Ареометрический датчик плотности

Полезная модель относится к измерительной технике, предназначенной для измерения плотности жидких сред, преимущественно для определения плотности бурового раствора.
Известен поплавковый плотномер жидкости (SU 1182334, Кл. G01N 9/12, 1985 г.), состоящий из поплавка, подвешенного с помощью нити к измерительной головке, в виде рычажных весов. Нить прикреплена к одному из плеч коромысла рычажных весов, а на противоположном плече подвешен груз, уравновешивающий поплавок при среднем значении плотности контролируемой жидкости в измерительном диапазоне. К оси призмы весов прикреплен рычаг, расположенный к коромыслу весов под углом 90° и несущий противодействующий груз. Ось призмы весов также жестко соединена с осью рамки ферродинамического дистанционного преобразователя или с осью ротора сельсинного дистанционного преобразователя перемещения по бессекторной передаче при помощи П образной скобы. Поплавок и термосопротивление погружены в контролируемую жидкость, рядом с поплавком, а рычажная система весов размещена внутри корпуса, для защиты от механических повреждений. На тросе жестко закреплен упор, который упирается в дно корпуса и предохраняет движущие части рычажных весов и преобразователей от чрезмерных нагрузок со стороны поплавка.
Однако данный поплавковый плотномер имеет достаточно сложную конструкцию и может использоваться в стационарных лабораторных условиях, без повышенных нагрузок на измерительные элементы. Кроме того данных плотномер не рассчитан на исследование жидкой среды с включениями, такой как буровой раствор, с возможностью определения плотности непосредственно на буровых установках при широком диапазоне температур.
Проблемой полезной модели является разработка простого по конструкции ареометрического датчика плотности, с возможностью его работы в полевых условиях для определения плотности бурового раствора в широком диапазоне температур.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции и повышение точности измерения плотности бурового раствора.
Технический результат достигается тем, что ареометрический датчик плотности включает поплавок, подвешенный на нити, прикрепленной к измерительной головке. Согласно полезной модели датчик дополнительно включает полую штангу, внутри которой расположена нить соединяющая поплавок с измерительной головкой. Измерительная головка снабжена магнитным предохранителем для ее защиты от случайных перегрузок. Поплавок закреплен внутри перфорированного защитного кожуха, в нижней части которого установлен штыревой упор.
Полую штангу целесообразно выполнять складной, длиной 2,5 м для удобства транспортировки.
Для установки и закрепления датчика на емкости с измеряемой жидкостью, он снабжен кронштейном.
3
Поплавок преимущественно выполнен в виде шара – груза объемом 0,001 м и массой 2,8 кг.
Штыревой упор выполнен съемным, размером от 240 до 450 мм.
На внутренних стенках защитного кожуха смонтированы направляющие для ограничения перемещение поплавка.
Ареометрический датчик плотности выполнен в искробезопасном и во взрывозащищенном исполнении.
Выполнение штанги полой, внутри которой проходит нить с прикрепленной к ней поплавком, обеспечивает во время замера плотности бурового раствора защиту от случайных механических повреждений, а также от воздействий извне, мешающих точности замера плотности.
Наличие защитного кожуха для поплавка, шара - груза обеспечивает его предохранение от внешних помех, влияющих на точность измерения.
Наличие сменных штыревых упоров разной длины необходимы для выбора уровня установки датчика относительно дна емкости. При транспортировке сменные упоры выполняют функцию стопора для шара – груза.
3
Объем 0,001 м и массой 2,8 кг шара – груза выбран экспериментальным путем для возможности определения плотности бурового раствора в экстремальных условиях непосредственно на буровых установках при широком диапазоне температур.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1, представлена установка в разрезе; на фиг. 2 – установка в рабочем положении.
3
Ареометрический датчик плотности выполнен в искробезопасном и во взрывозащищенном исполнении и содержит поплавок, выполненный в виде шара – груза 1, объемом 0,001 ми массой 2,8 кг. Шар – груз 1 подвешен на нити 2, прикрепленной к измерительной головке 3, снабженной магнитным предохранителем (на фиг. не показано) для ее защиты от случайных перегрузок. Нить 2 пропущена внутри полой штанги 4 и соединяет шар-груз 1 с измерительной головкой 3. Шар – груз 1 помещен внутри защитного кожуха 5, загораживающего шар – груз 1 от потоков жидкости. В нижней части кожуха 5 установлен штыревой упор 6, выполненный съемным. Преимущественно используют 3 упора разной длины от 240 до 450 мм. Съемные штыревые упоры 6 используют разной длины для выбора уровня установки датчика относительно дна емкости, что необходимо в случаях  заиливания дна ёмкости при буровых работах. При транспортировке сменные упоры выполняют функцию стопора для шара-груза 1. Полая штанга 4 выполнена складной, длиной 2,5 м для удобства транспортировки. В рабочем положении она скреплена хомутом 7, который служит для перевода устройства из транспортного положения в рабочее. При ее разборке верхняя часть штанги 4 снимается. Это позволяет менять высоту изделия, измерительная головка 3 при этом устанавливается на оставшуюся часть штанги 2. Для установки и закрепления датчика на емкости с измеряемой жидкостью, он снабжен кронштейном 8. Для ограничения перемещения шара - груза 1 на внутренних стенках защитного кожуха 5 закреплены направляющие 9.
Ареометрический датчик плотности работает следующим образом.
Перед каждой установкой датчика плотности на месте эксплуатации необходимо убедиться, что масса и объём шара-груза 1 не изменились за счет посторонних образований или вмятин на его поверхности, а также убедиться в том, что шар-груз 1 свободно перемещается внутри защитного кожуха 5. Такую проверку можно выполнить, зафиксировав показания отградуированного датчика на воздухе, т.е. когда шар-груз 1 не погружен в исследуемую жидкость. На воздухе показания на измерительной головке 3 должны показывать значение плотности, близкое к нулю. Если показания отрицательные, это свидетельствует об увеличившейся массе шара-груза 1 и необходимости его чистки. Если показания больше нуля, то необходимо очистить пространство между шаром-грузом 1 и защитным кожухом 3.
3
3
3
Принцип действия прибора основан на том, что на тело постоянного объема, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, пропорциональная плотности этой жидкости. Так в воде с плотностью 1 г/см на шар-груз 1 объёмом 0,001 м действует выталкивающая сила = 1 кг. Так как шар-груз 1 массой 2,8 кг в воде весит 1,8 кг. В жидкости с плотностью 2,5 г/см выталкивающая сила 2,5 кг, а вес шара-груза 1 в этой жидкости соответственно 0,3 кг.
Шар-груз 1 погружен в контролируемую жидкость и соединен с измерительной головкой 3 длинной тонкой нитью 2. В измерительной головке 3 находится тензопреобразователь веса и плата электроники, преобразующая измеренный вес шара-груза 3 в цифровой код, пропорциональный весу. В корпусе измерительной головки 3 находится магнитный предохранитель (на фиг. не показан), защищающий измеритель веса от перегрузок при случайных сильных встряхиваниях датчика. При натяжении нити 2 более 5 кг предохранитель размыкается, и нить 2 отсоединяется от датчика. Для дальнейшей работы следует сомкнуть две части магнитного предохранителя. Точность показаний датчика, прежде всего, зависит состояния шара-груза 1. Шар-груз 1 должен находиться в свободно подвешенном состоянии, быть полностью погруженным в жидкость и на нем не должно образовываться дополнительной массы, существенно снижающей точность измерения плотности жидкости. Также следует не допускать попадания грязи во внутреннюю полость измерительной головки 3.
Для перевода датчика плотности из транспортного положения в рабочее (рис.2) необходимо:
– снять транспортный хомут 7;
– разложить складную штангу 4 и закрепить винтом. При установке датчика в неглубокую емкость можно отсоединить верхнюю часть штанги 4, а измерительную головку 3 установить на нижнюю часть штанги 4;
– установить на штангу 4 кронштейн 8 для закрепления к краю емкости;
– открыть окошко (на фиг. не показано) в измерительной головке 3, где расположен магнитный предохранитель. Присоединить нить 2 от шара-груза 1 так, чтобы шар – груз 1 оказался подвешенным на нити 2 к измерительной головке 3 через магнитный предохранитель. Закрепить головку 3 крепежным хомутом 10;
– выдвинуть штыревой упор 6 так, чтобы шар-груз 1 оказался в подвешенном состоянии;
– подсоединить кабель к датчику плотности.
Ареометрический датчик плотности установить в емкость с буровым раствором упором 6 вниз строго вертикально так, чтобы упор 6 встал на дно емкости, и закрепить кронштейном 8.
3
Ареометрический датчик плотности может работать в широком диапазоне измерения плотности жидкости от 800 до 2500 кг/м, при экстремальных условиях на буровых установках при температуре от минус 50 до плюс 85°С и относительной влажности до 95%. Конструкция проста в изготовлении и может найти широкое применение при измерении плотности жидкости в полевых условиях.
В настоящее время ареометрический датчик плотности проходит экспериментальные испытаний для постановки продукции на серийное производство с целью подтверждения работоспособности и ремонтопригодности датчика в соответствии с требованиями, установленными государственными стандартами для измерительных приборов и оборудования применяемых на буровых установках.