Устройство для измерения плотности

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различного рода суспензий и растворов гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора. Технический результат: повышение точности измерения и расширение диапазона измерения. Сущность: устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, у которых, по крайней мере, одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, каждая из которых соединена с одним концом со своей герметичной камерой, две измерительные трубки, на каждой из которых установлен емкостной датчик для определения уровня раздела более тяжелой и более легкой несмешивающихся контрольных жидкостей, блок обработки информации и регистратор. Каждая пьезотрубка вторым концом соединена с первым концом своей измерительной трубки посредством гибкой дистанционной трубки, позволяющей устанавливать измерительные трубки в стороне от емкости с исследуемой жидкостью на вертикальной оси, параллельной вертикальной оси установки герметичных камер, и поворачивать, при необходимости, измерительные трубки вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок. Второй конец каждой измерительной трубки соединен со своей компенсационной емкостью, внутренний объем которой в сумме с объемом части измерительной трубки от ее второго конца до середины емкостного датчика равен сумме внутренних объемов герметичной камеры при среднем положении эластичной мембраны, пьезотрубки, гибкой дистанционной трубки и измерительной трубки от ее первого конца до середины емкостного датчика. Каждый емкостный датчик выполнен в виде цилиндрического конденсатора, центральный электрод которого изолирован от контрольных жидкостей, при этом диаметр d внутреннего электрода без изоляции выбирается в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из внутреннего электрода с учетом изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода как d:d_из:D= 4: 5:14. Компенсационные емкости соединены друг с другом через запорное устройство, которое в закрытом положении предотвращает переток контрольной жидкости из одной измерительной трубки и компенсационной емкости в другую измерительную трубку и компенсационную емкость в режиме арретирования прибора и в режиме перенастройки прибора на другой диапазон измерения, при котором контрольные жидкости меняются местами, а измерительные трубки поворачиваются вокруг оси, проходящей через первые концы измерительных трубок, запорным устройством вниз, после чего первые концы измерительных трубок становятся верхними, а вторые нижними, плотности контрольных жидкостей в алгоритме вычисления также меняются местами. 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различных суспензий и растворов гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора.

Известны устройства для измерения плотности суспензий и растворов [1], в основе которых используется принцип уравновешивания веса столба суспензии определенной высоты и давления воздуха, подаваемого в пьезотрубки из коллектора. Эти устройства содержат коллектор, пьезотрубки, пневматические сопротивления. При изменении плотности суспензии изменяется сопротивление пьезотрубок, вызывая увеличение или уменьшение расхода воздуха, протекаемого по пьезотрубкам. Разность давлений измеряется дифманометром, автоматическая следящая система путем изменения сопротивления уменьшает или увеличивает расход воздуха до тех пор, пока разность давления в камерах дифманометра не станет равна нулю.

Недостатком подобных устройств является сравнительно узкий диапазон измерения, недостаточная помехоустойчивость к воздействию внешних факторов, например внешнего давления, температуры.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является "Устройство для измерения плотности" [2].

Данное устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, у которых, по крайней мере, одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, каждая из которых соединена одним концом со своей герметичной камерой, две измерительные трубки, на каждой из которых установлен емкостной датчик для определения уровня более тяжелой и более легкой несмешивающихся контрольных жидкостей, блок обработки информации и регистратор.

Целью настоящего изобретения является повышение точности за счет повышения помехоустойчивости и расширение диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения плотности, содержащем на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, у которых по крайней мере одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, каждая из которых соединена одним концом со своей герметичной камерой, две измерительные трубки, на каждой из которых установлен емкостной датчик для определения уровня раздела более тяжелой и более легкой несмешивающихся контрольных жидкостей, блок обработки информации и регистратор, каждая пьезотрубка вторым концом соединена с первым концом своей измерительной трубки посредством гибкой дистанционной трубки, позволяющей устанавливать измерительные трубки в стороне от емкости с исследуемой жидкостью на вертикальной оси, параллельной вертикальной оси установки герметичных камер, и поворачивать, при необходимости, измерительные трубки вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок, второй конец каждой измерительной трубки соединен со своей компенсационной емкостью, внутренний объем которой в сумме с объемом части измерительной трубки от ее второго конца до середины емкостного датчика равен сумме внутренних объемов герметичной камеры при среднем положении эластичной мембраны, пьезотрубки, гибкой дистанционной трубки и измерительной трубки от ее первого конца до середины емкостного датчика, каждый емкостной датчик выполнен в виде цилиндрического конденсатора, центральный электрод которого изолирован от контрольных жидкостей, при этом диаметр d внутреннего электрода без изоляции выбирается в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из внутреннего электрода с учетом изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода как d:d_из:D=4:5:14, причем компенсационные емкости соединены друг с другом через запорное устройство, которое в закрытом положении предотвращает перетекание контрольной жидкости из одной измерительной трубки и компенсационной емкости в другую измерительную трубку и компенсационную емкость в режиме арретирования прибора и в режиме перенастройки прибора на другой диапазон измерения, при котором контрольные жидкости меняются местами, а измерительные трубки поворачиваются вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок, запорным устройством вниз, после чего первые концы измерительных трубок становятся верхними, а вторые концы нижними, плотности контрольных жидкостей в алгоритме вычисления также меняются местами.

Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что заявляемое устройство позволяет за счет соединения второго конца пьезотрубки с первым концом своей измерительной трубки посредством гибкой дистанционной трубки, второго конца каждой измерительной трубки со своей компенсационной емкостью, которые соединены с другой через запорное устройство, повысить помехоустойчивость к изменениям температуры контролируемой среды за счет возможности вынесения пьезотрубок из прямого теплового потока и возможности легкой замены контрольной жидкости с одним температурным коэффициентом объемного расширения в герметичных камерах на другую контрольную жидкость с другим температурным коэффициентом объемного расширения, более близким к температурному коэффициенту объемного расширения исследуемой жидкости; выполнение емкостного датчика уровня в виде цилиндрического конденсатора, центральный электрод которого изолирован от контрольных жидкостей, причем диаметр d внутреннего электрода без изоляции выбран в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из внутреннего электрода с учетом изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода как d:d_из:D=4:5:14; что позволяет повысить помехоустойчивость к влиянию пристеночных слоев контрольных жидкостей и получить оптимальную чувствительность емкостного датчика, наличие в блоке обработки информации возможности замены в алгоритме расчета плотности одной контрольной жидкости на плотность другой контрольной жидкости позволяет легко перенастраивать прибор на другой диапазон измерения.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что каждая пьезотрубка вторым концом соединена с первым концом своей измерительной трубки посредством гибкой дистанционной трубки, позволяющей устанавливать измерительные трубки в стороне от емкости с исследуемой жидкостью на вертикальной оси, параллельной вертикальной оси установки герметичных камер, и поворачивать, при необходимости, измерительные трубки вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок для достижения возможности легкого изменения конфигурации конструктивной схемы и перенастройки прибора на другой диапазон измерения, второй конец каждой измерительной трубки соединен со своей компенсационной емкостью, внутренний объем которой в сумме с объемом части измерительной трубки от ее второго конца до середины емкостного датчика равен сумме внутренних объемов герметичной камеры при среднем положении эластичной мембраны, пьезотрубки, гибкой дистанционной трубки и измерительной трубки от ее первого конца до середины емкостного датчика, каждый емкостной датчик уровня выполнен в виде цилиндрического конденсатора, центральный электрод которого изолирован от контрольных жидкостей, его диаметр d выбран в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из внутреннего электрода с учетом изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода как d:d_из:D=4:5:14, причем компенсационные емкости соединены друг с другом через запорное устройство, которое в закрытом положении предотвращает перетекание контрольной жидкости из одной измерительной трубки и компенсационной емкости в другую измерительную трубку и компенсационную емкость в режиме арретирования прибора и в режиме перенастройки прибора на другой диапазон измерения, при котором контрольные жидкости меняются местами, а измерительные трубки поворачиваются вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок, запорным устройством вниз, после чего первые концы измерительных трубок становятся верхними, а вторые - нижними, а в алгоритме вычисления плотности контрольных жидкостей меняются местами.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение же заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. может быть использовано в различных областях промышленности, в сельском хозяйстве, здравоохранении, биологии, экологии и других областях, где необходимо измерять плотность суспензий и растворов.

Изобретение будет понятно из приведенных чертежей.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство в исходном положении в общем виде.

На фиг. 2 представлена гидравлическая схема устройства в исходном положении.

На фиг.3 представлена схема перенастройки диапазона измерения прибора.

На фиг.4 представлена гидравлическая схема заявляемого устройства в перенастроенном на новый диапазон измерения положении.

На фиг.5 представлены графики зависимости разности уровней раздела контрольных жидкостей в измерительных трубках от искомой плотности при исходной схеме А и после перенастройки Б.

На фиг. 6 представлен вид в разрезе емкостного датчика уровня раздела контрольных жидкостей.

Заявляемое устройство для измерения плотности содержит герметичные камеры 1 и 2 с эластичными мембранами 3 и 4, отделяющими камеры 1 и 2 от исследуемой суспензии 5, пьезотрубки 6 и 7, соединенные каждая первым концом со своей камерой 1 и 2, а вторым со своей гибкой дистанционной трубкой 8 и 9, которые соединяются другими концами каждая с первым концом своей измерительной трубки 10 и 11, на которой установлен датчик 12 и 13 определения уровня раздела контрольных жидкостей 19, 20 в измерительной трубке 10 и 11, вторым концом соединенной с компенсационной емкостью 14 и 15, компенсационные емкости 14 и 15 соединены друг с другом через запорное устройство 16, блок 17 обработки информации и регистратор 18.

Герметичные камеры 1 и 2, пьезотрубки 6 и 7, дистанционные трубки 8 и 9 и измерительные трубки 10 и 11 от первого конца до середины емкостных датчиков 12 и 13 заполнены одной более тяжелой контрольной жидкостью 19, а часть измерительных трубок 10 и 11, от середины емкостного датчика до второго конца, компенсационные емкости 14 и 15, объем которых в сумме с объемом измерительных трубок 10 и 11 от вторых концов до середины емкостных датчиков равен сумме объемов герметичных камер 1 и 2 при среднем положении эластичных мембран 3 и 4, пьезотрубок 6 и 7, дистанционных трубок 8 и 9 и части измерительных трубок 10 и 11 от первых концов до середины емкостных датчиков 12 и 13, и запорное устройство 16 заполнены другой более легкой, несмешивающейся с первой, жидкостью 20; диэлектрическая проницаемость ε1 первой жидкости 19 более чем на порядок отличается от диэлектрической проницаемости ε2 второй контрольной жидкости 20; дистанционные трубки 8 и 9 выполнены из гибкого теплоизоляционного материала; датчики 12 и 13 уровня раздела несмешивающихся жидкостей выполнены емкостными в виде коаксиального цилиндра, причем центральный электрод 21 изолирован слоем 22 изоляции от контрольных жидкостей 19 и 20; диаметр d центрального электрода 21 выбирается в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из с учетом слоя 22 изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода 23 как d:d_из:D=4:5:14.

Для пояснения принципа действия и порядка работы заявляемого устройства необходимо решить соответствующие уравнения гидростатики относительно системы: исследуемая жидкость, герметичные камеры 1 и 2, пьезотрубки 6 и 7, дистанционные трубки 8 и 9 и измерительные трубки 10 и 11, с соответствующими столбами контрольных несмешивающихся жидкостей 19 и 20 (см. фиг.2 и фиг.4). Обозначим: h - база измерений; Δh - глубина погружения герметичной камеры 2; h₁- расстояние от средней линии герметичной камеры 2 до линии раздела несмешивающихся жидкостей 19 и 20 в измерительной трубке 10, м; h₁' - расстояние от линии раздела несмешивающихся жидкостей 19 и 20 в измерительной трубке 10 до верхней (фиг.2) (нижней (фиг.4)) границы жидкости 20 (19) в запорном устройстве 16, м; h₂ - расстояние от средней линии герметичной камеры 2 до линии раздела несмешивающихся жидкостей 19 и 20 в измерительной трубке 11, м; h₂' - расстояние от линии раздела несмешивающихся жидкостей 19 и 20 в измерительной трубке 11 до верхней (фиг.2) (нижней (фиг.4)) границы жидкости 20 (19) в запорном устройстве 16, м; h₃ - расстояние от средней линии герметичной камеры 2 до верхней границы жидкости 20 (фиг.4) в дистанционных трубках 8 и 9, м; P_в - внешнее давление. Па.

Уравнение гидростатического равновесия соответствующих столбов несмешивающихся сред по отношению к давлению на средней линии герметичной камеры 2 для схемы устройства по фиг.2 запишется в следующем виде:
Учитывая, что (h₁-h₂)=X; a (h₁'-h₂')=-X;
получим:

чувствительность устройства:

Аналогичное уравнение для схемы по фиг.4 запишется в виде:

Учитывая, что (h₂'-h₁')=-(h₁+h₂)=X;
получим:

Чувствительность устройства останется прежней, т.е.

С учетом перенастройки устройства из положения фиг.2 в положение фиг.4 диапазон измерения будет равен:

Для сравнения у прототипа:

Таким образом, при одинаковой с прототипом чувствительности, диапазон измерения плотности увеличивается на (ρ₁-ρ₂).
Для примера возьмем ρ₁ = 1200 кг/м³, ρ₂ = 800 кг/м³, h=0,4 м, Х_max=0,25 м
Диапазон измерения у заявляемого устройства будет:

У прототипа диапазон измерения будет:

Чувствительность в обоих случаях будет:

На фиг.5 буквой А обозначена характеристика устройства по схеме фиг.2, а буквой Б характеристика устройства перенастроенного согласно схеме фиг.4.

Перевод устройства из состояния согласно фиг.2 в состояние согласно фиг. 4 производится в следующем порядке, иллюстрируемом на фиг.3.

Запорное устройство 16 ставится в закрытое положение и опускается с измерительными трубками 10 и 11 в нижнее положение, а герметичные камеры 1 и 2 с пьезотрубками 6 и 7 поднимаются в верхнее положение (фиг.3 положение "0"). При этом более легкая контрольная жидкость 20 перетечет в герметичные камеры 1 и 2, пьезотрубки 6 и 7, дистанционные трубки 8 и 9, а также часть измерительных трубок 10 и 11. Более тяжелая жидкость 19 перетечет вниз и займет часть измерительных трубок 10 и 11, компенсационные емкости 14 и 15 и запорное устройство 16. После этого герметичные камеры 1 и 2 с пьезотрубками 6 и 7 опускаются также вниз, дистанционные трубки 8 и 9 остаются всегда примерно в горизонтальном положении. После этого устройство перенастроено на новый предел измерения (фиг.4 и фиг.3 состояние Б). Для перевода в рабочее состояние герметичные камеры 1 и 2 с пьезотрубками 6 и 7 помещаются в емкость с исследуемой суспензией, а запорное устройство 16 переводится в открытое положение. При этом устройство переходит с характеристики А на характеристику Б (фиг.5).

С помощью переключателя на блоке обработки информации в алгоритме вычисления плотности исследуемой суспензии плотности контрольных жидкостей 19 (ρ₁) и 20 (ρ₂) меняются местами. Выбор диаметра d внутреннего цилиндра 21 емкостных датчиков 12, 13 определения уровня раздела контрольных жидкостей 19, 20 в измерительной трубке 10, 11 в пределах (2...6)мм, а диаметра d_из внутреннего цилиндра с учетом слоя 22 изоляции и внутреннего диаметра D наружного электрода 23 из соотношения d:d_из:D=4:5:14, позволяет значительно снизить погрешность влияния пристеночных слоев, которые образуются в процессе измерения при перемещении уровня раздела контрольных жидкостей 19, 20 из-за их адгезионного сцепления с материалом слоя 22 изоляции внутреннего электрода 21, либо с материалом наружного электрода 23. Эти слои очень медленно истончаются, что приводит к медленному смещению установившихся показаний прибора. Чтобы снизить влияние этих слоев, приходится увеличивать толщину слоя 22 изоляции на внутреннем электроде 21, но увеличение толщины изоляции ведет к снижению емкости цилиндрического конденсатора и снижению его чувствительности, к изменению уровня раздела контрольных жидкостей 19 и 20. Выбор параметров конденсатора емкостного датчика 12, 13, диаметра d внутреннего электрода 21 в пределах от 2 до 6 мм, а диаметра d_из внутреннего электрода 21 с учетом слоя 22 изоляции и внутреннего диаметра D наружного электрода 23 из предложенного соотношения d:d_из:D=4:5:14 позволяет получить оптимальную чувствительность датчика 12, 13 при минимально допустимой погрешности от смещения показаний за счет пристеночных слоев контрольных жидкостей.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет расширить диапазон измерения за счет возможности легкой перенастройки на новый диапазон, что обусловлено введением гибких дистанционных трубок, запорного устройства и компенсационных емкостей, и повысить точность измерения за счет снижения погрешности от влияния температуры исследуемой среды и снижения влияния пристеночных слоев в емкостном датчике уровня раздела контрольных жидкостей.

Источники информации
1. В. Н. Бегунов, Ю.П.Жуков и др. Автоматические приборы для измерения концентраций суспензий. М.: Машиностроение, 1979, с.28.

2. Патент РФ 2137109, МПК⁶ G 01 9/26, БИ N25, ч.III, 1999 г., по заявке 98119327 oт 26.10.98.

Формула изобретения

Устройство для измерения плотности, содержащее расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, у которых, по крайней мере, одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, каждая из которых соединена одним концом со своей герметичной камерой, две измерительные трубки, на каждой из которых установлен емкостной датчик для определения уровня раздела более тяжелой и более легкой несмешивающихся контрольных жидкостей, блок обработки информации и регистратор, отличающееся тем, что каждая пьезотрубка вторым концом соединена с первым концом своей измерительной трубки посредством гибкой дистанционной трубки, позволяющей устанавливать измерительные трубки в стороне от емкости с исследуемой жидкостью на вертикальной оси, параллельной вертикальной оси установки герметичных камер, и поворачивать, при необходимости, измерительные трубки вокруг горизонтальной оси, проходящей через первые концы измерительных трубок, второй конец каждой измерительной трубки соединен со своей компенсационной емкостью, внутренний объем которой в сумме с объемом части измерительной трубки от ее второго конца до середины емкостного датчика равен сумме внутренних объемов герметичной камеры при среднем положении эластичной мембраны, пьезотрубки, гибкой дистанционной трубки и измерительной трубки от ее первого конца до середины емкостного датчика, каждый емкостный датчик выполнен в виде цилиндрического конденсатора, центральный электрод которого изолирован от контрольных жидкостей, при этом диаметр d внутреннего электрода без изоляции выбирается в пределах от 2 до 6 мм и соотносится с диаметром d_из внутреннего электрода с учетом изоляции и внутренним диаметром D наружного электрода как d: d_из: D= 4: 5: 14, причем компенсационные емкости соединены друг с другом через запорное устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6