Устройство для измерения плотности жидкости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащее два поплавка разных объемов, связанных с двуплечим рычагом, опирающимся на неподвижную опору, силовой преобразователь и вторичный прибор, отличающееся тем, что, с целью повьвиения точности измерений и расширения области применения устройства , площади наружных поверхностей поплавков и их проекций на плоскость , перпендикулярную направлению, потока измеряемой жидкости, выполнены равными. с S М fO (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГЮБЛИК

3(59 6 01 N 9 20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3586652/18-25 (22) 05.05.83 (46) 07,06.84. Бюл. В 21 (72) A.Ï.Êóçüìèíoâ, P.Ý.Êàïëàíoâ, Ю.И.сипунов и В.В.Рыбаков (71) Грозненское научно-производственное объединение Промавтоматика (53) 532 137 (088 ° 8) (56) 1. Авторское. свидетельство СССР

Ю 561893, кл. G 01 и 9/20, 1977.

2. Глйбин И.Б. Автоматические плотномеры и концентратомеры в пищевой промышленности. M. Пищевая промышленность, 1975, с. 35-36.

3. Глыбин И.Б. Автоматические плотномеры. Киев, Техни 1965 с. 44 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЭМЕРЕНИЯ

ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащее два поплавка разных объемов, связанных с двуплечим рычагом, опирающимся на неподвижную опору, силовой преобразователь и вторичный прибор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыаения точности измерений и расширения области применения устройства, площади наружных поверхностей поплавков и их проекций на плоскость, перпендикулярную направлению. потока измеряемой жидкости, выполнены равными.

1096532

И э обретение относится к измерительной технике и может быть исполь- зовано преимущественно в нефтяной и газовой промышленности для контроля плотности прожявочной жидкости при бурении нефтяных и газовых скважин, а также для контроля плотности раэличных жидкостей и пульп при автоматизации процессов обогащения, катализаторных и цементных произв одс тв

Известно устройство для контроля пло тн ос ти жидкос ти, содержащее поплавок, полн ос тью погруженный в жидкость и снабженный перфорированным защитным ограждением, корпус с термокомпенсаторами, двуплечий рычаг с горизонтальной осью вращения, соединенный одним концом с поплавком, а другим — с системой регистрации перемещения поплавка, соединенной с показывающим прибором, при этом двуплечий рычаг закреплен в укрепленной в корпусе разделительной мембране, центр которой совмещен с осю вращения рычага, причем двуплечий рычаг снабжен вилкой с направляю щими его вращательного движения, установленными в корпусе„ и конец рычага соединен с плоской пружиной переменного сечения (1).

Однако при измерении плотности реологических жидкостей (промывочная жидкость при бурении, цементные и гелеобразные растворы} поверхность попланка неизбежно покрывается коркой вещества, на основе которого приготавливаются эти жидкости, что вносит большую погрешность на результат измерений. Аналогичные недостатки имеет устройство и от воз действия тиксотропных свойстн реологических жидкостей, таких, как статическое и динамическое напряжения сдвига (прилипание поплавка к жидкости ). Кроме того, возможно зашлампение твердыми частицами пространства между защитным ограждением и поплавком, что приводит к неработоспособности устройства.

Известно также устройство для измерения плотности жидкости, содержащее два погруженных в жидкость цилиндрических поплавка разных объемов, но с одинаковыми поперечными сечениями, один из которых рабочий,, а второй компенсационный в виде чаши.

Поплавки подвешены к разным концам двуплечего рычага, опирающегося на неподвижную призму, снабженного грузом уравновешивания и связанного с рамкой ферродинамического преобразователя. При такой конструкции устройства образование твердых осадков на торцовой поверхности рабочего поплавка не влияет на его работу, так как такое же количество твердых осадков об1-азуется на чаше (2), 20

ЗО

gl

5Î

Однако из — за неравенства наружных понерхн остей поплавков и при работе в реологических жидкостях не компенсируются действующие на них силы, обусловленные весом корок на поплав,.ах, воздействием статического и динамическогого напряжен ий сдвигов и вязкостным трением.

Величина зависит от тиксотропных снойств жидкости и даже при их средних значениях результаты измерений искажаются до неприемлемых значений э

При работе устройства на потоке различные по величине и гидродинамические силы, приложенные к поплавкам от скоростного напора. Это объясняется тем, что площади проекций поплавков на плоскость, перпендикулярную награвлению потока, различны по величине, так как различны длины поплавков. В случае восходящего потока это также возможно иэ-эа отклонения поплавков от вертикали го причине их собственных колебаний, неравномерности потока и поворота днуплечего рычага. Таким образом, устройство непригодно для измерения плотности реологических жидкостей, а также других жидкостей, имеющих скоростной напор,, что значительно снижает точность измерений и ограничивает область его применения

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому экономическому эффекту явля". ется устройство для измерения плотности жидкости в восходящем потоке., содержащее дна погруженных в жидкость поплавка разных объемов, но с одинаковым истинным весом, подвешенных к разным концам неравноплечего рычага, опирающегося на неподвижную опору, снабженного грузом уравновешивания и снязанного со стрелкой, подвижной относительно акалы. Поплавки выполнены в виде сдвоенных конусов, нижние части которых равны, а верхние имеют разные высоты. Конусы соединены о=нованиями и обращены вершинами в противоположные стороны, при этом диаметры их оснований равны, что необходимо для компе: càции гидродиHaìè÷åñких сил в восходящем потоке (в гори=-онтальном потоке они нескомпенсированы). Поплавки могут выполняться также в виде цилиндров разной длины с конусными концами и одинаковых д намет ров . При так ой конструкции поплавки имеют не только разные объемы, но и разные площади наружных поверхностей {3).

Неравенство площадей приводит к неравенству сил, воздействующих на них и обусловленных (при работе поплавков в реологи<еских жидкостях) 109б532 разным весом корок на поплавках (из-за их разных объемов), воздействием статического и динамичес кого напряжений сдвигов вязкостным трением. Кроме того, равенство гидродинамических сил от скоростного напора восходящего потока соблюдается лишь тогда, когда направление потока параллельно продольным осям поплавков, что практически трудно достигнуть. При нарушении 10 этого условия (из-за неравномерности потока и собственных колебаний поплавков) указанные силы также нескомпенсированы в результате неравенства площадей проекций поплавков на плоскость, перпендикулярную направлению потока, так как поплавки по конструкции аналогичные, а длины их разные. При горизонтальном направлении потока гидродинамические силы, действующие на поплавки устройства, всегда неодинаковы. Таким образом, наличие вредных сил, обусловленных реологическими свойствами контролируемых жидкостей, а также гидродинамических сил от ско- ростного напора, не позволяет использовать известные поплавковые устройства для измерения плотности реологических жидкостей на потоке из-за неприемлемо больших погрешностей изме- 30 рения, что ограничивает область их применения .

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение области применения устройства. 35

Цель достигается тем, что в уст . ройстве, содержащем два поплавка разных объемов, погруженных в поток контролируемой жидкости и подвешенных к разным концам двуплечего рычага, опирающегося на неподвижную опору и жестко связанного с П -образной скобой, симметричной относительно его оси вращения и снабженной подвижным грузом уравновешивания и подвижным контактом для входного рычага силового преобразователя, связанного с вторичным прибором, поплавки имеют одинаковые площади .наружных поверхностей и одинаковые площади их проекций на плоскость, перпендикулярную направлению потока.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Устройство содержит два поплавка

1 и 2 с разными объемами, погруженных в поток контролируемой .жидкости, направленный перпендикулярно плоскости чертежа. Поплавки 1 и 2 подвешены к разным концам равноплечего рычага 3, имеющего в центре опору 4 60 вращения и П -образную скобу 5, несущую подвижный груз б уравновешивания и контакт 7, связанный с входным рычагом 8 силового преобразователя 9,связанного с вторичным прибором 10. 65

Площади наружных поверхностей поплавков а также их проекций на плоскость, перпендикулярную направлению потока, одинаковые, что достигается подбором их форм и размеров.

Поплавки из готавливаются из одного материала. Для обеспечения устойчивости поплавков в потоках с больши ми скоростями и сильными вихревьвж движениями их необходимо делать сплошными из мате) нала с плотностью не менее 7,8 a /cì

Устройство работает следующим образом.

Чувствительным элементом устройства являются два поплавка 1 и 2, подвешенные к разным концам равноплечего рычага 3, имеющего в центре опору вращения. При погружении поплавков в воду устройство настраивается на начальную отметку шкалы путем перемещения груза б уравновешивания на П -образной скобе 5 и контакта 7, связанного с рычагом силового преобразователя 9. Для этих целей устройство комплектуется дополнительной емкостью (не показана), При погружении поплавков в конт ролируемую жидкость с большей плотHocTblo система оказывается разбалансированной за счет неодинаковых выталкивающих сил, приложенных к поплавкам и обусловленных их разными объемами. В качестве силового преобразователя 9 можно использовать электросиловой преобразователь типа ПЭ1 ТУ 25,05.1708-74, который воздействует через рычаг 8 и контакт 7 на скобу 5 и компенсирует силу разбаланса.

Момент М ., создаваемый разностью выталкивающих сил поплавков, в результате изменения плотности контролируемой жидкости определяют уравнением

М 4ш ° Чш Я А-(„-Ч„ ) Р, (1 ) где 6 ш и 5 „- вес поплавков, Н; и V„ объемы поплавков, м ; плотность кон тролируемой жидкости, кг мз, А и Ь вЂ” Расстояние от точек подвеса поплавков до точки опоры Рычагов (в нашем случае

=B).

Анализируя формулу (1), можно сделать вывод, что момент М зависит только ar плотности жидкости, так как остальные величины постоянны.

Момент М < компенсируется силовым преобразователем, выходной сигнал которого подается на вторичный прибор со шкалой, проградуированной в единицах плотнос ти.

1096532

В качестве вторичного прибора можно применить электронный автоматичес. кий патенциометр КСПЗ-П.

Если контролируемая жидкость обладает реологическими свойствами, то на поплавки действуют дополнительные

5 силы, которые однако, не вносят доР полнитель ных погрешностей н результат измерения по слЕдующим причинам.

Моменты от сил q, обусловленных статическим и динамическим напряже-, 1() ниями сдвига, относительно оси вращения рычага равны,. имеют разные зна» ки и, таким образом, взаимно компенсируются, последнее достигается тем, что поплавки имеют равные на- 15 ружные площади поверхностей и равные плечи рычага 3.

Моменты от снл N, обусловленных нязкостным трением, также взаимно исключ чются по изложенным причинам.

Силы (гид родин амич еск ие) Р, обусловленные скоростным напором жидкости, одинаковые и взаимно исключаются по причине равенства проекций площадей поплавков на плоскость, 25 перпендикулярную направлению потока и плеч рычага 3. Кроме того, на . поплавки действуют силы (4 обусловленные весом отложившейся на поплавках корки (например, глинистой) .

Так как поплавки находятся в одинаковых услониях и изготовлены из одного материала, то и толщины h корок равные. Тогда объемы корок также раВны и вычисляются по о м ле

Ф р

S, (2) ! де S — площадь наружной поверхности каждого поплавка в отдельности, а по условию они равны, 4Q

Подбор формы и размеров поплавков, имеющих разные объемы при одинаковых наружных поверхностях и равных площадях их проекций на плос, кость, перпендикулярную направлению по-4g тока, произ водится следующим образом.

Один из поплавков выполнен в виде шара диаметром d--10 см, а другой в виде сдвоенного конуса, где конусы соединены основаниями и обраще-. 5О ны вершинами в противоположные стороны поперек направления потока. Размеры каждого конуса - радиус основания v, длина образующей с н высота h неизвестны и подлежат подборуа

Поверхность сдвоенного конуса S

Б = 2Б = 20rc = 22r 4 r +h (3) где М вЂ” боковая поверхность одного конуса;

r с и ? —.соответственно радиус основания, длина образующей и высота конуса, см.

ВНЩЩК Заказ 3816 31

Филиал ПЛП "Патент" > r.

Площадь проекции сдвоенного конуса Бу

Б .; — 2hr.

3 (4)

Задаваясь размером диаметра шарового поплавка d=l0 см, определяем его площадь поверхности F см

F =- lid = 3,14 10 (5) и площадаьего проекции 43, см

F = 14Н2 = 3 14 5 =78,5, (6)

I где Я - радиус шара, см.

Из условия равенстВа поверхностей и площадей проекций поплавков составляем r.истему уравнений и определяем размеры конуса

S = F = 3,14 100 см

= 2" 2-Е2 4- 84

Б„= 78,5 см = 2йг (8)

В уравнении (7) избавляемся от корня, а уравнение (8) возводим в квадрат ;42,1002 = 4,2r4+ 4ii2r2

78,5 = 4h2 r2

Произведя сокращение подобных членов и подстанонку, окончательно имеем

100 = 4r4 + 78,5

Откуда определяем радиус основания конуса, см

100 -78 5

Х

Из формулы (6) определяем высоту конуса, см

78 5 78 5

2 ° г 5,6 2

Имея численные значения размеров конуса, производим проверку заданных величин, см2

Б = 2 2 r4+ Ь4 = 2 3,14 5,6 (5,81 + 72 = 314

S = 2hr = 2 7 ° 5,6 = 78,5.

Таким образом, наружные поверхности поплавков 5 и F р а в нH ы, как равны и площади их проекций S и F4j на плоскость, перпендикулярную направлению потока (в данном случае перпендикулярно плоскости чертежа).

Проверяем неравенства объемон поплавков

37 = = — = 573 б 6 де Vù — объем шара, см

V = 2-r н= 2 — ° 5 6 3 14=459 г

3 где V — объем конуса, см

Из вычислений видно, чта объемы поплавков при выбранных размерах не одинаковы.

ðàå 8 23 tIo co

Ужгород, ул. Проектная, 4