ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И ЕГО ВАРИАНТЫ
LIQUID DENSITY METER AND ITS VARIANTS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения локальной плотности морской воды в глубоководных (зондирующих и стационарных) океанологических приборах. Оно может быть использовано и в других областях, где есть потребность в точных измерениях локальной плотности жидкости при наличии высоких внешних давлений.
Известны гидростатические измерители плотности жидкостей, содержащие датчики давлений на концах вертикального столба жидкости и использующие разность этих давлений, высоту столба и ускорение свободного падения для вычисления плотности жидкости в столбе [Жемков Е.И. Метод и устройство гидростатического измерения плотности морской воды. Материалы 12 Международной науч. - техн. конф. «Современные методы и средства океанологических исследований. Ч. 1. М., 2011. С. 95-97], [Федотов Г.А. Новая модификация гидростатического метода определения плотности морской воды. Фундаментальные проблемы современной гидродинамики. 2013. Т. 6, №1. С. 58-65].
При высоких внешних давлениях (например, на глубинах в море) такие измерителя не могут обеспечить необходимой высокой точности измерения плотности воды (для определения которой нужна разность давлений на двух разных глубинах) из-за чрезмерных и недостижимых требований к точности измерения непосредственно давлений.
Известны гидростатические плотномеры жидких сред, используемые в нефтеперерабатывающей промышленности и содержащие, например, вертикальную измерительную колонку в виде П-образной трубы из двух параллельных труб разного диаметра, импульсные трубки с эталонной жидкостью, преобразователи температуры и давления, отборники давления, контактные преобразователи разности давлений между столбом эталонной жидкости и столбами измеряемой жидкости в восходящей и нисходящей ветвях, блок обработки информации [Патент РФ на полезную модель №15787. Опубл. 10.11.2000. Бюл. №31. Варламов В.П., Бортасевич B.C., Чуринов М.И. Плотномер жидких сред]. Это устройство по принципу действия и составу является наиболее близким к заявляемому измерителю плотности жидкости. Однако по конструкции оно не пригодно для использования в глубоководных и зондирующих приборах и по составу недостаточно для обеспечения высокой точности измерения локальной плотности жидкости. Кроме того, в нем не раскрыт механизм отбора и передачи давлений в контактные преобразователи разности давлений. Идея построения дифференциального плотномера приводится в источнике [Заявка на изобретение №2013125104 А. Опубл. 10.12.2014. Бюл. №34. Скопинцев С.П. Дифференциальный плотномер: способ и устройство]. Однако в материалах заявки недостаточно раскрыта ее реализуемость.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности использования измерителя в глубоководных приборах и повышение точности измерений локальной плотности среды. Эта цель достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего вертикальную колонку, эталонную жидкость, датчики давления и температуры, блок обработки информации, в заявляемом измерителе плотности жидкости вертикальная колонка выполнена в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, при этом измеряемая плотность жидкости в географической точке на широте ϕ и на глубине z в море определяется по формуле:
3
где  - плотность эталонной жидкости [кг/м];
- средняя температура [°С] и  - среднее давление [Па];
1
ΔP - показание нижнего дифференциального датчика [Па];
2
ΔР - показание верхнего дифференциального датчика [Па];
2
g(ϕ, z) - ускорение свободного падения [м/с];
h - вертикальный размер трубки [м].
Второй вариант устройства содержит два конструктивно идентичных измерителя плотности жидкости с разными плотностями эталонных жидкостей, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:
3
где  и  - плотности эталонных жидкостей [кг/м] в первом и втором измерителях при температурах  [°С] в первом и  [°С] во втором измерителях и общем давлении  [Па];
11
21
ΔР и ΔP - дифференциальные давления в нижних торцах трубок первого и второго измерителей [Па];
12
22
ΔР и ΔР - дифференциальные давления в верхних торцах трубок первого и второго измерителей соответственно [Па].
Третий вариант устройства содержит п конструктивно идентичных измерителей плотности жидкости с разными плотностями эталонных жидкостей, распределенными в диапазоне изменчивости измеряемой плотности, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:
0i
0j
3
где ρ, ρ - плотности i и j эталонных жидкостей [кг/м] при средних температурах  и  [°С] и общем среднем давлении  [Па];
i1
j1
ΔP и ΔP - дифференциальные давления в нижнем торце трубки i-го и j-го измерителей [Па];
i2
2
ΔP и ΔPj [Па] - дифференциальные давления в верхнем торце трубок i-го и j-го измерителей.
Четвертый вариант устройства содержит несколько конструктивно идентичных измерителей плотности жидкости, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, причем дополнительно введен установленный внутри трубки термоэлектрический нагреватель-охладитель эталонной жидкости, вне трубки подключенный к генератору уравновешивающего сигнала нагрев-охлаждение, соединенного по входу с выходом процессора, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:
3
где  [кг/м] - цифровой отсчет кода плотности эталонной жидкости при средней температуре  [°С] и среднем давлении  [Па], уравновешиваемой измеряемую плотность внешней среды в момент времени t.
Структурно-функциональная схема измерителя плотности жидкости представлена на фиг. 1.
-4
-1
-9
-1
7
1
2
1
4
Рассмотрим состав и работу измерителя. В состав устройства входит трубка 1 с патрубком 2 по середине трубки по высоте, объединяющем внутренний объем трубки с эластичным баллоном 3. Трубка 1 и баллон 3 заполнены эталонной жидкостью 4 с известной плотностью  которая меньше или больше измеряемой плотности ρ и зависит от средней температуры  и среднего давления . Торцы трубки герметично закрыты крышками 5 (нижняя) и 6 (верхняя). В крышке 6 имеется отверстие 7 с пробкой для заливки эталонной жидкости. Общий объем эталонной жидкости выполняется таким, чтобы при сжатии внешним давлением на максимальных глубинах уменьшение ее объема происходило за счет стягивания эластичного баллона 3, сохраняя трубку заполненной. Поскольку в рабочем диапазоне температур и давлений коэффициент сжимаемости жидкостей не превышает 10 атм (10 Па), то при работах на больших глубинах в несколько сотен атмосфер (n⋅10Па) изменение объема эталонной жидкости составит на более 1%. В крышках установлены дифференциальные датчики давления 8 - в нижней крышке и 8 - в верхней крышке. Внутри трубки установлены распределенный датчик 9 средней температуры  эталонной жидкости и датчик 10 среднего давления  на середине по высоте трубки. Выходы датчиков поданы на входы вторичных измерительных преобразователей 11-11, выходы которых через коммутатор 12 соединены со входом аналого-цифрового преобразователя 13 и далее со входом процессора 14.
1
2
3
В четвертом варианте устройства в него дополнительно введен генератор 15 нагревателя-охладителя (вне трубки) и нагреватель-охладитель 16 (внутри трубки). Выход процессора 14 соединен с генератором 15 сигнала нагревания-охлаждения, нагруженным на термоэлектрический нагреватель-охладитель Пельтье 16, размещенный одним концом внутри трубки, другим концом вне трубки. При помещении трубки в среду на трубку действуют давление внешней среды; Р - на нижнюю крышку, Р - на верхнюю крышку, Р - на эластичный баллон и эталонную жидкость в середине трубки.
При этом справедливо уравнение гидростатики
1
2
1
2
1
1
2
2
Трубка должна иметь достаточную жесткость, чтобы сохранять форму при давлении Р-Р=ΔР, независимо от величины давлений Р и Р. Материал трубки должен иметь малую теплопроводность и малый коэффициент температурного расширения, чтобы сохранять h. Дифференциальный датчик 8 служит для измерения разности внешнего давления Р и внутреннего давления в нижнем конце трубки. Дифференциальный датчик 8 служит для измерения разности внутреннего давления в верхнем конце трубки и внешнего давления Р. Давление на концах внутри трубки зависит от соотношения плотностей эталонной жидкости  и измеряемой плотности ρ(ϕ, z).
1
3
1
При  внутреннее давление на нижнем входе дифференциального датчика 8 состоит из суммы давления Р, передаваемого из эталонного баллона 3, воспринимающего это давление из внешней среды, и давления вертикального столба эталонной жидкости высотой h, т.е.
2
3
2
При этом внутреннее давление на входе верхнего дифференциального датчика 8 состоит из разности давления Р и давление вертикального столба эталонной жидкости высотой h, т.е.
Сигналы на выходе дифференциальных датчиков будут равны
Сложив два последних выражения, получим
1
2
где h=(h+h).
Приравнивая правые части уравнений (1) и (6), получим
При  как видно из выражений (4) и (5), выходные сигналы дифференциальных датчиков будут отрицательными и выражение (4) примет вид
Таким образом, в устройстве задача измерения плотности жидкости сводится к контролю плотности эталонной жидкости и измерению малых отклонений давлений вертикальных столбов жидкости с измеряемой плотностью и эталонной жидкости. Рациональный выбор эталонной жидкости зависит от конкретных условий использования измерителя. Для обеспечения высокой точности плотности эталонной жидкости необходимо знать . Для измерения локальной плотности морской воды в качестве эталонной жидкости возможно использовать морскую воду с фиксированной соленостью, плотность которой можно контролировать по известному уравнению состояния морской воды, измеряя среднюю температуру  и среднее давление  образца с высокой реализуемой точностью.
1
2
В первом варианте измерителя плотности жидкости (морской воды) для зонда в качестве эталонной принимается жидкость (например, морская вода с заданной соленостью), плотность которой, например, равна плотности в середине диапазона возможных плотностей жидкости (морской воды в среде региона исследования). Точности измерения дифференциальных давлений ΔР и ΔР должно быть достаточно для получения поправок с необходимой точностью к определению искомой плотности среды при однократных измерениях на траектории зондирования.
01
02
Кроме того, в соответствии с выражением (7) необходимо знать g(ϕ, z)h, т.е. иметь привязку ускорения силы тяжести к географической широте ϕ и глубине z точки измерения, а также высоту h столба образцовой жидкости по вертикали. В общем случае, при использовании измерителя локальной плотности морской воды в больших океанографических зондах получение этих данных возможно извне. Однако это усложняет использование предложенного измерителя локальной плотности. Желательно исключить эту информацию при определении плотности поскольку для точки измерения уже имеется плотность эталонной жидкости. Для этого в состав устройства вводятся два измерителя плотности с разными плотностями эталонных жидкостей ρ и ρ, конструктивно выполненных так, что оси трубок расположены параллельно и длины h равны. Это второй вариант устройства. Для пары измерителей получим следующие выражения
которые преобразуем к виду
решение системы уравнений (11) и (12) относительно измеряемой плотности ρ будет
11
21
12
22
где  и  - плотности эталонных жидкостей при температурах  и  и давлении  в первом и втором измерителях; ΔР и ΔР - дифференциальные давления в нижних торцах трубок, а ΔР и ΔР - дифференциальные давления в верхних торцах трубок первого и второго измерителей соответственно.
В выражении (13) отсутствует член g(ϕ, z)h и, следовательно, не требуется привязки g к широте ϕ и глубине z, а также проекции h на вертикаль.
Таким образом, второй вариант устройства инвариантен к величине ускорения силы тяжести (естественной или искусственной), малому отклонению от вертикали, поскольку при значительных отклонениях от вертикали уменьшаются сигналы дифференциальных датчиков давления, что нежелательно.
3
3
10-4
Исследуем вопросы точности. В соответствии с термодинамическим уравнением состояния морской воды TEOS-10 [IOC, SCOR and IAPSO, 2010. The international thermodynamic equation of seawater 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. International Oceanographic Commission, Manuals and Guides. No. 56. UNESCO (English). 196 p. (Available from http://www.TEOS-10.org)], например, требуется точность измерения плотности 0,000004 г/смв диапазоне 1,010000-1,030000 г/ см или в относительных единицах 2*%.
Современные дифференциальные датчики имеют основную погрешность не менее 0,1% и для обеспечения необходимой точности в полном диапазоне изменчивости плотности морской воды потребуется не менее 5-ти поддиапазонов с ±2 Па малыми поддиапазонами изменчивости дифференциального давления, задаваемых разными плотностями эталонной жидкости в 5 измерителях, аналогично стандартным измерениям плотности группой ареометров.
Такое стандартное решение на современном уровне техники представляется труднореализуемым.
Эта задача решается в третьем варианте устройства, в котором используется n измерителей параллельно с одинаковыми значениями h g и разными плотностями  эталонной жидкости. При попарной обработке данных n измерителей по выражению (13) формируется  результатов измерений. При этом суммы систематических и случайных погрешностей парных измерений становятся случайными на множестве результатов измерений и уменьшаются при осреднении по формуле
0i
0j
i1
j1
i2
i2
где ρ, ρ - плотности i и j эталонных жидкостей; ΔP и ΔP - дифференциальные давления в нижнем торце трубки i-го и j-го измерителей; ΔP и ΔP - дифференциальные давления в верхнем торце трубок i-го и j-го измерителей.
Можно ожидать уменьшение среднеквадратической погрешности результата измерения и вычислений по формуле (14) в  раз. Это меньше, чем разбиение на n поддиапазонов. Однако, при этом диапазоны изменчивости давления для всех дифференциальных датчиков будут в n раз больше и, следовательно, проще и дешевле реализуемыми.
Плотность  можно не только контролировать, но и изменять в определенных пределах, регулируя ее среднюю температуру , учитывая, что среднее давление  задается внешней средой.
Для примера зависимость плотности нормальной воды от температуры приведена в таблице 1 из [Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100°С. ГСССД 2-89. Свойства материалов и веществ. Вода и водяной пар. Выпуск 1. Таблицы справочных данных. М.: Изд-во стандартов. 1990].
3
Из таблицы 1 видно, что чувствительность к температуре плотности нормальной воды с ростом температуры растет и при изменении температуры от 4 до 44°С плотность воды изменяется на 0,009341 кг/м. Поскольку реальный диапазон изменчивости плотности, например, морской воды более чем в два раза шире, то необходимо использовать два-три поддиапазона настройки, следовательно, два-три измерителя с разными регулируемыми плотностями эталонной жидкости.
Представляется, что использование нормальной воды и ее стандартных гидротермодинамических характеристик в качестве эталонной жидкости возможно на первом этапе. Целесообразно в дальнейшем, по-видимому, выбрать в качестве эталонной такую жидкость, определение которой было бы менее условным.
0
Для изменения температуры внутри трубки установлен термоэлектрический нагреватель-охладитель 15, включение которого на нагрев или охлаждение осуществляется переменной направления тока, а уровень нагрева или охлаждения задается силой тока генератором сигнала 16, управляемого с выхода процессора 14. Используя сумму сигналов на выходах дифференциальных датчиков, положительную, если плотность эталонной жидкости меньше измеряемой плотности и отрицательную, если плотность эталонной жидкости больше измеряемой плотности, можно подстраивать плотность ρ эталонной жидкости под измеряемую плотность, регулируя уровень ее средней температуры нагревом-охлаждением. Фактически это следящий преобразователь измеряемой плотности, в состав которого включен нагреватель-охладитель 16 и генератор управляющего сигнала 15, соединенный с выходом процессора 14. Это и составляет четвертый вариант измерителя плотности жидкости.
1
2
Здесь возможен режим поразрядного двоичного уравновешивания неизвестной плотности задаваемой плотностью эталонной жидкости, при котором вместо измеряемого по (ΔР+ΔР) и вычисляемого с учетом g(ϕ, z)h второго члена уравнения (7) необходим лишь его знак. При этом отпадают требования к точности измерения и знания значений величин, входящих в выражение для поправки. Однако требуется задание взвешенных малых значений температуры, соответствующих двоично взвешенным малым значениям плотности эталонной жидкости.
Поскольку реализация нескольких новых плотностей  выполняется последовательно, то такой режим из-за снижения быстродействия целесообразно использовать в стационарных приборах.
Измерители плотности жидкости с поразрядным уравновешиванием плотности эталонной жидкости также относится к четвертому варианту устройства с заменой следящего уравновешивания на поразрядное.
При этом сохраняются требования к точности задания плотности эталонных жидкостей и снимаются требования к точности произведения g(ϕ, z)h и необходимости привязки базы к вертикали.