УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING DENSITY AND LEVEL OF LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения параметров жидких сред, например, в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, где требуется учет количества жидкости (масса, объем), хранящейся в резервуарах.
Уровень техники
Для определения количества жидкости в резервуаре с известной геометрией необходимо определить среднюю плотность и величину высоты столба (уровень) заполняющей его жидкости. Для контроля уровня существуют уровнемеры, работающие на различных физических принципах, например магнитострикционные, гидростатические, радиоимпульсные и т.п. Для измерения плотности могут использоваться приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометр - датчик дифференциального давления, измеряющий перепад давления по вертикали между двумя базовыми точками, выходной сигнал которого затем пересчитывается в плотность заполняющей жидкости.
Можно измерять уровень жидкости и среднюю плотность при помощи датчика уровня и датчика дифференциального давления, установленных на резервуаре раздельно. Этот способ имеет следующие недостатки.
1. Для установки датчика дифференциального давления необходимо и обязательно использовать выносные мембранные разделители, соединенные с чувствительными элементами датчика, трубками (шлангами), заполненными специальной жидкостью, которая, расширяясь или сжимаясь в зависимости от изменения температуры окружающей среды, вносит дополнительную погрешность измерения разности давления.
2. Так как выносные мембранные разделители установлены раздельно, то необходимо иметь значения линейных размеров между базовыми точками установки датчика уровня и мембранных разделителей датчика дифференциального давления, что в полевых условиях вызывает серьезные затруднения, а соответственно также приводит к появлению дополнительных погрешностей измерения плотности.
Известен гидростатический преобразователь давления APR-2200D, выпускаемый фирмой APLISENS Ltd. (http://www.aplisens.ru), сконструированный на основе преобразователя разности давлений с двумя дистанционными разделителями. Размещенные на фиксированном расстоянии мембранные разделители смонтированы вместе с преобразователем разности давлений в защитной трубе. Устройство измеряет гидростатическое давление, создаваемое столбом жидкости, расположенным между уровнями, соответствующим осям разделителей. При условии однородности среды в столбе можно считать, что входным сигналом преобразователя является плотность столба среды. Данный способ имеет следующие недостатки.
1. Зеркало измеряемой среды должно находиться выше верхних уравнительных отверстий трубы, что требует постоянного поддержания уровня заполнения резервуара на величину не менее 1 м.
2. Плотность может быть измерена только на высоте столба высотой 700 мм, что не является средней плотностью по резервуару.
3. Прибор не измеряет уровень жидкости в резервуаре, что требует дополнительной установки датчика уровня для возможности его использования в системах измерения количества жидкости.
Известно устройство для измерения уровня или плотности жидкости (заявка на изобретение №2010114354), содержащее датчик дифференциального давления, резервуар с контролируемой жидкостью и размещенные между ними соединительные линии с разделительной жидкостью, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок регистрации и управления и два управляемых дозатора разделительной жидкости, при этом электрически выход датчика дифференциального давления соединен с входом блока регистрации и управления, информационный выход блока служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока подключены к управляющим входам дозаторов, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика дифференциального давления и входами соединительных линий, а соединительные линии выполнены в виде капиллярных трубок.
Недостатки - соединительные линии требуют точного расположения в заданных точках, требуется сложная система дозирования разделительной жидкости, большая погрешность измерения уровня, особенно при широком диапазоне уровней.
Наиболее близким по принципу действия является устройство для измерения уровня, плотности, границы раздела и температуры жидкости в резервуаре (Патент РФ №2188396), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит трубку, погруженную в контролируемую среду, на которой расположены через равные расстояния чувствительные элементы, имеющие нормально разомкнутый контакт, последовательно соединенный с резистором, а все выходные цепи чувствительных элементов соединены параллельно и подключены к преобразователю, который через контроллер управляет клапанами, а плюсовая камера дифманометра через клапан соединена с блоком питания воздухом, регулируемый задатчик перепада давления присоединен к пневмолинии параллельно клапану и содержит последовательно соединенные клапаны, между которыми включена пневмоемкость. В трубке создается избыточное давление воздуха, вызывающее выдавливание из нее столба жидкости. По достижении уровня жидкости в трубке чувствительных элементов, расположенных на известном расстоянии, фиксируется перепад давления, созданный гидростатическим столбом с высотой, равной дистанции между соседними чувствительными элементами.
Существенным недостатком описанного устройства-прототипа можно считать относительную сложность технической реализации, обусловленную необходимостью реализации пневматической системы управления сжатым воздухом, включающей в себя пневмокомпрессор, клапаны управления, систему пневмолиний, а также применением n дискретных чувствительных элементов, требующих точного размещения на трубке. Также недостатком устройства является то, что средняя плотность по высоте резервуара вычисляется путем усреднения n измерений (по количеству чувствительных элементов) средних плотностей слоев жидкости, вследствие чего увеличивается постоянная времени измерения средней плотности и снижается оперативность получения информации.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства, обеспечивающего оперативный контроль средней плотности жидкости в резервуаре с помощью простой технологии процесса измерений.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения плотности и уровня жидкости, содержащее дифманометр, который соединен плюсовой камерой с трубой, погруженной в контролируемую среду, а минусовой камерой - со свободным от жидкости пространством резервуара, введен двухпоплавковый датчик уровня, измерительный элемент которого установлен внутри трубы, а сама труба выполнена в виде колокола с расширением в нижней его части (далее - колокол). При этом первый поплавок датчика уровня охватывает колокол снаружи, а второй поплавок находится под колоколом в расширенной его части на измерительном элементе датчика уровня. Измерительный элемент датчика уровня и колокол герметично соединены в верхней части колокола, при этом между ними присутствует зазор, позволяющий передавать воздействие гидродинамического давления в плюсовую камеру дифманометра, герметично соединенную с колоколом.
Благодаря перечисленным существенным признакам заявляемое устройство позволяет измерить разность давлений под колоколом и над поверхностью жидкости, по которой вычисляют плотность жидкости (среднее значение по высоте гидростатического столба). Изменение величины давления газа, заполняющего колокол, не влияет на конечный результат измерений, т.к. компенсируется измерением изменения высоты разностного гидростатического столба. Таким образом, достигается непрерывное измерение средней плотности жидкости, в том числе и в процессе изменения ее количества (уровня). Техническая реализация заявляемого устройства значительно проще прототипа и может быть исполнена в едином конструктиве для удобства монтажа на резервуаре. В качестве датчика уровня и дифманометра в составе заявляемого устройства могут быть применены низкоэнергетические приборы, например, с интерфейсом 4-20 мА и HART протоколом, что позволяет обеспечить его взрывобезопасность и подключение по двухпроводной линии. Технология процесса измерений также проще по сравнению с прототипом и заключается в обработке данных, получаемых от датчиков, в электронно-вычислительном устройстве в составе устройства или во внешнем контроллере.
На фигуре 1 графической иллюстрации приведена конструкция заявляемого устройства для измерения плотности и уровня жидкости, в разрезе.
Осуществление изобретения
1
(+)
изб.
Устройство для измерения плотности и уровня жидкости содержит колокол из немагнитного материала 1, магнитострикционный датчик уровня 2, первый магнитный поплавок 3, второй магнитный поплавок 4, дифманометр 5, электронно-вычислительное устройство 6. Устройство размещается вертикально в резервуаре 7, заполняемом контролируемой жидкостью. Внутри колокола 1, по всей длине, установлен измерительный элемент датчика уровня 2, который предназначен для измерения уровня жидкости в резервуаре (Н) на границе 8 при помощи первого поплавка 3 и уровня жидкости под колоколом (H) на границе 9 при помощи второго поплавка 4. Измерительный элемент датчика уровня 2 и колокол 1 герметично соединены в верней части колокола, при этом между ними присутствует зазор, позволяющий передавать воздействие гидродинамического давления (Р) в плюсовую камеру дифманометра 5, герметично соединенную с колоколом 1. Минусовая камера дифманометра 5 соединена со свободным от жидкости пространством резервуара для измерения воздействия избыточного давления (Р). Сигналы от датчика уровня 2 и дифманометра 5 обрабатываются в электронно-вычислительном устройстве 6.
Устройство для измерения плотности и уровня жидкости может быть выполнено в виде колокольно-дифференциального плотномера.
В качестве материала колокола могут быть использованы: немагнитная нержавеющая сталь марки AISI.316L, химически стойкие полимеры и т.п.
В качестве магнитострикционного датчика уровня может использоваться магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, зарегистрированный как полезная модель по патенту РФ №134631, типа ПЛП1000Н с погрешностью измерения ±1 мм.
Дифманометр может быть следующего типа: АИР-10Н ДД, погрешность 0,1%.
В качестве электронно-вычислительного устройства может использоваться любой промышленный контроллер, имеющий вход для ввода аналогового сигнала с поддержкой HART протокола, или HART-модем, например KP-HART, подключенный к ПК.
Колокольно-дифференциальный плотномер работает следующим образом.
(+)
При заполнении резервуара жидкостью до уровня Н под колоколом 1 образуется пневмоподушка, давление которой Р воздействует на плюсовую камеру дифманометра 5 и определяется формулой:
(+)
изб
ΔН
Р=Р+Р,
где:
изб
Р - избыточное давление газа в резервуаре;
ΔН
Р - давление, создаваемое столбом жидкости высотой ΔН.
ΔН
Давление Р, создаваемое столбом жидкости высотой ΔН, определяется формулой:
ΔH
H
H1
Р=P-P,
где:
H
P - давление, создаваемое столбом жидкости, высотой Н;
H1
P - давление, создаваемое столбом жидкости, высотой H1.
На минусовую камеру датчика дифманометра 5 воздействует давление:
(-)
изб
Р=Р.
Значение величины перепада давления ΔР, измеряемое дифманометром 5, определяется формулой:
(+)
(-)
изб
ΔH
изб
ΔH
ΔР=Р-Р=(Р+Р)-Р=Р.
Значения уровней жидкости Н и H1 измеряются датчиком уровня 2, а значение величины ΔН вычисляется в электронно-вычислительном устройстве 6 по формуле:
ΔН=Н-H1.
Используя формулу для вычисления гидростатического давления Р=ρgh, в электронно-вычислительном устройстве 6 вычисляется средняя плотность жидкости по формуле:
ρ=ΔР/gΔН,
где:
g - ускорение свободного падения.