УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ 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.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является 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(1,2), где Р(1,2) - давление соответственно в первой и второй трубке, Н(1,2) - глубина погружения в емкость соответственно первой и второй трубки; плотность ρ=gΔP, где ΔР=(Р1-Р2) - разность давлений в первой и второй трубках. При перемешивании жидкости в емкости возникают ламинарные (не
2
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.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности и надежности измерения плотности в процессе приготовления растворов при интенсивном перемешивании за счет исключения влияния динамической составляющей давления в потоке.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения плотности жидких сред, преимущественно буровых и цементных в процессе их приготовления, включает 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.
В предпочтительных вариантах выполнения устройства:
- измерительная камера установлена коаксиально в емкости с контролируемым раствором;
- измерительная камера установлена в боковой зоне емкости с контролируемым раствором;
- измерительная камера выполнена в виде выносного отсека, примыкающего к боковой стенке емкости поверхностью с прорезью и сообщающейся с ее полостью посредством идентичной ответной прорези в стенке емкости;
- устройство снабжено гидравлической фильтрующей камерой с щелевой прорезью, установленной концентрично с измерительной камерой, причем щели упомянутых камер смещены относительно друг друга;
- измерительная и гидравлическая фильтрующая камеры имеют цилиндрическую или прямоугольную форму;
- погруженные в раствор концы пьезометрических трубок оснащены наконечниками 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, 5, 7, 9, 11 показаны варианты выполнения измерительной камеры, на фиг.4, 6, 8, 10, 12 - соответственно сечения по Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д и Е-Е указанных изображений.
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. Конструкция указанных камер предполагает наличие в них небольших щелевых прорезей 6 и 8 (фиг.1-6), при расположении плотномеров возле мешалок или в виде бокового отсека с щелевой прорезью на удаленном от мешалок расстоянии (фиг.7-12), для передачи статического давления.
Пьезометрические трубки 2 и 3 оснащены наконечниками 29 и 30 с антиадгезионным (противоприлипающим) покрытием.
В вариантах выполнения устройства измерительная камера 4 может быть установлена коаксиально в емкости 5 (фиг.1) или в ее боковой зоне (фиг.3, 5) или может быть выполнена в виде выносного отсека 31, примыкающего к боковой стенке емкости 5 поверхностью с прорезью 6 и сообщающейся с ее полостью посредством идентичной ответной прорези в стенке емкости 5.
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 (фиг.10, 12).
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(1,2).
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=ρgH1 и Р2=ρgH2, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, H1 и Н2 - глубины погружения 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 ρ.
Следовательно, выходной электрический сигнал преобразователя 23 также пропорционален плотности ρ.
Контроль уровня в емкости производится путем измерения глубины погружения H1 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 давлений в пьезометрических трубках 2 и 3, возникающих вследствие отделения пузырей воздуха от нижних торцевых кромок наконечников 28 и 29.
Отличительной особенностью измерительной камеры 4, установленной в емкости 5, является то, что плотность жидкости в ней может быть отличной
от измеряемой плотности в емкости 5, при этом жидкость в камере 4 создает статическое давление, равное высоте жидкости, заполняющей объем емкости.
Размеры щелевых прорезей 6 и 8 должны быть минимальными и зависящими только от свойств перемешиваемой жидкости в емкости 5 (плотность, вязкость, проницаемость), в связи с чем будут колебаться от 0,1 мм (для водных растворов солей, красителей, масел и т.п.) до 5÷10 мм (для буровых и цементных растворов). Размеры щелевой прорези, при которых происходит ее кольматирование (заполнение прорези осаждаемыми твердыми частицами раствора) при одном измерении бурового или цементного раствора, составляют в среднем 0,1÷1 мм.
Таким образом, в описанном устройстве на основе предложенного технического решения может быть обеспечено надежное измерение плотности и уровня жидких сред с достаточно высокой точностью в процессе их перемешивания.