УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения плотности и уровня жидких сред как чистых так и загрязненных (преимущественно буровые растворы) и может быть использована в нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности.
Известны конструкции для измерения плотности жидкости, использующие закон гидростатического давления на двух различных по высоте глубинах, образующих базу измерения. Для измерения плотности используют датчики абсолютного давления в количестве как минимум две штуки или один датчик дифференциального давления. Для измерения уровня во втором случае дополнительно требуется датчик абсолютного давления.
Известно устройство для измерения плотности и уровня в резервуарах (патент РФ 2341778). Устройство содержит как минимум два преобразователя уровня и плотности в гидростатическое давление и вычислитель, разделяющий связанную информацию об уровне и плотности на раздельную об уровне и плотности. Преобразователь гидростатического давления выполнен в виде двух разноуровневых поплавков, выполненных в виде герметичных труб, первые концы которых свободно погружены в измеряемую жидкость, а вторые жестко закреплены на индивидуальных упругих балках, основания которых жестко заделаны в основание прибора, упругие балки тензометрированы и выходы тензомостов подключены ко входам индивидуальных усилителей, выходы которых связаны с двумя входами вычислителя, третий вход которого подключен к дифференциальному усилителю, разнополярные входы которого подключены к выходам усилителей тензосигналов. Устройство рассчитано на действие выталкивающей силы, пропорциональной объему погруженного поплавка и как следствие для использования в чистой жидкости, не вызывающей прилипание к поплавку посторонних частиц. Последний фактор вызовет увеличение погрешности показаний плотномера-уровнемера.
Известно использование 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 устройства по патенту РФ №96966. Данное устройство 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.
Недостатком конструкции является ее сложность, использование сжатого воздуха, который в условиях пониженных температур вызывает образование ледяной корки, меняющий вес конструкции и вносящий дополнительную погрешность в показания устройства. То есть согласно описанию патента величина погрешности составляет около 0,5-1% на базе измерения в 10 см.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству относится преобразователь измерительный для контроля и измерения плотности, загрязненных и чистых жидких сред, преимущественно бурового раствора (патент РФ 2390755), использующий один датчик давления (дифференциальный датчик давления), который с помощью двух разделительных мембран, разнесенных по высоте, измеряет величину плотности. Известное устройство для измерения плотности и уровня жидкости включает корпус, с установленным на нем разделительными мембранами, первичный преобразователь давления, трубопроводы передачи давления на первичный преобразователь давления, электронный блок для вычисления нормированного выходного сигнала.
К недостаткам конструкции относится низкая точность измерения 0,71% на базе измерения около 20 см при использовании стандартных широкодоступных мембранных разделителей. Кроме того, конструкция обладает сложным исполнением, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах при активном налипании бурового раствора.
Целью предлагаемого устройства для измерения плотности и уровня жидкости является повышения точности измерения при такой же базе измерения и меньше.
Поставленная цель достигается за счет использования устройства для измерения плотности и уровня жидкости, включающего корпус, с установленным на нем разделительными мембранами, первичный преобразователь давления, трубопроводы передачи давления на первичный преобразователь давления, электронный блок для вычисления нормированного выходного сигнала. При этом в качестве первичного преобразователя давления используют два первичных преобразователя давления гидравлически подключенных параллельно противоположными по функциональному воздействию входами.
Сущность устройства состоит в использовании свойств дифференциальных датчиков давления воспринимать как разницу давлений (величина пропорциональная плотности) по высоте столба жидкости, подведенных с помощью трубопроводов к датчику давлению, так и восприятие абсолютного давления, также подведенного к датчику (величина пропорциональная плотности и уровню).
Предлагаемое техническое решение поясняется на рис.1. где показан общий вид устройства измерения плотности и уровня жидкости: 1 - корпус устройства, 2 - разделительные мембрана, 3 - первый первичный преобразователь давления, 4 - трубопровод передачи давления, 5 - кремнийорганическая жидкость, 6 - электронный блок, 7 - линия передачи, 8 - второй первичный преобразователь давления.
Устройство работает следующим образом.
Давление жидкости, в которую погружено устройство, действует на разделительные мембраны 2, установленные в корпусе 1. За разделительными мембранами 2 находится кремнийорганическая жидкость 5, на которую передается давления, воздействующее через трубопроводы передачи давления 4 на первый первичный преобразователь давления 3 и второй первичный преобразователь давления 8, включенные гидравлически параллельно противоположными по функциональному воздействию входами. Сигналы с преобразователей, пропорциональные воздействию, поступают в электронный блок 6. В нем после математических вычислений плотности и уровня жидкости, производится нормализация выходных параметров или выбранного параметра и передачу их (или его) по линии передачи 7 к устройствам оцифровки и обработки информации (на рис.1 не показано).
В таблице 1 приведены измерения показаний первого первичного преобразователя давления 3 с использованием известного дифференциального датчика давления (по прототипу) с базой измерения 5 см, расположенного вертикально при разных плотностях среды и разных уровнях погружения в окружающую среду. Из таблицы 1 видно, что при повышении плотности среды показания первичного преобразователя давления 3 увеличиваются, а при повышении уровня погружения в окружающей среды показания уменьшаются. Аналогично были получены измерения показаний второго первичного преобразователя 8.
Результаты приведены в таблице 2, из которой видно, что при повышении плотности среды показания второго первичного преобразователя 8 уменьшаются, и при повышении уровня погружения в окружающую среды показания уменьшаются.
Из таблиц 1 и 2 для обоих первичных преобразователей видно, что зависимость от плотности среды составляет около 500.000 единиц, причем дополнительное смещение, вызванное уровнем погружения составляет около 50.000 единиц, что составляет 10% погрешность вычисления плотности при разных глубинах погружения в диапазоне от 0 до 1 метра. Показания первого первичных преобразователя от плотности они растут, у второго они уменьшаются а от уровня погружения всегда уменьшаются у обоих преобразователей. Напрашивается простое дополнительное решение для уменьшения взаимного влияния измеряемых параметров (уровня на плотность и наоборот плотности на уровень), которое состоит в поэлементном вычитании и усреднении данных таблицы 1 из данных таблицы 2
3
При поэлементном вычитании данных таблицы 1 из данных таблицы 2, получим новые результаты, указанные в таблице 3, из которой видна слабая зависимость показаний плотности (около 1.000.000 единиц в диапазоне плотностей от 0,8 до 1 г/см) окружающей среды от уровня погружения (менее 10.000 единиц), что показывает дополнительную погрешность вызванную уровнем погружения менее 1%. Таким образом применив параллельно встречное включение первого первичного преобразователя давления 3 и второго первичного преобразователя давления 8 можно существенно (более 10 раз) улучшить точность измерителя плотности, а также дополнительно улучшить показания измерения уровня погружения в среду. Вычислив средне арифметическое значение показателей таблиц 1 и 2, получим показатели, указанные в таблице 4, из которой видна более преобладающая зависимость результатов от величины уровня погружения в окружающую среду при не большом влиянии плотности окружающей среды.
3
При заполнении таблиц 1 и 2 в небольших пределах менялась температура, вызывающая дополнительную погрешность. Применив традиционные математические вычисления в системе из трех входных и трех выходных параметров (плотность, уровень, температура) получили точности показаний по плотности не более 0,25%, точности показаний по уровню не более 10 см, точности показаний по температуре не более 0,5°C при исследованиях в диапазоне температур от 5 до 50°C, глубин погружения от 0,1 до 3 метров и плотностей от 0 до 2,5 г/см.
Табл.1
Плотность среды, г/см<sup>3</sup>
Уровень погружения в среду, м
0
2
0,8 (масло)
8.356.527
8.326.995
1 (вода)
8.806.188
8.786.901
Табл.2
Плотность среды, г/см<sup>3</sup>
Уровень погружения в среду, м
0
2
0,8 (масло)
8.817.911
8.780.814
1 (вода)
8.336.008
8.322.421
Табл.3
Плотность среды, г/см<sup>3</sup>
Уровень погружения в среду, м
0
2
0,8 (масло)
-461.384
-453.819
1 (вода)
470.180
464.480
Табл.4
Плотность среды, г/см<sup>3</sup>
Уровень погружения в среду, м
0
2
0,8 (масло)
8.587.219
8.553.904
1 (вода)
8.571.098
8.554.661