Устройство для измерения уровня и плотности жидкости
LIQUID LEVEL AND DENSITY MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении.
Известно множество устройств, позволяющих измерять уровень или плотность в отдельности. Так, например, устройство для измерения уровня топлива (см. патент США №5,076,100, G01F 23/00, 1991) содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках, усилитель-формирователь, генератор импульсов и счетчик. Данное устройство позволяет проводить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью.
Также существует много разновидностей поплавковых плотномеров, отличающихся конструкцией и формой поплавка, типом (механические, электрические, пневматические, оптические) и принципом (индуктивные, потенциометрические) преобразователей перемещения поплавка. Например, в патенте США US 3,808,893, G01N 9/12, 1974 плавающий поплавок с сердечником индуктивного датчика перемещений подвешен к пружине непосредственно. Ряд других разновидностей поплавков того же назначения рассмотрен в патенте США US 3,827,306 G01N 9/12, 1974.
Достаточно полный обзор устройств для измерения плотности представлен в книге С.С. Кивилиса «Плотномеры» изд. «Энергия», Москва 1980 г., где подробно рассмотрены различные типы плотномеров, в том числе и поплавковые. Поплавковые плотномеры классифицируются по двум функциональным признакам - с частичным погружением поплавка (двухпоплавковые) и с полным погружением поплавка (однопоплавковые).
Показания плотномеров с частичным погружением поплавка, т.е. находящегося на поверхности, зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Следует также отметить, что в поверхностных плотномерах измеряется расстояние между поплавками уровня и плотности, обладающими разной плавучестью. Так как точность измерения расстояния до поплавков магнитострикционых уровнемеров и плотномеров не превышает 1 мм, то разность уровней поплавков измеряется с точностью 2 мм, что в два раза хуже, чем для однопоплавковых плотномеров. Это приводит к снижению точности измерений плотности. Исключить влияние поверхностного натяжения позволяют плотномеры с поплавками полного погружения (поплавково-весовые плотномеры). К числу плотномеров полного погружения относятся так называемые цепочные плотномеры, принцип работы которых изложен в книге С.С. Кивилиса «Плотномеры». Использование цепочек позволяет уравновешивать поплавок в широком диапазоне плотности.
Указанные преимущества цепочных плотномеров реализованы в патенте RU 2273838 G01N 9/12, G01F 23/62 от 19.05.2005 г., в котором описан один из наиболее точных плотномеров.
Однако это решение не позволяет одним датчиком одновременно с плотностью контролировать уровень жидкости в резервуаре. Для реализации одновременного измерения уровня параллельно с датчиком плотности устанавливается датчик уровня, что удорожает устройство и требует большего размера люка для установки датчиков.
Известно техническое решение устройства для измерения уровня и плотности, описанное в патенте RU №2138028 G01F 23/68, G01N 9/10 1998 г.
Указанное выше устройство обладает достаточно простой конструкцией, средней точностью, имеет постоянную амплитуду тока подмагничивания звукопровода в зоне расположения катушки считывания, что позволяет делать длину датчика до 6 метров и обеспечивать надежность его работы.
Однако это устройство обладает рядом недостатков, свойственных поверхностным плотномерам с частичным погружением, а именно, как отмечалось выше, показания плотности зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Все эти факторы приводят к увеличению ошибки измерения плотности. Кроме этого следует отметить, что указанное устройство не пригодно для измерения плотности с высокой точностью в резервуарах с высоким давлением, например, в резервуарах со сжиженным газом из-за высокого давления паровой фазы, причем величина ошибки пропорциональна увеличению давления. Кроме этого указанные устройства дают большую ошибку при измерении плотности жидкости с высокой вязкостью или с вязкостью, сильно изменяющейся при изменении температуры. Следует также отметить, что глубина погружения поплавка уровня зависит от плотности жидкости, что дает дополнительную погрешность измерения уровня, при этом в указанном устройстве не предусмотрено никакой коррекции для компенсации этой погрешности. Существенным фактором, который приводит к дополнительной погрешности измерения плотности, является измерение плотности жидкости на поверхности, которая отличается от средней плотности жидкости в резервуаре из-за испарения поверхностного слоя. Необходимо также отметить, что расположение первого постоянного магнита на первом, верхнем, конце звукопровода позволяет осуществить смещение рабочего диапазона измерений уровня в нижнюю сторону, а в ряде случаев присутствует техническая необходимость смещения рабочего диапазона измерений уровня в верхнюю сторону, например при ограниченных размерах приямка резервуара.
Известно устройство для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре, описанное в патенте US 7,278,311 G01F 23/76 от 24.05.2006 г. Это устройство и его принцип действия аналогичны устройству, описанному по патенту РФ №2138028, за исключением формы верхней части поплавка (вместо круглых штырей - цилиндр) и имеет те же недостатки плюс возможность накопления грязевых отложений из резервуара внутри поплавка плотности в процессе эксплуатации, что снижает точность измерений из-за изменения массы поплавка плотности.
Известен уровнемер по патенту РФ №2351903 G01F 23/28 от 17.12.2007 г.
Он представляет собой группу изобретений, которые являются видоизмененным вариантом устройства для измерения уровня и плотности, описанном в патенте RU №2138028, ему свойственны те же недостатки, но данное устройство имеет еще и дополнительные недостатки, связанные с увеличением трения поплавков об несущий кожух магнитострикционного волновода. Это обусловлено следующими факторами:
1) крышка с магнитами, установленная в верхней части поплавка плотности смещает центр тяжести поплавка относительно выталкивающей силы, поэтому поплавок плотности теряет остойчивость и стремится наклониться, что увеличивает трение крышки о защитный кожух;
2) трение крышки о защитный кожух «сухое» (крышка всегда располагается выше уровня жидкости в резервуаре), что обуславливает большой коэффициент трения;
3) на поверхности крышки могут собираться капли конденсата жидкости (например, воды), а также частицы окислов, возникающих в результате коррозии верхней чети резервуара из-за наличия паров воды, что приводит к дополнительной погрешности измерений плотности из-за изменения веса поплавка плотности и из-за снижения остойчивости поплавка.
Другими недостатками, кроме выше упомянутых являются:
- низкая устойчивость к воздействию сильных внешних магнитных полей из-за отсутствия подмагничивания звукопровода в зоне катушки считывания, так как намагничивание звукопровода от импульса запуска ограничено по величине из-за большого сопротивления звукопровода (при больших длинах датчика - типовые резервуары АЗС диаметром около трех метров) и ограниченном напряжении питания датчика, обусловленном требованиями взрывозащиты при работе с взрывоопасными жидкостями (нефтепродукты на АЗС, сжиженный газ на АГЗС и т.д.). При воздействии сильного внешнего магнитного поля (от намагниченного инструмента и других источников) звукопровод в зоне катушки считывания теряет оптимальную круговую намагниченность, и амплитуда сигнала считывания может резко уменьшиться;
- низкая надежность в течение времени эксплуатации из-за значительного изменения аплитуды сигнала, связанного со старением материала звукопровода (до двух раз), с изменением амплитуды сигнала при изменении температуры, изменении силы натяжения звукопровода при тепературном изменении размеров звукопровода и защитного кожуха, с изменением коэффициента усиления усилителя (старение элементов и их температурная зависимость) и других причин, при этом компаратор может не регировать на сигнал (при уменьшении его амплитуды) или выдавать ложные сигналы при срабатывании от помех (при его увеличении).
- низкая точность измерения плотности, обусловленная отсутствием температурной компенсации изменения объема поплавка плотности со штырями и поплавка уровня при изменении температуры;
- сокращение зоны измерений уровня в верхней части резервуара из-за установки магнита на крышке, при этом магниты поплавка уровня и поплака плотности должны быть разнесены на расстояние около 10 см, а также нельзя приближаться к катушке считывания из-за взаимовлияния.
Большинство этих недостатков устранено в устройстве для измерения уровня и плотности жидкости, описанном в патенте РФ RU №2710008 G01F 23/68 от 17.05.2019 г.
Однако, как и в ранее описанных устройствах, главным недостатком является измерение плотности жидкости на поверхности, которая отличается от средней плотности жидкости в резервуаре из-за испарения поверхностного слоя.
Следует также отметить, что в поверхностных плотномерах измеряется расстояние между поплавками уровня и плотности, обладающими разной плавучестью. Так как точность измерения расстояний до поплавков магнитострикционных уровнемеров и плотномеров не превышает 1 мм, то разность уровней поплавков измеряется с точностью 2 мм, что в два раза хуже, чем для однопоплавковых плотномеров с полным погружением.
При проведении совместно с учетом массы жидкости в резервуаре одновременного учета отпущенного топлива через раздаточные колонки возникает дополнительная ошибка. Это связано с тем, что ряд жидкостей, например бензины и дизельное топливо, расслаиваются внутри резервуара по его высоте, отпуск через раздаточные колонки осуществляется из нижней части резервуара, а измерение плотности осуществляется на поверхности жидкости.
Известны технические решения, позволяющие производить измерение плотности в нижней части резервуара одновременно с измерением уровня.
Известны устройство и способ измерения плотности по патенту ЕР 1881316 А2 G01N 9/18 от 18.07.2006 г. Данное устройство позволяет измерять уровень и плотность жидкости в резервуаре. Устройство содержит магнитострикционный датчик, поплавки с разной плавучестью, пружину, степень деформации которой определяет плотность жидкости. Устройство достаточно простое в реализации, но оно обладает рядом существенных недостатков:
- нельзя измерить малые уровни жидкости вплоть до заборного патрубка, так как под поплавком уровня размещается плотномер и поплавок подтоварной воды;
- низкая точность измерений, обусловленная тем, что:
а) пружины обладают известным явлением гистерезиса при сжатии и растяжении и при изготовлении имеют достаточно большой разброс параметров, например согласно «ГОСТ Р 50753-95 Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из специальных сталей и сплавов. Общие технические условия» пружины первой группы (самые точные) выпускаются с допускаемыми отклонениями на контролируемые силы или деформации ±5%;
3
2
3
б) рабочий ход поплавка плотности небольшой (около 50 мм). Известные магнитострикционные уровнемеры имеют точность измерения расстояний до поплавков не лучше 1 мм. При типовом поддиапазоне измерений плотности 100 кг/м, на 1 мм приходится 2 кг/м - это максимально достижимая точность (без учета дополнительной погрешности от изменения температуры). В то же время для коммерческого учета продуктов в резервуаре требуется точность измерения плотности 0,5-1,0 кг/м;
в) при сжатии пружины, как известно, возникают изгибающие усилия, и пружина начинает прижиматься к поплавку плотности или к направляющей трубе, создается трение и искажение результатов измерений;
г) искажение результатов измерений плотности из-за изменения объема поплавков при изменении температуры жидкости вследствие изменения выталкивающей силы, действующей на поплавок;
- отсутствует возможность оперативной перенастройки диапазона измерений плотности.
Известно устройство измерения плотности по патенту ЕР 2196781 А1 G01F 23/296 от 11.12.2008 г. Оно имеет аналогичный принцип действия, что и описанное устройство по патенту ЕР 1881316 А2 и обладает теми же недостатками.
Известно устройство измерения уровня с функцией измерения плотности по патенту JP 2012-2621 А 2012.1.5 G01F 23/62, G01N 9/12, G01N 9/18 от 01.05.2012 г. Оно имеет аналогичный принцип действия, что и описанные устройства по патентам ЕР 1881316 А2 и ЕР 2196781 А1 и обладает теми же недостатками.
3
3
3
Известно устройство по патенту США US 8,539,828 В2 G01F 23/38 от 05.06.2010 г., в котором вместо пружины используется отталкивающая сила магнитов. Указанное устройство обладает низкой точностью измерения уровня и плотности, так как при изменении плотности изменяется сила, действующая на поплавок уровня со стороны поплавка плотности из-за изменения выталкивающей силы и его положение изменяется, что приводит к искажению показаний уровня и плотности, а также из-за небольшого рабочего хода поплавка плотности около 50 мм (2 дюйма). Известные магнитострикционные уровнемеры имеют точность измерения расстояния до поплавков не лучше 1 мм. При типовом поддиапазоне измерений плотности 100 кг/м, на 1 мм приходится 2 кг/м - это максимально достижимая точность (без учета дополнительной погрешности). В то же время для коммерческого учета продуктов в резервуаре требуется точность измерения плотности 0,5-1,0 кг/м. Из-за расположения плотномера в нижней части резервуара предел измерения уровня достаточно высокий (350-450 мм). Указанное устройство опубликовано также как ЕР 2386056 от 22.08.2018.
Известным техническим решением является плотномер, описанный в патенте КНР № CN 1374514 А G01N 9/10 от 16.10.2002 г.
Плотномер представляет собой цилиндр, внутри которого на цепях подвешен поплавок магнитострикционного плотномера. Он может измерять плотность жидкости внутри герметично закрытого резервуара или плотность жидкости внутри трубы. Данный плотномер обладает простотой в использовании, отсутствием необходимости проводить регулярную калибровку, высокой точностью измерения при стабильной температуре, большим рабочим диапазоном.
Однако он обладает рядом недостатков:
- при изменении температуры жидкости, старении магнитострикционного волновода изменяется скорость распространения ультразвуковой волны в магнитострикционном волноводе, и изменяются значения измеряемой плотности;
- нет возможности перестройки диапазона измерений плотности при смене жидкости;
- диаметр цилиндра должен быть достаточно большим, по сравнению с диаметром поплавка, что затрудняет прохождение его в люк резервуара при установке. Это объясняется подвеской цепей, при которой движение цепей должно быть плавным, в противном случае измерение плотности будет происходить скачками (будет иметь ступенчатый характер), что поясняется ниже. На фигуре 1 показано схематичное изображение плотномера. Ширина L разнесения точек подвеса концов цепи Е и F для плавного перекатывания звеньев цепи и, соответственно, для достижения высокой точности измерений плотности должна быть не менее величины
L≥7t (на практике),
где t - длина одного звена цепи.
Внутренний диаметр цилиндра (наружного кожуха) равен
D=d+2L,
где d - диаметр поплавка плотности.
Пример расчета:
если d=10 см, a t=1 см, то D=10+2×7×1=24 см,
то есть внутренний диаметр цилиндра в 2,4 раза превышает диаметр поплавка.
- изменение числа цепей 2, 3, 4 и более не приводит к изменению внутреннего размера цилиндра, что иллюстрируется фигурой 2 (3 цепи, D=d+2L) и фигурой 3 (4 цепи, D=d+2L).
Наиболее близким по технической сущности и точности измерений к предлагаемому устройству является группа изобретений на устройство для измерения уровня и плотности жидкости, описанные в патенте RU №22285908 G01N 9/10, G01F 23/68 от 14.10.2005 г., которая выбрана в качестве прототипа.
Указанное решение представляет собой два изобретения, относящиеся к двум объектам одинакового назначения, решающим одну и ту же задачу и обеспечивающим получение одного и того же технического результата (два варианта).
В первом варианте предметом изобретения является устройство, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на первом его конце, первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, установленной под демпфером, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности, в устройстве введен третий дополнительный выход блока измерения плотности, соединенный со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, а второй, нижний, поплавок с расположенным на нем постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек.
Во втором варианте предметом изобретения является устройство, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на первом его конце, установленной под демпфером, на первом его конце, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности, в устройстве введен третий дополнительный выход блока измерения плотности, соединенный со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, второй, нижний, поплавок с расположенным на нем постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек, а первый постоянный магнит расположен на втором, нижнем, конце звукопровода.
Главным преимуществом по сравнению с другими поверхностными плотномерами является то, что поплавок плотности полностью погружен в жидкость, что позволяет получить высокую точность измерений плотности.
Указанное устройство для измерения уровня и плотности жидкости, обладает непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном измерения плотности, коррекцией измерения уровня в зависимости от плотности жидкости, хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на поверхности жидкости, возможностью смещения диапазона измерений уровня как в нижнюю сторону звукопровода, так и в верхнюю.
Конструктивно изобретение реализовано в виде одного датчика, что удешевляет его по отношению к измерителю уровня и плотности с двумя датчиками. Однако при проведении совместно с учетом массы жидкости в резервуаре одновременного учета отпущенного топлива через раздаточные колонки возникает дополнительная ошибка. Это связано с тем, что ряд жидкостей, например бензины и дизельное топливо расслаиваются внутри резервуара по его высоте, отпуск через раздаточные колонки осуществляется из нижней части резервуара, а измерение плотности осуществляется на поверхности жидкости. Кроме этого оно имеет еще один очень существенный недостаток - высокий минимальный уровень измерения жидкости в резервуаре (при низком уровне жидкости в резервуаре из-за касания цепями дна резервуара искажаются показания плотности). Минимальное измеряемое расстояние до дна резервуара составляет около 400 мм.
Следует также отметить, как было описано выше, что в описанном поверхностном плотномере измеряется расстояние между поплавками уровня и плотности, обладающими разной плавучестью. Так как точность измерения расстояния до поплавка магнитострикционов уровнемеров и плотномеров не превышает 1 мм, то разность уровней поплавков измеряется с точностью 2 мм, что в два раза хуже, чем для однопоплавковых плотномеров с полным погружением.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для точного измерения уровня и плотности с расширенным диапазоном измерения уровня в нижней части резервуара с возможностью работы в широком диапазоне плотности и температуры с уменьшенными размерами плотномера.
Предметом изобретения является устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на верхнем его конце, постоянный магнит маркера, расположенный под катушкой считывания или на нижнем конце звукопровода, поплавок уровня, установленный с возможностью перемещения с расположенным в нем постоянным магнитом, поплавок плотности с расположенным в нем постоянным магнитом, находящийся в погруженном положении, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, звукопровод в точке, расположенной с нижней стороны катушки считывания, соединен с положительным выводом источника питания, верхний и нижний концы звукопровода соединены через ключи с отрицательным выводом источника питания, входы ключей подключены к первому и второму выходам микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов, к третьему выходу которой подключен компаратор, четвертый выход предназначен для подключения внешнего устройства отображения и обработки измеряемых параметров, к катушке считывания подключен дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с компаратором, поплавок плотности имеет приспособления для крепления диапазонных грузов, вдоль звукопровода установлены датчики температуры, выходы которых подключены к соответствующим входам микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов, на нижнем конце устройства установлен жестко прикрепленный к защитной трубе защитный кожух в виде цилиндра, к верхней части которого подвешен с помощью уравновешивающих цепочек поплавок плотности, защитный кожух имеет внутренний диаметр больше диаметра поплавков, при этом четыре уравновешивающие цепочки прикреплены к верхнему концу защитного кожуху в двух диаметрально противоположных точках и к нижней части поплавка плотности в двух диаметрально противоположных точках с поворотом на 90° относительно точек крепления уравновешивающих цепочек на защитном кожухе, при низком уровне жидкости в резервуаре происходит опускание поплавка уровня на поплавок плотности, при этом для исключения ошибки измерений в микропроцессорной схеме управления и обработки сигналов происходит запоминание последнего правильного значения плотности продукта, зафиксированного до соприкасания поплавков уровня и плотности и дальнейший пересчет плотности по температуре по известным таблицам зависимости изменения плотности от температуры, а также осуществляется коррекция значения уровня с учетом общих объема и массы поплавков уровня и плотности и уравновешивающих цепочек.
Техническим результатом является создание нового устройства для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре, позволяющего измерять плотность в нижней части резервуара в широком диапазоне плотности и температуры с минимальными размерами плотномера и с расширенным диапазоном измерения уровня в нижней части резервуара.
Необходимо отметить, что в устройстве предусмотрено расположение постоянного магнита маркера на верхнем, конце звукопровода, что позволяет осуществить смещение рабочего диапазона измерений уровня в нижнюю сторону, или в нижней части звукопровода, что позволяет осуществлять смещение рабочего диапазона измерений уровня в верхнюю сторону, что определяется технической необходимостью, например при ограниченных размерах приямка резервуара.
На фиг. 4 схематично представлено устройство для измерения уровня и плотности с расположением постоянного магнита маркера в нижней части звукопровода, на фиг. 5 схематично представлено устройство для измерения уровня и плотности с расположением постоянного магнита маркера в верхней части звукопровода, на фиг. 6 схематично представлена конструкция устройства с расположением постоянного магнита маркера в нижней части звукопровода, на фиг. 7 схематично представлена конструкция устройства с расположением постоянного магнита маркера в верхней части звукопровода.
Цифрами на рисунках обозначены:
1 - звукопровод;
2 - демпфер;
3 - постоянный магнит маркера;
4 - постоянный магнит поплавка плотности;
5 - постоянный магнит поплавка уровня;
6 - катушка считывания;
7 - микропроцессорная схема управления и обработки сигналов;
8 - дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
9 - компаратор;
10 - ключ 1;
11 - ключ 2;
12 - датчик температуры;
13 - защитная труба;
14 - поплавок уровня
15 - поплавок плотности
16 - уравновешивающие цепочки;
17 - приспособление для крепления диапазонных грузов;
18 - защитный кожух;
19 - крепление защитного кожуха;
20 - корпус микропроцессорного блока управления и обработки сигналов.
Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержит установленные в защитной трубе 13 звукопровод 1 из магнитострикционного материала с демпфером 2 на верхнем конце, катушку считывания 6, установленную под демпфером 2, постоянный магнит маркера 3, установленный в нижнем конце звукопровода 1 (фиг. 4, 6), или в верхнем конце звукопровода 1 (фиг. 5, 7) полые металлические поплавки уровня 14 и плотности 15 в форме тороида с постоянными магнитами 5 в поплавке уровня 14 и 4 в поплавке плотности 15, расположенными внутри тороидов в верхней части, поплавки 14 и 15 имеют возможность перемещения вдоль звукопровода, поплавок плотности 15 имеет приспособления для крепления диапазонных грузов 17, предназначенных для перестройки диапазона измерений в процессе эксплуатации, звукопровод 1 в точке, расположенной с нижней стороны катушки считывания, соединен с положительным выводом источника питания, верхний и нижний концы звукопровода 1 соединены через ключи 10 и 11 с отрицательным выводом источника питания, входы ключей 10 и 11 подключены к первому и второму выходам микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов 7, к третьему выходу которой подключен компаратор 9, четвертый выход которого предназначен для подключения внешнего устройства отображения и обработки измеряемых параметров, катушка считывания 6 подключена к входу дифференциального усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8, выход соединен с компаратором 9, а вход управления - с пятым выходом микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов 7, выход компаратора 9 соединен с первым входом микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов 7, вдоль звукопровода 1 расположены датчики температуры 12 в количестве К≥1 (на фигурах 6 и 7 условно не показаны), выходы которых подключены к соответствующим входам микропроцессорной схемы управления и обработки сигналов 7, верхний конец звукопровода 1 подпружинен с помощью пружины (на фигурах 4, 5, 6, 7 условно не показана), микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7, дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8, компаратор 9, ключи 10 и 11 размещены внутри корпуса микропроцессорного блока управления и обработки сигналов 20, размещенного в верхней части устройства для измерения уровня и плотности жидкости и прикрепленного к защитной трубе 13, в нижней части устройства располагается защитный кожух в форме цилиндра 18, прикрепленный к защитной трубе 13 с помощью крепления защитного кожуха 19, в верхнем конце защитного кожуха 18 в двух диаметрально противоположных точках прикреплены уравновешивающие цепочки 16, вторые концы которых прикреплены к нижней части поплавка плотности 15 в двух диаметрально противоположных точках с поворотом на 90° относительно точек крепления уравновешивающих цепочек на защитном кожухе 18.
Все металлические элементы выполнены из немагнитной антикоррозионной стали.
В нижней части поплавка плотности 15 имеются приспособления для крепления диапазонных грузов 17, предназначенных для перестройки диапазона измерений плотности в процессе эксплуатации, что часто бывает необходимым при смене жидкости в резервуаре (диапазонные грузы на фигурах 6 и 7 условно не показаны).
Работа устройства для измерения уровня и плотности, осуществляется следующим образом (для примера рассмотрена в варианте с расположением маркера 3 снизу, изображенного на фигурах 4 и 6).
Работа инициируется микропроцессорной схемой управления и обработки сигналов 7. По заданной программе осуществляются три режима работы: в первом режиме выполняется подготовка к измерениям, при которой намагничивается участок звукопровода 1 в зоне расположения катушки считывания 6, во втором режиме осуществляется измерение температуры звукопровода 1 с помощью датчиков температуры 12, а в третьем производятся измерения положения постоянного магнита маркера 3 и постоянных магнитов 5 поплавков уровня 14 и постоянного магнита 4 поплавка плотности 15.
В первом режиме микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 подает на ключ 11 запускающий импульс, при этом ключ 11 открывается и по цепи «питание "+", участок звукопровода 1 от точки "+" до верхнего конца звукопровода, ключ 11, общая точка питания "-"» протекает ток, который максимально намагничивает участок звукопровода 1 в зоне расположения катушки считывания 6.
Во втором режиме осуществляется измерение температуры звукопровода 1. Микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 считывает значения температуры с датчиков температуры 12 (общее число датчиков температуры К≥1, определяется длиной звукопровода 1) и рассчитывает среднюю температуру звукопровода, значение которой используется в дальнейшем для повышения точности измерений уровня и плотности жидкости.
В третьем режиме осуществляется измерение положения постоянных магнитов 3, 4, 5 следующим образом.
Микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 подает запускающий импульс на ключ 10. при этом в цепи «питание "+", участок звукопровода 1 от точки "+" до нижнего конца звукопровода, ключ 10, общая точка питания "-"» проходит импульс тока, в результате чего вокруг звукопровода 1 образуется круговое магнитное поле, которое взаимодействует с продольными магнитными полями постоянных магнитов 3, 4, 5. В результате взаимодействия этих магнитных полей вследствие прямого магнитострикционного эффекта в трех точках расположения постоянных магнитов 3, 4, 5 возникают крутильные ультразвуковые волны, которые распространяются в обе стороны. Волны, которые движутся в сторону катушки считывания 6, вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются в электрические импульсы и далее поглощаются демпфером 2. Волны, идущие от постоянных магнитов 3, 4, 5 в сторону жестко закрепленного нижнего конца звукопровода 1, отражаются и, дойдя до демпфера 2, поглощаются им.
Одновременно с подачей импульса запуска на ключ 10, микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 запускает отсчет времени.
Сигналы с катушки считывания 6 поступают на дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8 и далее на компаратор 9.
Микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 поддерживает амплитуду сигнала на входе компаратора 9 на уровне удвоенного напряжения порога срабатывания. В момент превышения сигналом порога срабатывания формируется передний фронт выходного импульса и устанавливается порог срабатывания, равный нулю. При переходе сигнала через ноль компаратор 9 формирует задний фронт выходного импульса, по которому микропроцессорная схема управления и обработки сигналов 7 производит отсчет времени распространения импульсов в звукопроводе 1 от магнитов 3, 4, 5 относительно импульса запуска, расчитывает расстояния X1, Х2, В с учетом изменения температуры по формулам:
1
2
3
где Т, Т, Т - время распространения ультразвуковой волны от постоянных магнитов 3, 4, 5, соответственно, до катушки считывания 6;
V - скорость ультразвуковой волны;
К
К
В - расстояние от постоянного магнита маркера 3 до катушки считывания 6 при температуре t;
ЗB.
_
t средняя температура звукопровода 1;
α - температурный коэффициент изменения размера «В» в зависимости от материалов, применяемых в конструкции датчика;
К
t - температура калибровки датчика.
По полученным значениям X1, Х2 и В вычисляются уровень и плотность жидкости.
Вычисление уровня жидкости с учетом формулы (1)
где Н - уровень жидкости;
А - расстояние от постоянного магнита маркера 3 до основания защитной трубы 13;
с учетом изменения температуры
К
К
где А - значение размера А при температуре t;
1
t - температура, считанная с датчика температуры 12 в нижнем конце звукопровода:
β - температурный коэффициент изменения размера А в зависимости от материалов, применяемых в конструкции датчика;
С - расстояние от постоянного магнита 5 поплавка уровня 14 до основания поплавка уровня 14;
У
Н - глубина погружения поплавка уровня 14
У
М - масса поплавка уровня 14;
У
S - площадь поперечного сечения поплавка уровня 14;
ρ - плотность жидкости.
Вычисление плотности жидкости
где В, Х2 - измеренные расстояния от постоянных магнитов 3 маркера и 4 поплавка плотности 15 до катушки считывания 6;
П
М - масса поплавка плотности 15;
К
К
Х - калибровочная константа при температуре t, учитывающая координаты постоянных магнитов 3 маркера и 4 поплавка плотности;
К
t - температура калибровки плотномера;
П
t - текущая температура плотномера, определяемая по ближайшему к поплавку плотности датчику температуры 12;
Ц
К - погонная масса уравновешивающих цепочек 16;
Ц
ρ - плотность уравновешивающих цепочек 16;
П
V - объем поплавка плотности 15;
γ - температурный коэффициент, учитывающий изменения геометрических размеров поплавка плотности 15 в зависимости от материалов, из которых изготовлен поплавок.
Применение температурной коррекции при помощи датчиков температуры 12 с учетом свойств материалов, из которых изготовлены элементы устройства для измерения уровня и плотности позволяет существенно повысить точность измерений уровня и плотности за счет учета температурных изменений размеров защитной трубы и звукопровода, поплавков уровня и плотности от изменения температуры.
Принимая во внимание, что плотномер, описанный в патенте КНР № CN 1374514А G01N 9/10 от 16.10.2002 г. по конструкции весьма близок к плотномеру в заявляемом устройстве, который является составной частью заявляемого технического решения, необходимо показать преимущества заявляемого решения, по сравнению с известным. Недостатки конструкции по патенту КНР № CN 1374514A были изложены выше. Теперь подробно рассмотрим преимущества, которые получены в заявляемом устройстве измерения уровня и плотности за счет специальной подвески уравновешивающих цепочек, прикрепленных к защитному кожуху в двух диаметрально противоположных точках и к поплавку плотности в двух диаметрально противоположных точках с поворотом на 90° относительно точек крепления на защитном кожухе (фигура 8), а также сравним диаметр защитного кожуха в обоих технических решениях - известном (фигуры 1, 2, 3) и заявляемом (фигура 8).
Приведем обозначения и основные расчетные соотношения.
D - внутренний диаметр защитного кожуха (цилиндра);
d - диаметр поплавка плотности;
t - длина звена уравновешивающей цепочки;
L - ширина подвески уравновешивающей цепочки (между точками Е и F на фигурах 1, 2, 3 и 8).
Как отмечалось выше, L≥7t (на практике).
Для технического решения по патенту КНР № CN 1374514А
Для технического решения по заявляемому устройству (фигура 8):
Условие L≥7t является обязательным для обоих технических решений.
Формулы (10) и (11) получены из следующих соотношений:
По теореме Пифагора для прямоугольного треугольника
Ниже приведены сравнительные расчеты для обоих технических решений
Задано: t=10 мм (размер звена цепи)
d=80 мм (диаметр поплавка плотности)
L=7 t=70 мм
При этом внутренний диаметр защитного кожуха по патенту КНР № CN 1374514 А составляет D=d+2А=220 мм;
внутренний диаметр защитного кожуха по заявляемому техническому решению
Как видно из расчетов внутренний диаметр защитного кожуха по заявляемому техническому решению почти в два раза меньше, чем по патенту КНР № CN 1374514 А при равных значениях L.
Рассмотрим вариант с внутренним диаметром защитного кожуха 150 мм и заявляемым вариантом подвески уравновешивающих цепочек
В этом варианте при внутреннем диаметре защитного кожуха меньше, чем в известном устройстве на 32% мы получили расстояние L больше, чем в известном устройстве на 21%, что существенно улучшает плавность перекатывания звеньев уравновешивающих цепочек и, соответственно, точность измерений плотности продукта при меньшем диаметре защитного кожуха.
Защитный кожух 18 предназначен не только для подвески уравновешивающих цепочек 16, но и позволяет обеспечить механическую защиту поплавка плотности 15 при транспортировании, монтаже и эксплуатации устройства, а также уменьшает влияние турбулентности при приеме и отпуске продукта.
Из приведенных примеров видно преимущество заявляемого технического решения по сравнению с известным, а именно технический эффект уменьшения диаметра защитного кожуха плотномера и, соответственно, прохождением заявляемого устройства в люк резервуара меньшего размера и увеличении расстояния между точками подвески уравновешивающих цепочек, что приводит к увеличению точности измерений плотности.
При измерении плотности регистрируется перемещение только поплавка плотности 15, что в два раза точнее, чем в прототипе, где регистрируется разность в положении двух поплавков (уровня и плотности), и, соответственно, мы имеем более точное измерение значения плотности продукта (в два раза).
Следует подробно остановиться на пояснении момента работы заявляемого устройства при низком уровне продукта в резервуаре, когда поплавок уровня 14 касается поплавка плотности 15 и измерение уровня производится совместно обоими поплавками.
Наиболее заметно это проявляется при высокой плотности продукта, когда поплавок плотности 15 находится в наивысшей точке и сильнее воздействует на поплавок уровня 14 (выталкивает из жидкости).
В момент соприкосновения поплавка уровня 14 с поплавком плотности 15 для исключения ошибки измерений плотности в микропроцессорной схеме управления и обработки сигналов 7 происходит запоминание последнего правильного значения плотности продукта в резервуаре, зафиксированного до соприкасания поплавков уровня и плотности и дальнейший пересчет плотности по температуре по известным таблицам зависимости изменения плотности от температуры.
До соприкосновения поплавков уровня 14 и плотности 15 глубина погружения поплавка уровня Ну вычисляется по формуле (7).
При соприкосновении поплавков уровня 14 и плотности 15 получается эквивалентная поплавковая система с параметрами:
Эквивалентная масса
У
где М - масса поплавка уровня 14;
П
М - масса поплавка плотности 15;
Ц
М - масса уравновешивающих цепочек 16, нагружающих поплавок плотности 15.
Эквивалентный объем
У
где V - объем погруженной части поплавка уровня 14;
П
V - объем поплавка плотности 15;
Ц
V - объем уравновешивающих цепочек 16.
Уравнение равновесия эквивалентной поплавковой системы:
Подставим уравнения (17) и (18) в уравнение (20):
УЭ
Подставим в уравнение (21) уравнение (19) и выведем выражение для глубины погружения эквивалентной поплавковой системы Н:
Для осуществления измерения уровня в микропроцессорную схему управления и обработки сигналов 7 введена специальная программа, которая обеспечивает измерение уровня с учетом вышеописанных формул.
Благодаря измерению уровня двумя поплавками после их соприкосновения производится измерение уровня продукта вплоть до момента упора поплавка плотности без потери точности измерений уровня (наименьшее значение измерения уровня, которое составляет, как отмечалось ранее, 200-250 мм), то есть существенно расширяется диапазон измерений уровня в нижней части резервуара.
Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых токов описываемое устройство для измерения уровня и плотности легко реализуемо во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерении уровня и плотности во взрывоопасных средах, например при работе с нефтепродуктами или сжиженными газами, а также в портативных устройствах с питанием от батареи или аккумулятора.
На предприятии-заявителе был изготовлен опытный образец описанного устройства для измерения уровня и плотности и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого технического решения.