ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ДЛЯ ЖИДКИХ СРЕД

ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ДЛЯ ЖИДКИХ СРЕД
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно - к поплавковым измерителям плотности, и может использоваться в нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности для прецизионных измерений плотности жидких сред с учетом их температуры.
Известно устройство для измерения плотности мсидких сред 1, содержащее проточный корпус, поплавок, снабженный вертикально установленным немагнитным стержнем, дифференциальный индукционный датчик, систему блочных тросов, причем на верхнем конце немагнитного стержня закреплена катушка дифференциального индукционного датчика, а ее сердечник посредством системы блочных тросов подвешен на катушке датчика.
Недостатками такого устройства являются сложность конструкции и низкая надежность в работе, поскольку наличие системы тросов резко снижает эксплуатационные показатели.
Другое известное устройство 2 содержит корпус, внутри которого расположен поплавок, жестко связанный через общий шток с чувствительной электромагнитной головкой, элементы противодействия выталкивающей силе поплавка, выполненные в виде пружин и мембраны.
Такая конструкция также обладает недостатком, поскольку в ней отсутствуют технические средства, обеспечивающую калибровку прибора для достижения высокой точности измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный датчик плотности 3, содержащий поплавок, связанный с упругим противодействующим элементом и дистанционным преобразователем перемещений поплавка, соединенным с блоком регистрации, причем плотномер выполнен в виде измерительного зонда, состоящего из защитного корпуса со сквозными окнами для свободного доступа исследуемой жидкости, направляющих стержней, закрепленных внутри корпуса параллельно его оси, при этом поплавок выполнен в виде сплошного цилиндра и установлен внутри корпуса с возможностью свободного осевого перемещения вдоль направляющих стержней, причем объемная плотность поплавка выбрана в 1,5 - 2 раза превышающей среднее значение объемной плотности исследуемой жидкости.
Одним из недостатков такого датчика является ограниченная область применения, поскольку выполнение поплавка в виде сплошного цилиндра с плотностью, в 1,5 - 2 раза превышающей плотность исследуемой жидкости, ограничивает диапазон измерения величины плотности.
Другим недостатком известного технического решения является недостаточная точность измерения, не позволяющей осуществлять эффективную калибровку, что обуславливается конструкцией поплавка, жестко связанного через общий шток с ферромагнитным элементом.
Отмеченные недостатки устраняются в предлагаемом датчике плотности для жидких сред, содержащем защитный полый корпус, внутри которого расположен подвижный поплавок, соединенный со штоком, связанным с чувствительной головкой, закрепленной в корпусе и образованной подвижным ферромагнитным сердечником и индуктивными элементами, одни из выводов обмоток которых являются выходами информационных сигналов плотномера, и элементы
противодействия выталкивающей силе поплавка, тем, что в него введен дополнительный шток, соосный со штоком поплавка и жестко связанный с ферромагнитным сердечником, элементы противодействия выталкивающей силе поплавка выполнены в виде упругих пластин, расположенных по обе стороны индуктивных элементов, а на концах дополнительного штока установлены калибровочные грузы и элементы регулировки положения ферромагнитного сердечника относительно индуктивных элементов, причем в верхней части штока поплавка расположен упорный элемент, выполненный с обеспечением возможности передачи силового воздействия на торец нижнего калибровочного груза дополнительного штока.
При этом защитный полый корпус выполнен в виде тела вращения, например, цилиндрической формы, в боковых стенках и в нижнем основании корпуса выполнены сквозные отверстия для обеспечения протока жидкой среды, причем внутри корпуса сверху и снизу поплавка расположены предохранительные фиксаторы, выполненные в виде упругих пластинчатых элементов изогнутой формы.
Кроме того, устройство содержит термочувствительный элемент, выход которого является выходом дополнительного информационного сигнала и опорный узел, образованный кольцевым элементом, горизонтальной пластиной и крепежным элементом, выполненным, например, в виде фиксирующего винта, расположенного в отверстии с резьбой, выполненным в стенке кольцевого элемента, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра корпуса на величину технологического зазора, причем опорный узел размещен на внешней боковой поверхности корпуса с обеспечением возможности его перемещения в направлении продольной оси корпуса.
-на фиг. 1 показана конструкция датчика плотности в разрезе;
-на  изображена чувствительная головка датчика плотности в разрезе;
-на фиг. 3 приведен вид на чувствительную головку по стрелке А в направлении вертикальной оси датчика.
Датчик плотности (фиг. 1) содержит защитный полый корпус 1, внутри которого расположен подвижный поплавок 2 с известным объемом и массой, соединенный со штоком 3. Внутри корпуса 1 закреплена чувствительная головка 4, образованная подвижным ферромагнитным сердечником 5 и индуктивными элементами 6, одни из выводов обмоток которых являются выходами информационных сигналов. Ферромагнитный сердечник 5 расположен внутри индуктивных элементов 6. Чувствительная головка 4 представляет собой симметричную термостабильную систему.
В конструкции имеется также дополнительный шток 7, соосный со штоком поплавка 3 и жестко связанный с ферромагнитным сердечником 5, элементы противодействия выталкиваюш,ей силе поплавка, выполненные в виде упругих пластин 8, расположенных по обе стороны индуктивных элементов 6 и зафиксированных внутри корпуса 1.
На концах дополнительного штока 7 установлены калибровочные грузы 9 и элементы 10 регулировки, выполненные, например, в виде гаек и предназначенные для задания требуемого положения ферромагнитного сердечника 5 относительно индуктивных элементов 6.
В верхней части штока 3 поплавка 2 расположен упорный элемент 11, выполненный с обеспечением возможности передачи силового воздействия на торец нижнего калибровочного груза 9, закрепленного на дополнительном штоке 7.
основании 12 корпуса 1 выполнены сквозные отверстия 13 для обеспечения протока жидкой среды, причем внутри корпуса сверху и снизу поплавка расположены предохранительные фиксаторы, выполненные в виде упругих пластинчатых элементов 14,15 изогнутой формы, а также пружина фиксатора 16.
Конструкция содержит также термочувствительный элемент 17, выход которого является выходом дополнительного информационного сигнала. Термочувствительный элемент 17 размещен вблизи придонной зоны корпуса. Наличие термочувствительного элемента 17 обусловлено необходимостью последующей температурной компенсации измеренных значений плотности жидких сред и приведением их к нормальным условиям.
В конструкции предусмотрен также опорный узел, образованный кольцевым элементом 18, горизонтальной пластиной 19 и крепежным элементом 20, выполненным, например, в виде фиксирующего винта, расположенного в отверстии с резьбой, выполненным в стенке кольцевого элемента 18, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра корпуса на величину технологического зазора. Опорный узел размещен на внешней боковой поверхности корпуса 1 с обеспечением возможности его перемещения в направлении продольной оси корпуса.
В верхней части корпуса расположены элементы 21 схемы электронного преобразователя и кабельный жгут 22 для подключения к внешнему блоку анализа и обработки информационных сигналов (на чертежах не показан).
Кроме того, на чертежах (фиг. 1-3) изображены крепежные элементы 23, 24, обеспечивающие крепление и фиксацию соответствующих элементов конструкции в корпусе.
Конструкция корпуса 1 обеспечивает защиту подвижной системы (полого поплавка 2 со штоком 3 и чувствительной головки 4, состоящей из элементов 5 - 10) от внешних механических воздействий.
При хранении или транспортировке датчика поплавок 2 центрируется фиксаторами 14, 15 и пружиной 16 по оси корпуса 1, исключая тем самым возможность биений поплавка 2 о стенки корпуса 1 и ударов по штоку 7 чувствительной головки, что повышает эксплуатационную надежность конструкции.
Поскольку в процессе эксплуатации возможны интенсивные внешние воздействия (изменения температуры и влажности, ударные нагрузки, тряска и т.д.), а также в связи с тем, что отдельные элементы могут подвергаться старению, то ферромагнитный сердечник 5 в чувствительной головке 4 может изменить свое первоначальное положение относительно индуктивных элементов 6, что приведет к увеличению погрешности измерения.
Поэтому после длительной эксплуатации, хранения или транспортировки перед началом измерений значений плотности жидких сред должна осуществляться калибровка плотномера.
Наличие двух раздельных штоков 3 и 7, калибровочных грузов 9, фиксаторов 14 и 15, а также полная симметрия чувствительной головки 4 позволяют произвести предварительную калибровку датчика плотномера без погружения его в эталонную жидкость.
Принцип калибровки основан на контроле за реакцией чувствительной головки плотномера на эталонную нагрузку калибровочный груз 9.
Калибровка осуществляется по двум точкам линейной функциональной характеристики плотномера (не показана).
Для этого используются два контрольных положения ферромагнитного сердечника 5 относительно индуктивных элементов 6 при зафиксированном поплавке 2.
В первом положении датчик устанавливается вертикально, с расположением чувствительной головки внизу.
Во втором положении датчик плотномера устанавливается вертикально с расположением чувствительной головки вверху.
В первом положении значение уровня информационного сигнала
плотности psti определяется только весом калибровочного груза 9,
опрокинутого вверх и соответствует определенной выталкивающей силе, действующей на поплавок 2, опущенной в жидкую среду с
плотностью Psti: где Vn , Мп - соответственно объем и масса поплавка;
MK -полная масса калибровочного груза, подвешенного на упругих пластинах 8.
Во втором положении значение уровня информационного сигнала
плотности pst2 определяется только весом калибровочного груза S, расположенного внизу и соответствует моменту всплытия поплавка 2 в жидкой среде с плотностью Pst2:
Таким образом, значения информационных сигналов в двух положениях датчикаpsti и pst2 определяются конструктивными
параметрами датчика: Vn, Мп, MK , являющихся константами.
Vn X psti - Мп  2 MK,
VnXpst2- Мп 0.
При этом масса MK калибровочного груза 9 выбирается таким образом, чтобы точки Psti и pst2 перекрывали примерно половину
предполагаемого диапазона измерений.
Заданные таким образом константы лежат в основе калибровки или коррекции линейной функциональной характеристики датчика по двум точкам.
Датчик плотности для жидких сред работает следующим образом.
Принцип действия датчика плотности основан на измерении выталкивающей силы, действующей на подвижный поплавок 2, полностью погруженный в исследуемую жидкую среду.
При погружении датчика в жидкость выталкивающая сила перемещает поплавок 2 в вертикальном направлении, при этом упорный элемент 11, расположенный на конце штока 3, соприкасается с нижним калибровочным грузом 9 и передает усилие на дополнительный шток 7, который перемещает ферромагнитный сердечник 5 в поле индуктивных элементов 6. Перемещение происходит до момента уравновешивания выталкивающей силы и упругих сил противодействия, создаваемых пластинами 8. Поскольку индуктивные элементы включены в измерительную электрическую схему (например, в виде моста - на чертежах не показана), то на выводах индуктивных элементов формируются электрические информационные сигналы, значение
которых соответствует значению плотности Рж.ср. исследуемой жидкой
среды.
Одновременно с этим термочувствительный элемент 17 формирует дополнительный информационный сигнал о температуре tx.cp. исследуемой жидкой среды, который далее используется в блоке анализа и обработки информационных сигналов (на чертежах не
показан) для приведения полученных значений плотности к нормальным условиям.
Опорный узел, состоящий из элементов 18,19 и 20, предназначен для использования датчика совместно с буферной емкостью (на чертежах не показана), в которую отбирается проба исследуемой жидкости. При этом опорная горизонтальная пластина 19 опирается по периметру на верхний край емкости, датчик располагается строго вертикально, а необходимая глубина погружения датчика в буферную емкость обеспечивается перемещением корпуса датчика в кольцевом элементе 18 с последующим фиксированием глубины погружения с помощью крепежного элемента 20.
В эксплуатации предлагаемый датчик плотности для жидких сред предусматривает два способа измерения:
-измерение плотности и температуры жидкости с частичным погружением датчика, при котором в исследуемую жидкость погружается только та часть датчика, в которой расположен поплавок 2;
-измерение плотности и температуры жидкости с полным погружением датчика, когда процесс отбора проб не может обеспечить точность и идентичность условий измерения, либо процесс отбора проб затруднен, при этом показания датчика не зависят от глубины его погружения. Глубина погружения датчика при этом может достигать более 18м.
Предлагаемый датчик плотности используется для измерения плотности жидких сред как в лабораторных, так и в полевых условиях в диапазоне измерения плотности 650 - 1070 кг/м, в диапазоне температур от - 50°С до +50°С с точностью измерения1не менее ±0,1%.
Конструкция датчика - малогабаритная, переносная.
Источники информации:
1.Авторское свид. СССР № 935744, М.Кл.6 G01N 9/18, 1980 г.
2.Патент США № 4400978, НКИ 75-453, М.Кл.б G01N 9/20, 1981 г.
3.Патент РФ № 2038577, М.кл.6 G01N 9/12, 1992 г. - прототип.