Способ определения плотности жидкой среды и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления технологическими процессами при работе с жидкими средами. Техническим результатом является обеспечение более высоких потребительских свойств и повышение точности измерения плотности исследуемой жидкости. Способ состоит в измерении времени t₁ и t₂ прохождения фиксированного расстояния Δh в жидкой среде поплавком полного погружения по вертикали, вверх и вниз соответственно, где

является мерой плотности жидкой среды. Устройство состоит из корпуса 1 с измерительной полостью 2 и поплавком полного погружения 3 в ней. Поплавок снабжен постоянным магнитом 4, который размещен в части корпуса устройства посредством шарнира с горизонтальной осью 10, а поплавок полного погружения и магнит соединены рычагом 9, имеющим возможность качания на оси 10 в вертикальной плоскости. 1 ил.

 

Изобретения относятся к способам и устройствам измерения плотности и могут быть использованы для прецизионных измерений плотности жидких сред, например нефти и нефтепродуктов.

Известен магнитно-поплавковый метод определения плотности жидких сред [1] с различными его модификациями: пружинный, электромагнитный, флотационный и др. При таком методе измеряемая плотность жидкости является функцией перемещения поплавка под действием пружины, тока соленоида (электромагнита), скорости перемещения поплавка и т.п.

Существенным недостатком такого метода является влияние на результат измерения вязкости измеряемой среды и температуры.

Известны устройства определения плотности жидких сред, реализующие метод [1] в том или ином конструктивном исполнении [2-5], так, например, электромагнитные плотномеры содержат измерительный сосуд с измеряемой жидкой средой, размещенный внутри сосуда поплавок так называемого полного погружения с установленным в нем постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле соленоида, и один датчик положения поплавка в том или ином конструктивном исполнении. О плотности судят по току обмотки соленоида, включенного тем или иным образом в схему измерения. Общим недостатком плотномеров [2-5] является не решенная до конца проблема "нулевой отметки", а именно наличие погрешности измерения за счет смещения поплавка относительно нулевой точки отсчета. Можно отметить, что известные плотномеры, судя по описаниям, не лишены схемных и конструкторских сложностей. К тому же в плотномерах [2-5] изменения вязкости измеряемой среды создают дополнительную погрешность измерения плотности. Измерение плотности высоковязких жидких сред обеспечивается, например, известным плотномером [6] для измерения плотности таковых с повышенной вязкостью, где испытуемую жидкость помещают в специальную полость внутри поплавка с магнитом, а сосуд заполняют контрольной жидкостью с известной плотностью и далее измерения плотности выполняют тем же магнитно-поплавковым методом.

Недостатком такого устройства является его сугубо лабораторное исполнение и сложность адаптации его для систем контроля технологических процессов без существенной конструкторской доработки.

Наиболее близкими техническими решениями (прототипами) к заявляемому способу и устройству являются способ и реализующее его устройство-плотномер [7], обладающее повышенным быстродействием и чувствительностью при одновременном упрощении схемы измерения. Известный плотномер состоит из измерительной емкости с измеряемой жидкостью, катушки индуктивности, ферромагнитного сердечника с притянутым к нему пустотелым поплавком при наличии тока в катушке индуктивности. При выключении тока поплавок под действием выталкивающей силы всплывает и соприкасается с чувствительным элементом датчика, управляющего запуском-остановкой таймера. Способ измерения плотности в данном случае состоит в измерении времени движения (всплывания) поплавка, являющегося мерой искомой плотности жидкости. Действительно, время можно измерить со сколь угодно высокой точностью, (а следовательно, и плотность). И хотя при малых перемещениях поплавка [7] влияние изменения вязкости на точность измерения плотности незначительно, тем не менее принципиально, как показывают расчеты, оно присутствует. Таким образом и в данном способе измерения плотности и устройстве, его реализующем, есть существенный недостаток, а именно - влияние на результат измерения вязкости жидкости и изменение этого параметра от температуры последней.

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемых объектов) заключается в обеспечении известным техническим решениям более высоких потребительских свойств путем минимизации или исключения влияния вязкости измеряемой среды и температуры, а следовательно, и повышение точности измерения плотности исследуемой жидкости.

Требуемый технический результат в заявляемом способе определения плотности жидкой среды согласно способу-прототипу, при котором в нее помещают поплавок полного погружения с заранее заданной плотностью ρ_п со встроенным в него постоянным магнитом, создают в зоне размещения постоянного магнита поплавка магнитное поле с вертикальной ориентацией магнитных силовых линий, с помощью которого регулируют силовое взаимодействие этого поля с полем постоянного магнита поплавка, то есть регулируют плавучесть последнего в измеряемой жидкой среде и измеряют время t его штатного перемещения Δh, являющееся мерой плотности, достигается тем, что магнитное поле создают электромагнитом со стабилизированным постоянным током питания, величину которого принимают заведомо большей, чем величина, необходимая для всплывания-погружения поплавка в рабочем диапазоне измерения плотности жидкой среды при смене полярности магнитного поля, причем одновременно со сменой полярности магнитного поля измеряют длительность каждого из двух временных интервалов, требующихся для полного цикла движения поплавка (вниз t₁ и вверх t₂ или наоборот) в пределах этого заранее заданного штатного (то есть ограниченного конструктивно) перемещения Δh, а плотность ρ_ж жидкой среды определяют по одной из формул:

или (что то же самое, поскольку υ=Δh/t, а t=Δh/υ):

,

где t₂-t₁ - разность времени ходов поплавка;

t₁+t₂ - сумма времени ходов поплавка;

υ₁-υ₂ - разность скоростей перемещения поплавка вверх-вниз;

υ₁+υ₂ - сумма скоростей перемещения поплавка вверх-вниз;

К - коэффициент масштабирования плотности.

Как показывают стендовые и промышленные испытания заявляемого устройства и опыт эксплуатации устройства-прототипа, требуемый технический результат достигается тем, что известное устройство для определения плотности жидкой среды, содержащее корпус с измерительной полостью, поплавок со встроенным постоянным магнитом в данной полости, электрический датчик верхнего положения поплавка, соединенный с таймером и блоком вычисления плотности, электромагнит, источник питания электромагнита, содержит электрический датчик нижнего положения поплавка, также соединенный с таймером и блоком вычисления плотности, поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом и обмоткой, часть корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре незамкнутого магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а блок вычисления плотности выполнен в виде контроллера с функциями переключения полярности питания электромагнита, измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ или наоборот, скорости перемещения поплавка вверх υ₁ и вниз υ₂ или наоборот, контроля качества стабилизации электропитания и вычисления плотности жидкой среды.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый способ и реализующее его устройство для определения плотности жидкой среды) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемых объектов критериям изобретения.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, реализующего способ определения плотности жидкой среды.

Устройство состоит из корпуса 1 с измерительной полостью 2, поплавка 3 со встроенным постоянным магнитом 4 в данной полости 2, электрического датчика 5 верхнего положения поплавка, соединенного с таймером и блоком вычисления плотности, электромагнита 6, источника 7 питания электромагнита. Устройство содержит также электрический датчик 8 нижнего положения поплавка, соединенный, как и датчик 5, с таймером и блоком вычисления плотности. Поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом 9 с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось 10 качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом 11 и обмоткой 12, часть 13 корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а таймер и блок вычисления плотности выполнены в виде единого контроллера 14 с функциями измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ (или наоборот), скорости перемещения поплавка вверх υ₁ и вниз υ₂ (или наоборот) при переключении полярности питания электромагнита по его же командам, и, соответственно, вычисления плотности жидкой среды с учетом коэффициента масштабирования плотности прибора-плотномера конкретного конструктивного исполнения, то есть заявляемого устройства.

Обязательным условием нормального функционирования устройства (плотномера), гарантирующего его точностные характеристики, является режим малых скоростей перемещения поплавка, когда жидкость обтекает последний ламинарно, а движение поплавка подчиняется закону Стокса [8].

Устройство реализует заявляемый способ следующим образом. В исходном состоянии после наполнения жидкостью измерительной полости 2 (на чертеже линии подвода и сливания жидкой среды условно показаны стрелками) поплавок 3 находится в неопределенном положении. При включении источника 7 постоянного (стабилизированного) тока с определенной полярностью, задаваемой контроллером 14, поплавок 3 под силовым воздействием электромагнита 6, взаимодействующего с постоянным магнитом 4, начнет погружение (всплывание), пересекая зону чувствительности одного из датчиков (5 или 8) верхнего или нижнего положения поплавка. Срабатывание первым одного из датчиков (5 или 8) еще не является информационным с позиции измерения плотности, но оно однозначно определяет местоположение поплавка (верх или низ измерительной полости). После этого по команде контроллера 14 меняется полярность источника 7 постоянного тока, а следовательно, и направление напряженности магнитного поля электромагнита, под действием которого изменится и направление вращения вокруг горизонтальной оси 10 постоянного магнита 4 с рычагом 9 и поплавком 3. Под действием усилия электромагнита 7 поплавок 3 начнет погружение (всплывание), опять проходя зону чувствительности того же датчика 5 (8), тем самым включая таймер, находящийся в контроллере 14 на счет времени t₁. При достижении поплавком зоны чувствительности датчика 8 (5) счет времени t₁ прекращается. При очередной смене полярности источника постоянного тока поплавок 3 начнет обратное движение, опять пересекая зону чувствительности датчика положения 8 (5) и включая таймер контроллера на счет времени t₂. При достижении поплавком 3 датчика положения 5 (8) счет времени t₂ прекращается. При условии стабильности тока питания электромагнита 6 время движения поплавка вверх (или вниз) зависит от усилия электромагнита; при этом всегда t₁≠t₂ и υ₁≠υ₂.

Для того чтобы обеспечить определение плотности жидкости, измерительную полость подсоединяют к трубопроводу через байпасную линию с помощью вентилей (на чертеже не показаны), которыми можно управлять в режиме автоматических измерений с помощью контроллера, а корпус плотномера снабжают теплозащитной оболочкой.

Рассмотрим алгоритм получения искомой плотности, позволяющий оценить возможное влияние вязкости жидкости на процесс и результат измерения.

Запишем условия равновесия сил, действующих на поплавок при его равномерном движении вверх или вниз.

При равномерном движении поплавка вверх и вниз имеем, соответственно:

где Р=ρ_пV_пg - вес поплавка;

F_Э - тяговое усилие электромагнита (соленоида);

F_A=ρ_жV_пg - архимедова сила, действующая на поплавок;

и - силы трения поплавка в жидкости при условии обтекания поплавка жидкостью ламинарно, вверх (или вниз) соответственно;

g - ускорение силы тяжести;

ρ_ж и ρ_п - плотности измеряемой жидкости и поплавка соответственно;

μ - динамическая вязкость жидкости;

D - диаметр поплавка;

υ₁ и υ₂ - скорости перемещения поплавка относительно жидкости, вверх и вниз соответственно.

Преобразуем уравнения (1) и (2) к виду:

Из уравнений (3) и (4) имеем соответственно:

Разность скоростей υ₁ и υ₂ и их сумма будут соответственно равны:

Поделив разность (7) на сумму (8), получим:

Преобразуем выражение (9) к виду:

где F_Э - const;

V_п - объем поплавка.

Окончательно имеем:

или (что то же самое):

К - коэффициент масштабирования плотности.

Из формул (11) и (12) следует, что плотность измеряемой среды ρ_ж не зависит от вязкости μ жидкости.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа определения плотности жидкой среды и устройства для его осуществления обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям изобретения и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Кивилис С.С. Плотномеры - М., Энергия, 1980, с.97...101.

2. СССР, а.с. №1642319, кл. G 01 N 9/12, 9/22, 1991.

3. СССР, а.с. №630557, М. Кл². G 01 N 9/12, 1979.

4. СССР, а.с. №389439, М. Кл. G 01 N 9/12, 1973.

5. Патент РФ №2082151, М. Кл⁶. G 01 N 9/12, 1995.

6. Кивилис С.С. Плотномеры - М., Энергия, 1980, с.108.

7. Евстигнеев А.Н. и др. Дистанционный цифровой измеритель плотности жидких сред. - В кн.: Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств. ЛТИ. 1976, с.50...53, прототип

8. X.Кухлинг. Справочник по физике. М.: Мир, 1982, с.129.

1. Способ определения плотности жидкой среды, при котором в нее помещают поплавок полного погружения с заранее заданной плотностью ρ_п со встроенным в него постоянным магнитом, создают в зоне размещения постоянного магнита поплавка магнитное поле с вертикальной ориентацией магнитных силовых линий, с помощью которого регулируют силовое взаимодействие этого поля с полем постоянного магнита поплавка, то есть регулируют плавучесть последнего в измеряемой жидкой среде, и измеряют время t его штатного перемещения Δh, являющееся мерой плотности, отличающийся тем, что магнитное поле создают электромагнитом со стабилизированным постоянным током питания, величину которого принимают заведомо большей, чем величина, необходимая для всплывания-погружения поплавка в рабочем диапазоне измерения плотности жидкой среды при смене полярности магнитного тока, причем одновременно со сменой полярности тока магнитного поля измеряют длительность каждого из двух временных интервалов, требующихся для полного цикла движения поплавка вниз t₁ и вверх t₂, или наоборот, в пределах этого заранее заданного штатного перемещения Δh, а плотность ρ_ж жидкой среды определяют по формуле

где (t₂-t₁) - разность времени хода поплавка вверх-вниз;

(t₁+t₂) - сумма времени хода поплавка вверх-вниз;

К - коэффициент масштабирования плотности.

2. Устройство для осуществления способа определения плотности жидкой среды по п.1 формулы, содержащее корпус с измерительной полостью, поплавок со встроенным постоянным магнитом в данной полости, электрический датчик верхнего положения поплавка, соединенный с таймером и блоком вычисления плотности, электромагнит, источник питания электромагнита, отличающееся тем, что оно содержит электрический датчик нижнего положения поплавка, также соединенный с таймером и блоком вычисления плотности, поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом и обмоткой, часть корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а блок вычисления плотности выполнен в виде контроллера с функциями переключения полярности питания электромагнита, измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ (или наоборот), контроля качества стабилизации электропитания и вычисления плотности жидкой среды.