Имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа
IMITATION METHOD OF CHECKING DENSITY METERS OF A FLOAT TYPE

В настоящее время известно множество устройств для измерений плотности жидкости в резервуарах - плотномеров. Широкое распространение получили плотномеры поплавкового типа. Наиболее точными плотномерами из этого класса являются магнитострикционные поплавковые плотномеры. Известно два основных вида таких плотномеров:
1 - c частичным погружением поплавка для измерений плотности в поверхностном слое жидкости (поверхностные двухпоплавковые плотномеры: поплавки уровня и плотности), например, описанные в патентах RU №2138028 G01F 23/68, G01N 9/10 от 05.08.1998 г., US 7,278,311 G01F 23/76 от 24.05.2006 г., RU №2351903 G01F 23/28 от 17.12.2007 г., РФ RU №2710008 G01F 23/68 от 17.05.2019 г.;
2 - c полным погружением поплавка для измерений плотности в любом слое жидкости по высоте резервуара (погружные однопоплавковые цепочные плотномеры), например, описанные в патентах RU №2273838 G01N 9/12, G01F 23/62 от 19.05.2005 г., RU №2308019 G01N 9/12 от 20.04.2006 г.
Так как плотномер является средством измерений, то существует задача определения качества измерений, главной характеристикой которого является погрешность измерений - отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Определение погрешности измерений осуществляется в процессе поверки средств измерений после их изготовления или ремонта - первичная поверка и в процессе эксплуатации - периодическая поверка.
При поверке плотномеров используются следующие основные способы:
1 - прямое измерение поверяемым плотномером плотности стандартного образца жидкости с известной плотностью, находящейся в диапазоне измерений плотности поверяемого плотномера;
2 - сличение показаний поверяемого плотномера и эталонного плотномера, при измерении плотности жидкости - компаратора, причем плотность компаратора должна находиться в диапазоне измерений плотности поверяемого и эталонного плотномеров.
Известные способы поверки плотномеров обладают существенными недостатками.
Первый способ:
- стандартные образцы имеют высокую стоимость и ограниченный срок службы из-за загрязнения в процессе проведения поверок;
3
- набор стандартных образцов ограничен по значениям плотности (отсутствуют стандартные образцы с плотностью менее 650 кг/м для поверки плотномеров для сжиженных газов).
Второй способ:
- при поверке плотномеров для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей необходимо соблюдать установленные требования техники безопасности и охраны труда, что существенно усложняет и удорожает поверку плотномеров, после поверки необходимо очищать средства измерений от опасных жидкостей и проводить утилизацию этих жидкостей;
- для поверки плотномеров для сжиженных газов под давлением насыщенных паров необходимо создавать дорогостоящие установки, после поверки необходимо выполнить дегазацию установки.
Наиболее близким к заявляемому имитационному способу поверки плотномеров поплавкового типа является способ сличения показаний поверяемого плотномера с показаниями эталонного плотномера при измерении плотности жидкости (компаратора), недостатки которого описаны выше. Указанный способ изложен в Государственной поверочной схеме для средств измерений плотности, утвержденной приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 ноября 2019 г. №2603. Согласно этому способу (п. 7.2) «Рабочие эталоны применяют для передачи плотности средствам измерений плотности сличением при помощи компаратора… В качестве компаратора применяют воду, жидкости углеродного состава, растворы кислот, растворы Туле, сжиженные углеводородные газы».
Задачей, для решения которой предназначен заявляемый имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа, является создание имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа, в том числе для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей и сжиженных газов, с применением в качестве компаратора воды или другой жидкости без вредных, взрывоопасных и горючих свойств и поверки плотномеров при атмосферном давлении, что позволит значительно уменьшить затраты на проведение поверки.
Поставленная задача достигается созданием имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей и сжиженных газов, заключающегося в измерениях плотности компаратора (жидкости), с помощью поверяемого поплавкового плотномера и эталонного плотномера, и определении абсолютной погрешности измерений плотности, при этом в качестве компаратора используется вода или другая жидкость без вредных, взрывоопасных и горючих свойств с плотностью выше диапазона измерений поверяемого плотномера, перед измерением плотности на поплавок поверяемого плотномера в нижней его части закрепляются симметрично в диаметрально противоположных точках два груза определенной массы, обеспечивающие сдвиг шкалы диапазона измерений плотности поверяемого плотномера до значения плотности компаратора, поверка проводится при нормальном атмосферном давлении, после проведения поверки грузы с поплавка плотности снимаются.
Сущность заявляемого имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей и сжиженных газов заключается в следующем. При поверке плотномеров на поплавок плотности плотномера в нижней его части закрепляются симметрично в диаметрально противоположных точках два груза определенной массы для сдвига диапазона измерений плотности и плотномер помещается в жидкость (компаратор), в качестве которого, например, применяется вода. При этом плотность компаратора выше диапазона измерений плотности поверяемого плотномера. Плотность компаратора измеряется с помощью эталонного плотномера и поверяемого плотномера, при этом определяется абсолютная погрешность измерений плотности поверяемого плотномера по формуле:
изм.
где ρ - значение плотности компаратора, измеренное поверяемым плотномером с учетом сдвига шкалы диапазона измерений;
эт.
ρ - значение плотности компаратора, измеренное с помощью эталонного плотномера.
сдв.
Суммарная масса грузов выбирается такой, чтобы обеспечить сдвиг шкалы диапазона измерений поверяемого плотномера на величину ρ, после чего плотномер может измерять плотность компаратора (воды).
пл.
где ρ значение плотности жидкости в диапазоне измерений плотномера. Таким образом, можно поверять плотномеры в любом диапазоне измерений плотности, имеющем ограничение:
к
где ρ - плотность компаратора.
Рекомендации для правильного выбора компаратора приведены в книге «Артемьев Б.Г., Лукашов Ю.К. Справочное пособие для специалистов метрологических служб. - М.: ИПК - Издательство стандартов, 2004. - 840 с.», на стр. 187 «К четвертой группе относятся компарирующие факторы (в том числе … естественные среды). Для этих факторов требуется лишь стабильность во времени и однородность в объеме, достаточном для размещения сличаемых средств измерений. … Абсолютное значение величин, характеризующих эти факторы, не так существенно. Необходимо лишь, чтобы они обеспечивали функционирование сличаемых средств в их диапазонах измерений. Достаточно контролировать их стабильность».
Из выше приведенного следует, что, например, вода полностью соответствует требованиям, предъявляемым к компараторам.
Математические вычисления, используемые при реализации заявляемого имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа приведены ниже для двух видов поплавковых плотномеров: двухпоплавковых (поверхностных) с частичным погружением поплавка плотности в жидкость и однопоплавковых (погружных) с полным погружением поплавка плотности в жидкость.
Поверхностный плотномер (двухпоплавковый) с частичным погружением поплавка плотности.
Уравнение равновесия поплавка плотности в рабочем диапазоне измерений (без груза):
П
где М - масса поплавка плотности;
П
V - объем погруженной части поплавка плотности;
1
ρ - плотность жидкости.
Уравнение равновесия поплавка уровня в рабочем диапазоне измерений:
У
где М - масса поплавка уровня;
У
1
V - объем погруженной части поплавка уровня в жидкость с плотностью ρ.
После сложения уравнений (4) и (5) получим:
отсюда
2
Уравнение равновесия поплавка плотности при поверке с применением компаратора с плотностью, равной ρ (с грузом):
Г
где М - масса груза;
Г
V - объем груза, который равен
Г
где ρ - плотность материала груза.
2
Уравнение равновесия поплавка уровня при поверке с применением компаратора с плотностью, равной ρ:
У2
2
где V - объем погруженной части поплавка уровня при плотности, равной ρ.
После сложения уравнений (8) и (10) получим:
отсюда
Сдвиг шкалы диапазона измерений плотномера при поверке с грузом
причем
После подстановки в формулу (13) формул (7) и (12) получим
Таким образом, изменяя массу груза можно поверить поверхностный поплавковый плотномер в компараторе (например, в воде) в любой точке диапазона измерений плотности поверяемого плотномера (определить погрешность измерений плотности, измеряя плотность компаратора эталонным плотномером) при условии соблюдения условия (14).
Погружной плотномер (однопоплавковый цепочный с полным погружением поплавка плотности).
Уравнение равновесия поплавка плотности в рабочем диапазоне измерений плотности (без груза):
отсюда
1
где ρ - плотность жидкости;
П
М - масса поплавка плотности;
Ц
М - масса цепочной подвески;
П
V - объем поплавка плотности;
Ц
V - объем цепочной подвески,
в свою очередь
Ц
где L - длина цепочной подвески;
ЦП
М - погонная масса цепочной подвески;
Ц
где ρ - плотность материала цепочной подвески.
2
Уравнение равновесия поплавка плотности при поверке с применением компаратора с плотностью, равной ρ (с грузом):
отсюда
Г
где М - масса груза при поверке;
Г
V - объем груза
Г
где ρ - плотность материала груза.
Сдвиг шкалы диапазона измерений плотномера при поверке с грузом
причем
После подстановки в формулу (23) формул (17) и (21) получим
Таким образом, изменяя массу груза можно поверить погружной плотномер в компараторе (например, в воде) в любой точке диапазона измерений плотности поверяемого плотномера (определить погрешность измерений плотности, измеряя плотность компаратора эталонным плотномером) при условии соблюдения условия (24).
На предприятии были проведены испытания по определению погрешности измерений плотности плотномеров для измерения плотности бензина АИ-92, керосина, дизельного топлива, сжиженного углеводородного газа (СУГ) сначала на компараторе, в качестве которого была вода, и затем непосредственно в вышеуказанных продуктах. Результаты определения погрешности измерений плотности совпали в обоих случаях с учетом погрешности эталонных средств измерений.
Испытания были проведены как на поверхностных (двухпоплавковых) плотномерах, так и на погружных (однопоплавковых цепочных) плотномерах. Полученные результаты полностью подтвердили точность предлагаемого имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа.