения в емкость соответственно первой и второй трубки;
2
плотность ρ=gΔP, где ΔР=(Р1-Р2) - разность давлений в первой и второй трубках. При перемешивании жидкости в емкости возникают ламинарные (не перемешивающиеся слои) или турбулентные (перемешивающиеся) перемещающиеся потоки, причем жидкость в емкости движется неравномерно по слоям на разных уровнях и в разных направлениях. При движении жидкости возле выхода воздуха из пьезометрических трубок давление уже не пропорционально столбу жидкости, а равняется: Рст.+ρV/2, где V - скорость движения жидкости возле конца пьезометрической трубки. Поскольку концы измерительных трубок находятся в разных точках от дна и стенок внутри емкости, то и при перемешивании скорости движения жидкости в этих точках различны по величине и направлению и, как следствие, измеренная разность давлений ΔР уже не будет пропорциональна реальной плотности.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения плотности жидких сред, преимущественно буровых и цементных в процессе их приготовления, включающее источник сжатого воздуха и две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере с выполненной в ней щелевой прорезью и сообщающейся с емкостью с перемешиваемым посредством мешалки контролируемым раствором, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, причем щелевая прорезь ориентирована в сторону, противоположную вектору направления потока контролируемого раствора в емкости (RU №71769, G01N 9/26, 2007).
Указанное устройство обеспечивает высокую точность и надежность измерения плотности и уровня буровых и цементных растворов, но не позволяет применять его при измерении плотности и уровня в емкостях с предельно низким уровнем жидкости, меньшим, чем глубина погружения одной из пьезометрических трубок.
Кроме того, при проведении измерений в вязких растворах при диаметре выходного отверстия порядка 10 мм даже антиадгезионное покрытие наконечников не решает проблемы закупорки пьезометрических трубок. Например, при измерении плотности бурового и цементного растворов, диаметр выходных наконечников должен быть не менее 50 мм, однако увеличение диаметра приводит к увеличению диаметра отделяемых пузырьков воздуха и, соответственно, к повышению уровня шумов. В этих условиях для получения необходимой точности измерения (0,5-1%) время измерения составит 30-40 сек. (время усреднения). Уменьшить фактор влияния на изменение давления при выходе пузырька из трубки можно, уменьшая диаметр трубки, поскольку чем меньше диаметр трубки, тем меньше указанное влияние и выше точность. В тоже время минимальный диаметр трубок ограничен условиями закупорки пьезометрических трубок и поэтому не может быть меньше 40-50 мм.
Помимо указанного, при приготовлении растворов из нескольких компонентов и доведения их до определенной плотности (например, цементных, буровых) требуется непрерывный контроль величины плотности со скоростью реакции на добавление того или иного компонента раствора в 2-3 сек., что не достигается при диаметре выходного отверстия 40-50 мм.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания устройства для измерения плотности и уровня жидких сред, обеспечивающего проведение измерений при приготовлении малых объемов вязких растворов на малых дискретных промежутках времени с одновременным увеличением отношения сигнал/помеха.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения плотности и уровня жидких сред, преимущественно буровых и цементных растворов в процессе их приготовления, включает источник сжатого воздуха, две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере сообщающейся через выполненную в ней щелевую прорезь с емкостью с контролируемым раствором, перемешиваемым посредством мешалки, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, при этом на погруженных в раствор концах пьезометрических трубок на высоте не менее 1/5 диметра их выходного отверстия выполнено, по меньшей мере, одно боковое отверстие, диаметр которого меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок.
В предпочтительных вариантах реализации устройства:
- диаметр бокового отверстия меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок не более чем в 10 раз.
- концы пьезометрических трубок выполнены в виде наконечников с антиадгезионным покрытием.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показано сечение по А-А, на фиг.3 показан вариант выполнения пьезометрической трубки с антиадгезионным наконечником.
Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, две пьезометрические трубки 2 и 3, концы которых погружены на разную глубину в измерительную камеру 4, размещенную в емкости 5 с контролируемой жидкостью. Измерительная камера 4 имеет щелевую прорезь 6 и может в отдельных случаях сообщаться с контролируемой жидкостью через гидравлическую фильтрующую камеру 7 с щелевой прорезью 8, смещенной относительно прорези 6. Выходной канал источника сжатого воздуха 1 каналами 9 и 10 соединен через пневмоклапаны 11 и 12 и постоянные дроссели 13 и 14 с входными штуцерами 15 и 16 пьезометрических трубок 2 и 3. Каналы управления 17 и 18 пневмоклапанов 11 и 12 соединены с выходным каналом источника сжатого воздуха 1. Выходной штуцер 19 пьезометрической трубки 2 через первое инерционное звено (дроссель 20 и емкость 21) связан с положительным глухим входом 22 преобразователя 23 разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал, а выходной штуцер 24 пьезометрической трубки 3 через второе инерционное звено (дроссель 25 и емкость 26) связан с отрицательным глухим входом 27 преобразователя 23. Выходной сигнал преобразователя 23 является выходом устройства. Измерительная и гидравлическая фильтрующая камеры 4 и 7 выполняют роль экранов и создают «застойные» (статические) зоны в области пьезометрических трубок 2 и 3 при перемешивании жидкости посредством мешалки 28 и исключают влияние динамической составляющей давления на измерение плотности.
Концы пьезометрических трубок 2 и 3 имеют антиадгезионное покрытие или могут быть выполнены в виде наконечников 29 и 30 с антиадгезионным (противоприлипающим) покрытием и имеют, по меньшей мере, одно боковое отверстие 31, 32 на каждой трубке с диаметром меньшим, чем выходные отверстия пьезометрических трубок или наконечников.
Указанные боковые отверстия выполняют на высоте не менее 1/5 диметра выходного отверстия трубок.
Значения диаметра боковых отверстий 31, 32 и высоты их расположения относительно выходного отверстия трубок выбирают в зависимости от величины коэффициента поверхностного натяжения контролируемого раствора.
Гидравлическая фильтрующая камера 7 с щелевой прорезью 8, установлена концентрично с измерительной камерой 4, и их щели смещены относительно друг друга. Наличие камеры 7 предусматривается в случаях особо точных измерений плотности (менее 0,3%).
Измерительная и гидравлическая фильтрующая камеры 4 и 7 могут иметь цилиндрическую или прямоугольную форму.
Устройство для измерения плотности в емкостях в процессе перемешивания раствора работает следующим образом.
2
С помощью камер 4 и 7 создаются «застойные» зоны, в которых находятся пьезометрические трубки, где динамическая составляющая давления равная ρV/2, для обоих концов трубок равна 0, а статическое давление равно Р(1,2)=ρgH(l,2).
При включении источника сжатого воздуха 1 нормально закрытые клапаны 11 и 12 открываются и давление питания от источника 1 через пневмоклапаны 9 и 10 и постоянные дроссели 13 и 14 подводится к входным штуцерам 15 и 16 пьезометрических трубок 2 и 3, при этом на положительном (22) и отрицательном (27) входах преобразователя 23 создаются избыточные давления Р1=ρgHl и Р2=ρgH2, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, H1 и Н2 - глубины погружения боковых отверстий пьезометрических трубок в жидкость. Разность давлений на входах преобразователя 23 ΔР=(Р1-Р2)=ρg (H1-Н2)=gρd, (где d=(H1-Н2)=const - постоянная величина) пропорциональна измеряемой плотности р.
Следовательно, выходной электрический сигнал преобразователя 23 также пропорционален плотности р.
Контроль уровня в емкости производится путем измерения глубины погружения HI боковых отверстий пьезометрической трубки 2 под уровень жидкости. Для этого отрицательный вход 27 преобразователя 23 сообщается с атмосферой, а выходной штуцер 24 пьезометрической трубки 3 заглушается. При измерении уровня значение величины H1=P1ρ g при известной величине плотности ρ преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который считывается с выхода преобразователя 23.
Инерционные звенья (поз.20, 21 и 25, 26) выполняют функцию сглаживания пульсаций давления в пьезометрических трубках 2 и 3, возникающих вследствие отделения пузырей воздуха от боковых отверстий 31, 32 наконечников 28 и 29. При такой конструкции устройства для измерения плотности и уровня при выходе пузырька (уменьшение давления в трубке) жидкость в наконечнике будет колебаться возле нижнего уровня отверстия, постоянно смачивая поверхность наконечника и из-за большого диаметра, даже при длительном по времени измерении отверстие не будет закрываться. В результате проведенных экспериментальных исследований установлена зависимость близкого к нулевому значению сигнала помехи при усреднении за 2-3 сек и диаметром выходного бокового отверстия. Установлено, что значение последнего должно находиться в пределах 4-6 мм.
В конкретном примере реализации устройства пьезометрические трубки на концах имеют наконечники с выходным отверстием диаметром 50 мм и более, а выходное отверстие для выхода пузырьков 4-6 мм расположены сбоку на уровне 10-15 мм от края. (Фиг.3).
При этом малое значение диаметра пузырьков, выходящих из трубки позволяет увеличить отношение сигнал/помеха, достичь времени измерения, при котором возникло измерение плотности с точности 0,5-1% за 2-3 сек. и установить базу измерительных трубок до 10 см, тем самым уменьшить минимальный объем жидкости в измерительной емкости.
Таким образом, в описанном устройстве на основе предложенного технического решения может быть обеспечено надежное измерение плотности и уровня жидких сред малого объема с высокой точностью и малым временем измерения в процессе их приготовления.
За счет обеспечения минимального объема измеряемой жидкости и минимального времени измерения открывается путь для создания следящих систем контроля плотности и уровня при приготовлении растворов.