УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД
DEVICE TO IDENTIFY DENSITY OF FLUID MEDIA

Изобретение относится к области контроля плотности жидких сред и может быть использовано для непрерывного контроля плотности технологических жидкостей.
Известно устройство для измерения плотности жидкости, основанное на фиксации положения флотационного равновесия, создаваемого при помощи электромагнитной силы соленоида, действующей на помещенный в его магнитное поле ферромагнитный сердечник, вертикально встроенный в стеклянный поплавок, которая компенсирует разность сил тяжести поплавка и выталкивающей Архимедовой силы.
Недостатками устройства являются громоздкость, низкая точность, инерционность измерений ввиду необходимости фиксации момента флотационного равновесия посредством визуальных наблюдений за положением поплавка. [1].
Известно другое устройство для измерения плотности жидкости, также содержащее электромагнитный соленоид, при этом принцип действия устройства основан на измерении скорости всплытия поплавка под действием результирующей силы Архимеда и силы тяжести [2].
Недостатком устройства является низкая точность измерений ввиду влияния величины вязкости жидкости и напряженности магнитного поля на скорость перемещения поплавка и необходимость наблюдений за его положением.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа, включающее измерительную немагнитную камеру с контролируемой жидкостью и находящимся в ней поплавком, имеющим корпус из немагнитного материала, содержащим внутри корпуса магниточувствительное вещество, сенсорную и соленоидную катушки, размещенные снаружи измерительной камеры, причем сенсорная катушка подключена ко входу регулируемого источника напряжения и параллельно ко входу измерительного индикатора, а соленоидная катушка подключена к выходу регулируемого источника напряжения. [3]
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность проведения непрерывных измерений плотности контролируемой жидкости в ходе технологического процесса, так как измерительная кювета должна порционно заполняться исследуемой жидкостью;
- сложность фиксации положения флотационного равновесия поплавка измерительной камеры и низкая точность фиксации этого положения, обусловленная наличием внутри поплавка твердотельного магнита, центр тяжести которого не совпадает с центром тяжести корпуса поплавка, что создает момент вращения поплавка относительно продольной оси измерительной камеры и приводит к нестабильности положения поплавка в процессе измерений, а это вносит дополнительную погрешность, которую трудно учесть при каждом отдельном измерении;
- необходимость использования, в ряде случаев, визуальных методов фиксации флотационного равновесия поплавка, что не позволяет использовать данное устройство в автоматизированных системах измерения и контроля технологических процессов;
- необходимость использования термостатирования измерительной камеры;
- дискретность и инерционность процесса измерений;
- низкая точность, обусловленная необходимостью визуального контроля положения поплавка.
Целью предлагаемого технического решения является обеспечение возможности проведения непрерывного измерения плотности, упрощение конструкции и повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем измерительную немагнитную камеру с контролируемой жидкостью и находящимся в ней поплавком, имеющим корпус из немагнитного материала, содержащим внутри корпуса магниточувствительное вещество, сенсорную и соленоидную катушки, размещенные снаружи измерительной камеры, причем сенсорная катушка подключена ко входу регулируемого источника напряжения и параллельно ко входу измерительного индикатора, а соленоидная катушка подключена к выходу регулируемого источника напряжения, измерительная камера дополнительно снабжена входным и выходным патрубками для подключения ее к магистральному трубопроводу с контролируемой жидкостью, корпус поплавка измерительной камеры выполнен из эластичного немагнитного материала, в качестве магниточувствительного вещества, содержащегося внутри корпуса поплавка измерительной камеры, применена ферромагнитная суспензия ("магнитная жидкость").
По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение отличается тем, что
- измерительная камера снабжена входным и выходным патрубками с возможностью подключения к магистральному трубопроводу;
- корпус поплавка представляет собой оболочку, выполненную из эластичного немагнитного материала;
- в качестве магниточувствительного вещества используется ферромагнитная суспензия.
Кроме того, корпус поплавка может быть выполнен:
а) сферической (шарообразной) формы (для увеличения устойчивости поплавка);
б) цилиндрической формы (для повышения чувствительности устройства);
в) в форме эллипсоида вращения (для уменьшения гидравлического сопротивления поплавка и увеличения чувствительности);
г) конической формы.
Корпус поплавка может быть заполнен ферромагнитной суспензией:
а) целиком (для увеличения чувствительности к магнитному полю);
б) частично (для повышения устойчивости положения поплавка к вибрации и т.д.) и, следовательно, повышения точности измерений, причем:
в) объем внутренней полости поплавка, свободный от ферромагнитной суспензии, может быть заполнен магнитно-инертной средой (например, силиконовым маслом) для сохранения постоянства давления внутри полости и исключения испарения магнитной суспензии внутри нее.
Указанные признаки с их функциями не выявлены в других технических решениях для устройств измерения плотности, что соответствует критерию «существенные отличия».
Положительным эффектом при осуществлении заявленного технического решения будет обеспечение непрерывности измерений, повышение быстродействия устройства, повышение точности измерений плотности.
На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства.
Устройство содержит:
измерительную камеру 1, которая выполнена из диэлектрического немагнитного материала и имеет входной 2 и выходной 3 патрубки для подключения к магистральному трубопроводу. Внутри измерительной камеры 1 находится поплавок 4, который удерживается в положении равновесия электромагнитным усилием соленоида 5. Корпус 6 поплавка 4 выполнен из эластичного немагнитного материала и заполнен магниточувствительным веществом 7, причем в качестве магниточувствительного вещества используется ферромагнитная суспензия. Величина перемещения поплавка определяется величиной тока сенсорной катушки 8, подключенной ко входу регулируемого источника напряжения 9, и параллельно ко входу измерительного индикатора 10.
При этом корпус поплавка может быть выполнен:
а) сферической (шарообразной) формы (для увеличения устойчивости поплавка);
б) цилиндрической формы (для повышения чувствительности устройства);
в) в форме эллипсоида вращения (для уменьшения гидравлического сопротивления поплавка и увеличения чувствительности);
г) конической формы.
Корпус поплавка может быть заполнен ферромагнитной суспензией:
а) целиком (для увеличения чувствительности к магнитному полю);
б) частично (для повышения устойчивости положения поплавка к вибрации и т.д.) и, следовательно, повышения точности измерений, причем:
в) объем внутренней полости поплавка 11, свободный от ферромагнитной суспензии, заполнен инертной средой для обеспечения постоянства давления внутри полости и исключения испарения ферромагнитной суспензии (например, силиконовым маслом).
Устройство работает следующим образом:
контролируемая жидкость циркулирует в измерительной камере 1 через входной 2 и выходной 3 патрубки, подключенные к магистральному трубопроводу. При изменении плотности контролируемой жидкости поплавок 4 смещается относительно исходного положения. Величина перемещения поплавка определяется по величине тока сенсорной катушки 8, фиксируемого измерительным индикатором 10 и зависящего от плотности контролируемой жидкости:
I=kΔh,
где I - величина тока сенсорной катушки, A; k - коэффициент пропорциональности; Δh - перемещение поплавка, зависящее от плотности контролируемой жидкости (и определяемое соотношением:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>м</mi><mi>ж</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mrow><mi>ρ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
мж
3
3
3
где R - характерный радиус (размер) поплавка, м; ρ - плотность магнитной жидкости, кг/м; ρ - плотность контролируемой жидкости, кг/м; Δρ - изменение плотности контролируемой жидкости, кг/м.
Сигнал от сенсорной катушки 8 поступает на вход источника регулируемого напряжения 9 и измерительного индикатора 10, выходной сигнал с источника регулируемого напряжения 9 подается на соленоид 5, электромагнитным усилием которого поплавок 4 удерживается на уровне h в кювете, зависящем от текущего значения плотности р контролируемой жидкости.
Предлагаемое техническое решение может найти применение для непрерывного измерения, например, плотности жидких нефтепродуктов, текущих по магистральному трубопроводу, а также в замкнутых системах регулирования плотности технологических жидкостей.
Используемые источники
1. Clarke A.L. Density determination on small liquid samples, - J. Scient. Instrum., 1967, vol. 44, №5, p.382-384.
2. Emmet R.T., Millero F.J. Direct measurement of the specific volume of seawater from -2 to 40°C. - J. Geophys. Res., 1974, vol.79, №24, p.3463-3472.
3. Beams J.W., Clarke A.M. Magnetic suspension balance method for determining densities and partial specific volumes. - Rev. Sci. Instrum., 1962, vol.33, №7, p.750-753.