Устройство для измерения плотности жидкости и интерфейс устройства для измерения плотности жидкости

 

Устройство для измерения плотности жидкости содержит сосуд для исследуемой жидкости и помещенный в него поплавок с магнитным сердечником. Поплавок находится в поле электромагнита, установленного под сосудом. Устройство также содержит датчик положения поплавка и источник тока. В качестве источника тока используют генератор тока, управляемый напряжением и подключенный к электромагниту. В качестве датчика положения поплавка используют индуктивный датчик, который связан с преобразователем перемещений. Сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатирующей рубашкой, соединенной с термостатом. Регулятор температуры термостата, генератор тока и термометр сопротивления посредством интерфейса подключены к компьютеру. Интерфейс содержит электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с дешифратором, и преобразователь. Дополнительно интерфейс содержит регистры и нормирующие усилители. Выходы электронного коммутатора подключены к генератору тока, термометру сопротивления и к одному из нормирующих усилителей. Дешифратор дополнительно соединен с регистрами. Регистры подключены к преобразователям, в качестве которых использованы к преобразователям, в качестве которых использованы цифроаналоговые преобразователи, выходы которых подключены к нормирующим усилителям. Выход второго нормирующего усилителя подсоединен к регулятору температуры. Техническим результатом, достигается при реализации заявленного изобретения, является увеличение точности измерения, расширение диапазона измерения в интервале температур и упрощение процесса определения плотности. 2 с.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения плотности жидкости.

Среди существующих методов измерения плотности жидкости особое место занимает метод магнитного поплавка, отличающийся наиболее высокой разрешающей способностью - до 1·10^-7 г/см³.

Известны плотномеры для жидкости, содержащие корпус, поплавок с магнитным сердечником, систему регулирования положения поплавка по вертикали и соленоид. В них разность силы тяжести и выталкивающей силы поплавка компенсируется магнитным полем соленоида, при этом величина протекающего через соленоид тока является мерой измеряемой плотности [1].

Основным недостатком подобных приборов с автоматической стабилизацией положения поплавка является изменение усилия, действующего в магнитном поле на поплавок при изменении его положения. Изменение его положения обуславливается конечной величиной коэффициента передачи системы автоматического регулирования, ограниченной ее устойчивостью, что приводит к возникновению статической погрешности регулирования. В результате, при изменении плотности жидкости происходит смещение его положения, вызывающее значительную погрешность измерения, поскольку магнитная сила соленоида, действующая на поплавок, весьма сильно зависит от расстояния между ними.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения плотности, содержащее сосуд для исследуемой жидкости и помещенный в него поплавок с магнитным сердечником, находящимся в поле электромагнита, установленного под сосудом, датчик положения поплавка, источник тока, при этом в качестве источника тока содержит генератор тока, управляемый напряжением, который подключен к электромагниту, в качестве датчика положения поплавка содержит индуктивный датчик, который связан с преобразователем перемещений, а сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатирующей рубашкой, соединенной с термостатом, при этом регулятор температуры термостата, генератор тока и цифровой термометр подключены к арифметическому устройству с блоком управления и цифровым индикатором [2].

Измерение плотности производится посредством регистрации отсчетным устройством силы тока электромагнита, который изменяется по линейному закону посредством блока развертки, в момент времени, соответствующий отрыву поплавка от дна сосуда.

Недостатком предложенного устройства для измерения плотности жидкости является невысокая точность, которая в связи с повышением быстродействия прибора снижается на два-три порядка, поскольку в момент отрыва плавучесть поплавка равна нулю, отрыв поплавка от дна сосуда происходит не мгновенно (практические наблюдения показывают, что он какое-то время находится около дна сосуда, а затем медленно начинает всплывать), а в течение определенного промежутка времени; в момент начала измерений поплавок притягивается ко дну максимальным током электромагнита, где занимает произвольное положение - для принятия исходного положения и стабильного состояния, позволяющего проводить измерения, необходимы, как минимум, 30-60 с. В идеальном случае, даже приняв время измерения плотности 60 с (без учета времени, необходимого для приведения поплавка в исходное состояние) и время всплытия, необходимое для срабатывания датчика положения 0,1 с, то при скорости развертки тока 1 A за 60 с за это время ток электромагнита успеет измениться на 0,2%. В связи с этим для определения тока отрыва поплавка с высокой точностью целесообразно использовать дискретное регулирование тока электромагнита, разделенное паузами для надежной регистрации момента всплытия поплавка, причем по мере приближения тока электромагнита к току отрыва необходимо уменьшать величину ступеней дискретизации тока электромагнита при одновременном увеличении пауз между ними.

Для обеспечения возможности проведения устройством измерений плотности жидкости при различных температурах с одновременным определением коэффициента объемного расширения жидкости, позволяющего вводить температурные поправки на изменение температуры в термостатирующем сосуде, в него дополнительно введены арифметическое устройство с цифровым индикатором и блок управления, подключенные к регулятору температуры термостата, источнику тока и цифровому термометру [2].

Недостатком этого решения является то, что блок управления с арифметическим устройством не позволяет проводить измерение плотности жидкости в интервале температур, а только при 20 ± 1^oC. Кроме того, учет нестабильности температуры в термостатирующем сосуде для введения поправки в результат измерения не обеспечит повышения точности измерений, поскольку погрешность прибора (1%) намного превышает величину вводимой поправки (0,001%). Устройство не обеспечивает также возможности определения коэффициента объемного расширения, поскольку в температурном диапазоне проведения измерений (±1^oC) прибор не зарегистрирует изменение плотности, поскольку в указанном интервале температур плотность изменится на 0,1%, что лежит в пределах погрешности устройства.

Для упрощения процесса измерения расширения диапазона измерения плотности по температуре устройство для измерения плотности жидкости целесообразно подключать к автоматической управляющей системе.

Наиболее близким по технической сущности является интерфейс устройства для автоматического измерения плотности жидкости, в котором интерфейс содержит электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с дешифратором, и преобразователь [3].

Недостатком данного интерфейса является то, что он позволяет осуществлять только прием и аналого-цифровое преобразование информации от датчиков, но не обеспечивает возможности непрерывного управления исполнительными механизмами (электромагнитом, термостатом).

Задачей изобретения является повышение точности измерения плотности жидкости, расширение диапазона ее измерения в интервале температур и упрощение процесса ее определения.

Техническая задача решается устройством для измерения плотности жидкости, содержащим сосуд для исследуемой жидкости и помещенный в него поплавок с магнитным сердечником, находящимся в поле электромагнита, установленного под сосудом, датчик положения поплавка, источник тока, при этом в качестве источника тока содержит генератор тока, управляемый напряжением, который подключен к электромагниту, в качестве датчика положения поплавка содержит индуктивный датчик, который связан с преобразователем перемещений, а сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатирующей рубашкой, соединенной с термостатом, в котором регулятор температуры термостата, генератор тока и термометр сопротивления посредством интерфейса подключены к компьютеру, а также техническая задача решается интерфейсом, содержащим электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с дешифратором, и преобразователь, который дополнительно содержит регистры и нормирующие усилители, при этом выходы электронного коммутатора подключены к генератору тока, термометру сопротивления и к одному из нормирующих усилителей, а дешифратор дополнительно соединен с регистрами, последние подключены к преобразователям, в качестве которых использованы цифроаналоговые преобразователи, а их выходы подключены к нормирующим усилителям, причем выход второго нормирующего усилителя подсоединен к регулятору температуры.

Данное изобретение позволяет увеличить точность измерения плотности жидкости до 0,001%, расширить диапазон измерения по температуре с 20 до 100^oC и значительно упростить процесс ее определения.

Предлагаемое устройство для измерения плотности жидкости (фиг. 1) содержит сосуд для исследуемой жидкости 1 с размещенным в ней поплавком 2 с магнитным сердечником 3, находящимся в поле электромагнита 4, установленного под сосудом, индуктивный датчик положения поплавка 5, связанный с преобразователем перемещений 6, генератор тока 7, подключенный к электромагниту 4.

Сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатирующей рубашкой, соединенной с термостатом 8, в котором находится регулятор температуры 9.

Регулятор температуры 9, генератор тока 7, индуктивный датчик 5 с преобразователем перемещений 6 и термометр сопротивления 10 посредством интерфейса 11 подключены к компьютеру 12.

Интерфейс (фиг. 2) содержит дешифратор 13, регистры 14 и 15, управляемые дешифратором и соединенные с цифроаналоговыми преобразователями 16 и 17, выходы которых подключены к нормирующим усилителям 18 и 19, и электронный коммутатор 20 для подключения генератора тока 7 и термометра сопротивления 10.

Устройство работает следующим образом.

В компьютер 12 вводим программу. После ее запуска компьютер в интерактивном режиме запрашивает значения температур, при которых необходимо определить плотность исследуемой жидкости (например, 20, 30, 40 и т.д. градусов).

Пример 1. Исследуемая жидкость - н-гептан марки ч.д.а.

Заливают в сосуд 1 исследуемую жидкость. Помещают в нее поплавок 2 с магнитным сердечником 3 и выдают разрешение на работу компьютера 12.

В соответствии с программой компьютер выбирает первую заданную температуру и переходит к термостатированию сосуда 1 с целью вывода исследуемой жидкости на заданный температурный режим.

Для этого компьютер вычисляет соответствующий этой температуре цифровой код и засылает его с помощью дешифратора 13 в регистр 14, соединенный с цифроаналоговым преобразователем 16. Полученный на его выходе аналоговый сигнал масштабируется нормирующим усилителем 18 и поступает в задатчик регулятора температуры 9, с помощью которого устанавливается заданная температура термостатирующей жидкости в термостате 8, соединенном с сосудом 1, в результате чего исследуемая жидкость точно выводится на требуемый температурный режим.

Затем компьютер в соответствии с алгоритмом переходит в режим измерения плотности, осуществляемый следующим образом: генератору тока 7 компьютер задает максимальное значение тока для притягивания поплавка ко дну сосуда 1. Датчик положения 5 фиксирует это состояние посредством установления на выходе преобразователя перемещения 6 сигнала логической единицы, поступающего непосредственно во входной порт компьютера. В качестве датчика положения применен индуктивный датчик, работающий в резонансном режиме, что позволило значительно снизить питающий его ток для исключения влияния его магнитного поля на поплавок. С этой же целью датчик вынесен из зоны расположения сердечника поплавка.

После притяжения поплавка, компьютер начинает по заданному алгоритму дискретно уменьшать ток электромагнита для определения значения тока, соответствующего моменту отрыва поплавка от дна сосуда. Для этого последовательность двоичных кодов с помощью дешифратора 13 засылается в регистр 15, соединенный с цифроаналоговым преобразователем 14, при этом входной порт постоянно контролируется на запрос прерывания от датчика положения. Если флаг состояния установлен, т. е. датчик выдает сигнал логического "0" (поплавок всплыл), разряд устанавливается и компьютер переходит к определению следующего разряда цифроаналогового преобразователя. В противном случае разряд сбрасывается. Таким образом устанавливаются все разряды цифроаналогового преобразователя.

Сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 17 масштабируется нормирующим усилителем 19 и поступает в задатчик генератора тока 7, ток которого строго адекватен двоичному коду, находящемуся в цифроаналоговом преобразователе 17, и абсолютно некритичен к дрейфу активного сопротивления обмотки электромагнита, нестабильности источников питания и температуре окружающей среды.

Расположение электромагнита под сосудом, способствующее надежной центровке поплавка в горизонтальном направлении, жесткая фиксация сосуда и электромагнита, гарантирующая неизменность расстояния между точкой касания поплавка и электромагнитом, стабильность магнитных свойств сердечника поплавка (постоянный магнит) и электромагнита (при неизменном количестве витков) обеспечивают однозначную линейную зависимость тока электромагнита от плотности исследуемой жидкости. Высокоточная автоматическая установка и измерение тока электромагнита в данном устройстве обеспечивают возможность измерения плотности жидкости с точностью до 0,001% при нормальных условиях, и не менее 0,01% в рабочем интервале температур.

После определения тока отрыва поплавка компьютер рассчитывает по заложенной градуировке значение плотности, запоминает его и переходит в режим измерения температуры. В этом случае по команде дешифратора 13 электронный коммутатор 20 подсоединяет к выходу нормирующего усилителя 19 вместо генератора тока 7 термометр сопротивления 10, при этом цифроаналоговый преобразователь 17 используется в качестве программно-управляемого аналого-цифрового преобразователя. После измерения значения температуры и плотности выводятся на дисплей и запоминаются.

Пример 2. Исследуемая жидкость - н-гептан марки ч.д.а.

В соответствии с программой компьютер выбирает следующую заданную температуру и переходит к выводу измерительного узла на следующий температурный режим, измерение плотности аналогично примеру 1.

Результаты измерений плотности сведены в таблицу.

Для проверки надежности и достоверности полученных данных проведены параллельные измерения плотности указанной жидкости с использованием пикнометра.

Сравнение данных, полученных двумя различными устройствами, и результаты калибровочных и контрольных испытаний заявляемого устройства дают основание утверждать, что гарантированная точность предлагаемого устройства в интервале температур 20-100^oC - не менее 0,01%.

Таким образом, заявляемое устройство, обеспечивающее высокоточную дискретную установку и измерение тока электромагнита, величина которого зависит только от плотности исследуемой жидкости и некритична к любым искажающим факторам, установку и точное поддержание в термостатированном сосуде любой температуры, в рабочем интервале температур дает возможность осуществлять измерение плотности жидкости в интервале температур 20-100^oC с погрешностью, не превышающей 0,01%, а его полностью автоматическое функционирование упрощает процесс ее определения.

Источники информации 1. Авт. свид. СССР N 1275268, кл. G 01 N 9/12, 1985.

2. Авт. свид. СССР N 894467, кл. G 01 N 9/22, 1981 (прототип).

3. Патент США N 4779462, кл. G 01 N 9/12, 1988.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения плотности жидкости, содержащее сосуд с исследуемой жидкостью и помещенный в него поплавок с магнитным сердечником, находящимся в поле электромагнита, установленного под сосудом, датчик положения поплавка, источник тока, отличающееся тем, что в качестве источника тока содержит генератор тока, управляемый напряжением, который подключен к электромагниту, в качестве датчика положения поплавка содержит индуктивный датчик, который связан с преобразователем перемещений, а сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатируемой рубашкой, соединенной с термостатом, в котором регулятор температуры термостата, генератор тока и термометр сопротивления посредством интерфейса подключены к компьютеру.

2. Интерфейс устройства для измерения плотности жидкости, содержащий электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с дешифратором, и преобразователь, отличающийся тем, что выходы электронного коммутатора подключены к генератору тока, термометру сопротивления и к одному нормирующему усилителю, а дешифратор дополнительно соединен с регистрами, последние подключены к преобразователям, в качестве которых использованы цифроаналоговые преобразователи, а их выходы подключены к нормирующим усилителям, причем выход второго нормирующего усилителя подсоединен к регулятору температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3