ПЛОТНОМЕР ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к устройствам измерения плотности и может быть использована для измерений плотности жидких сред, например, нефти и нефтепродуктов.
Известны устройства измерения плотности жидких сред, в том или ином конструктивном исполнении [1-4], так, например, электромагнитные плотномеры содержат измерительный сосуд с измеряемой жидкой средой, размещенный внутри сосуда поплавок так называемого полного погружения с установленным в нем постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле соленоида и один датчик положения поплавка. О плотности судят по току обмотки соленоида, включенного тем или иным образом в схему измерения. Общим недостатком плотномеров [1-4] является не решенная до конца проблема «нулевой отметки», а именно наличие погрешности измерения за счет смещения поплавка относительно нулевой точки отсчета. Кроме того, устройства, судя по описаниям, не лишены схемных и конструкторских сложностей. К тому же в плотномерах [1-4] изменения вязкости измеряемой среды создают дополнительную погрешность измерения плотности. Измерение плотности высоковязких жидких сред обеспечивается, например, известным плотномером [5] для измерения плотности таковых с повышенной вязкостью, где испытуемую жидкость помещают в специальную полость внутри поплавка с магнитом, а сосуд заполняют контрольной жидкостью с известной плотностью и далее измерения плотности выполняют тем же магнитно-поплавковым методом.
Недостатком такого устройства является его сугубо лабораторное исполнение и сложность адаптации его для систем контроля технологических процессов без существенной конструкторской доработки.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству является устройство-плотномер [6], обладающее
повышенным быстродействием и чувствительностью при одновременном упрощении схемы измерения. Известный плотномер состоит из измерительной емкости с измеряемой жидкостью, катушки индуктивности, ферромагнитного сердечника с притянутым к нему пустотелым поплавком при наличии тока в катушке индуктивности. При выключении тока поплавок под действием выталкивающей силы всплывает и соприкасается с чувствительным элементом датчика, управляющего запуском-остановкой таймера. Способ измерения плотности в данном случае состоит в измерении времени движения (всплывания) поплавка, являющегося мерой искомой плотности жидкости. Действительно, время можно измерить со сколь угодно высокой точностью, (а, следовательно, и плотность). И хотя при малых перемещениях поплавка [6] влияние изменения вязкости на точность измерения плотности незначительно, тем не менее, как показывает практика, оно присутствует. Таким образом и в известном устройстве есть существенный недостаток, а именно - влияние вязкости на результат измерения плотности жидкости, а также и изменение вязкости от температуры.
Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемого объекта) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств путем минимизации или исключения влияния вязкости измеряемой жидкой среды и температуры, а, следовательно, и повышение точности измерения искомой плотности.
Как показывают стендовые и промышленные испытания заявляемого устройства и опыт эксплуатации устройства-прототипа, требуемый технический результат достигается тем, что известный плотномер жидкости, содержащий корпус с измерительной полостью, поплавок (в полости) с постоянным магнитом, электрический датчик верхнего положения поплавка, соединенный с таймером и блоком вычисления плотности, электромагнит, источник питания электромагнита, содержит электрический датчик нижнего положения поплавка, так же соединенный с таймером и блоком вычисления
1
2
1
2
плотности, поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом и обмоткой, часть корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре незамкнутого магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а блок вычисления плотности выполнен в виде контроллера с функциями переключения полярности питания электромагнита, измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t и вниз t, или наоборот, (или, что то же самое, скорости перемещения поплавка вверх υ и вниз υ, или наоборот), контроля качества стабилизации электропитания и вычисления плотности жидкой среды.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемое устройство-плотномер для измерения плотности жидкой среды) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами при несомненной промышленной применимости предполагает соответствие заявляемого объекта критериям полезной модели.
На чертеже приведена принципиальная схема плотномера жидкости. Плотномер состоит из корпуса 1 с измерительной полостью 2, поплавка 3 (в полости 2) с постоянным магнитом 4, электрического датчика 5 верхнего положения поплавка, соединенного с таймером и блоком вычисления плотности, электромагнита 6, источника 7 питания электромагнита. Устройство содержит также электрический датчик 8 нижнего положения поплавка, соединенный, как и датчик 5 с таймером и блоком вычисления плотности. Поплавок и постоянный магнит соединены
1
2
1
2
между собой рычагом 9 с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось 10 качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом 11 и обмоткой 12, часть 13 корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а таймер и блок вычисления плотности выполнены в виде единого контроллера 14 с функциями: измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t и вниз t, или наоборот, (или скорости перемещения поплавка вверх υ и вниз υ, или, наоборот) при переключении полярности питания электромагнита по его же командам, и, соответственно, вычисления искомой плотности жидкости с учетом коэффициента масштабирования плотности прибора-плотномера конкретного конструктивного исполнения, то есть заявляемого устройства.
Обязательным условием нормального функционирования устройства (плотномера), гарантирующего его точностные характеристики, является режим малых скоростей перемещения поплавка, когда жидкость обтекает последний ламинарно, а движение поплавка подчиняется закону Стокса [7].
Плотномер жидкости работает следующим образом. В исходном состоянии, после наполнения жидкостью измерительной полости 2 (на чертеже линии подвода и сливания жидкой среды условно показаны стрелками) поплавок 3 находится в неопределенном положении, или, например, между датчиками 5 и 8, расположенными (по высоте корпуса) друг от друга на расстоянии Δh, или в одном из крайних положений, условно изображенных на чертеже пунктирными линиями. При включении источника 7 постоянного (стабилизированного) тока с определенной полярностью, задаваемой (и изменяемой с определенной
1
1
2
2
1
2
1
2
периодичностью на противоположную) контроллером 14, поплавок 3 под силовым воздействием электромагнита 6, взаимодействующего с постоянным магнитом 4, начнет погружение (всплывание), пересекая зону чувствительности одного из датчиков (5 или 8) верхнего или нижнего положения поплавка. Первое срабатывание на поплавок какого-либо из датчиков (или 5, или 8) еще не является информационным с позиции измерения плотности, но оно однозначно определяет местоположение поплавка. После этого по команде контроллера 14 меняется полярность источника 7 постоянного тока, а, следовательно, и направление напряженности магнитного поля электромагнита, под действием которого изменится направление движения поплавка, то есть направление вращения вокруг горизонтальной оси 10 постоянного магнита 4 с рычагом 9 и поплавком 3. Под действием усилия электромагнита 7 поплавок 3 начнет погружение (всплывание), опять проходя зону чувствительности того же датчика 5 (8), тем самым включая таймер, находящийся в контроллере 14 на счет времени t. При достижении поплавком зоны чувствительности датчика 8 (5) счет времени t прекращается. При очередной смене полярности источника постоянного тока поплавок 3 начнет обратное движение, опять пересекая зону чувствительности датчика положения 8 (5) и включая таймер контроллера на счет времени t. При достижении поплавком 3 датчика положения 5 (8) счет времени t прекращается. При условии стабильности тока питания электромагнита 6 время движения поплавка вверх (или вниз) зависит от усилия электромагнита; при этом всегда t≠t и υ≠υ.
Для того, чтобы обеспечить контроль (измерение) плотности жидкости, измерительную полость подсоединяют к трубопроводу через байпасную линию с помощью вентилей (на чертеже не показаны), которыми можно управлять в режиме автоматических измерений с помощью
контроллера, а корпус плотномера и трубчатые элементы его подсоединения снабжают теплозащитной оболочкой.
Рассмотрим алгоритм получения искомой плотности, позволяющий оценить возможное влияние вязкости жидкости на процесс и результат измерения.
Запишем условия равновесия сил, действующих на поплавок при его равномерном движении вверх или вниз.
При равномерном движении поплавка вверх и вниз имеем, соответственно:
п
п
где: Р=ρVg - вес поплавка;
Э
F - тяговое усилие электромагнита (соленоида);
A
ж
п
F=ρVg - архимедова сила, действующая на поплавок;
Т
1
T
2
F'=3πμDυ и F''=3πμDυ - силы трения поплавка в жидкости при условии обтекания поплавка жидкостью ламинарно, вверх (или вниз) соответственно;
g - ускорение силы тяжести;
ж
п
ρ и ρ - плотности измеряемой жидкости и поплавка соответственно;
μ - динамическая вязкость жидкости;
D - диаметр поплавка;
1
2
υ и υ - скорости перемещения поплавка относительно жидкости, вверх и вниз соответственно.
Преобразуем уравнения (1) и (2) к виду:
Из уравнений (3) и (4) имеем соответственно:
1
2
Разность скоростей υ и υ и их сумма будут соответственно равны:
Поделив разность (7) на сумму (8), получим:
Э
где F-Const;
п
V - объем поплавка. Окончательно имеем:
или (что то же самое):
где К - коэффициент масштабирования плотности.
ж
Из формул (11) и (12) следует, что плотность измеряемой среды ρ не зависит от вязкости μ жидкости.
Совокупность существенных признаков плотномера (в том числе и отличительных) обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. СССР, а.с. №1642319, кл. G 01 N 9/12, 9/22, 1991.
2
2. СССР, а.с. №630557, М. Кл. G 01 N 9/12, 1979.
3. СССР, а.с. №389439, М. Кл. G 01 N 9/12, 1973.
6
4. Патент РФ №2082151, М. Кл. G 01 N 9/12, 1995.
5. Кивилис С.С. Плотномеры - М., Энергия, 1980, с.108
6. Евстигнеев А.Н. и др. Дистанционный цифровой измеритель плотности жидких сред. - В кн.: Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств. Л.Т.И. 1976, с.50...53., прототип
7. X.Кухлинг. Справочник по физике. М.: «Мир», 1982, с.129