Денситометр

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К П АТЕ НТУ (ii)948299

Союз Советских

Соцналистических

Ресл ублмк (б1} Дополнительный к патенту (22) Заявлено 20.04, 77(21) 2474252/18-25 (51) М. Кл. (23) Приоритет — (32) 12.11.76

l (31) 136726/76 (ЗЗ) Япония

G 01 J 1/04

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и отары тий

Опубликовано 30,07. 82, Бюллетень,% 28 (53) ИХК 535. 3. .34(088.8) Дата опубликования описания 30.07. 82 (54) ДЕНСИТОМЕТР

Изобретение относится к технике, измерения параметров жидкости, содержащий твердые частицы, и может найти применение в денситометрах . для измерения концентрации таких твердых частиц в жидкости, у который диаметры способны изменяться в зависимости от работы эмульсифнкатора1

Известны денситометры для измере-, ния концентрации твердых частиц в жидкой среде, содержащие источник света, фотоприемник и схему регистрации 1).

Однако поскольку частицы пробы жидкой среды распределяются в ней по случайному закону, то трудно точ» но измерить концентрацию или мутность пробы.

Для устранения укаэанного недос- 20 татка пробу жидкой среды взбалтывают с помощью ультразвукового эмульсификатора так, чтобы получить равномерное распределение частиц и затем оптически измерить концентрацию 25 или мутность пробы жидкой среды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности яв,ляется денситометр, содержащий onl тически связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмульсификатором, фотоприемник, а также первую вычислительную схему с двумя входами, схемы преобразования и регистра-, ции, переключатель, установленный между- ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемойP).

Известный денситометр обладает низкой точностью, так как в нем отсутствуют средства для нормирования измеряемой величины мутности или концентрации.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Укаэанная цель достигается тем, что в известный денситометр, содержащий оптически связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмуль - сификатором, фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную; схему с двумя входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемой, введены схема синхронизации,с переключателем, содержащая схемы формирования импульсов, инвертор, по две релейных, стробирув948299 щих к одноходных схемы, и вторая вычислительная схема, содержащая по две стробирующих, блокирующих схемы, сумматор, на выходе которого установлен делитель, при этом в схеме синх-, ронизации выход схемы формирования импульсов соединен со входом одной релейной схемы через инвертор, -а со входом другой - непосредственно, выходы релейных схем соединены с пер- выми входами стробирующих схем и sxo-1 дами одноходовых схем, вторые вХоды стробирующих схем соединены с выходом фильтра, а выходы стробирующих схем соединены со входами первой вычислительной схемы, а вы<оды одноходовых схем соединены с первыми входами стробирующих схем второй вы-,: числительной схемы, вторые входы стробирующих схем второй вычислительной схемы. соединены с выходом первой вычислительной схемы, выходы строби-. рующих схем второй вычислительной схемы соединены со входами блокирующих схем второй вычислительной схемы, выходы которых соединены со входами . сумматора второй вычислительной схемы, а выход делителя сумматора соединен со входом схемы преобразования.

На фиг. 1 представлена блок-схе- ма денситометра .с проточной ячейкой и ультразвуковым эмульсификатором, на фиг. 2 - блок-схема электронной части денситометра на фиг. 3 — некоторые характерные сигналы при рабо-i те денситометра на фиг. 4 и 5 блок-схемы вариантов первой вычис- 3 лительной схемы; на фиг . 6 — рабочие характеристические кривые денситометра; на фиг. 7 и 8 — прочие ячейки (кюветы), которые могут использоваться в денситометре. 4

Денситометр содержит цилиндрическую оптическую ячейку 1, выполненную из стекла (фиг.1), через которую проходит эмульгированная проба жидкости. Одна проба жидкости содержит нефтепродукты, диаметр частиц которых мал, тогда как другая проба жидкости содержит нефтепродукты, диаметр частиц которых велик. Свет, излучаемый источником 2, представляющим со бой ксеоновую лампу, падает на коллиматор 3, который предназначен для преобразования пучка света в парал-. лельный пучок, который проходит через оптическую ячейку 1, H детектируется фотоэлектрическим приемником

4 . К эмульсификатору 5 ультразвукоцого типа подводят электрическую

4 чергию двух величин, при этом создают два потока жидкости А и В, сдвинутые по времени.

Причем проба жидкости А содержит частицы небольшого диаметра, а проба жидкости B содержит частицы большего диаметра. Электрическая энергия прикладывается к ультразвуковому эмульсификатору 5 периодически через переключатель б от источников 7 и 8 электрической энергии. Переключатель б срабатывает от сигналов генератора 9, который включается и выключается с постоянной частотой. Источники 7 и 8 высокой и низкой электрической энергии возбуждают магнитостриктор 10. Ультразвуковой эмульсификатор 5 снабжен каналом. 11 охлаж0 дения, через который подается охлаж. дающая вода к магнитостриктору 10 для предотвращения перегрева последнего. Колебания, создаваемые магнитостриктаром 10, передаются на излучающее тело 12, которое находится в, контакте с жидкостью, смешанной с нефтью. Испытуемая жидкость (вода) .подается через трубопровод 13 и зазор между наклонным трубопроводом

14 для конвергенции пробы жидкости и излучающим телом 12 в полость 15, в которой проба воды подвергается вторичному эмульгированию и затем непрерывно подается в оптическую ячейку 1. Между излучающим телом 12 и полостью 15 вставлена тонкая мембрана 16, которая служит для предварительного эмульгирования пробы жидкости.

По трубке 17 подачи пробы с постоянной скоростью с помощью ножа 18 подается нефтесодержащая жидкость, взятая из основного трубопровода (не показан). Эта жидкость затем подается по трубопроводу к эмульсификатору

5 5, в результате действия которого возникает проба жидкости A возбужденная электрической энергией высокого уровня Р, и проба жидкости В, возбужденная электрической энергией низкого уровня Р1, которые поочередНо проходят через оптическую ячейку 1 °

Пробы жидкости А и В освещают монохроматическим светом, проходящим через оптическую ячейку 1, и попадают на электровакуумный фотоприемник

4, выходной сигнал которого усиливается усилителем 19 и затем подается

>на первую вычислительную схему 20, О на которую также поступает синхрониэирующий сигнал с переключателр, б через синхронный переключатель 21 и схему 22 обработки синхронизирующего сигнала. Синхронный переключатель 21 и перекидной переключатель б приводятся в действие от выходных сигналов генератора 9. Первая вычислительная схема 20 вычисляет логарифм изменения двух сигналов мутности, полученных с помощью электрических энергий

6О различных уровйей. Для того, чтобы знать истинную концентрацию нефти, выходной сигнал первой вычислительной схемы 20 подается на вторую вычислительную схему 23, которая вы$ числяет среднее значение выходных

948299 сигналов с первой вычислительной схемы 20. Выходной сигнал, пропорциональный концентрации частчц в жидкости, подается через схему 24 преобразования сигнала на устройство.?5 записи (самописец), который 5 записывает измеряемый сигнал концентрации.

На фиг. 2 показаны усилитель 26, фильтр 27, вычислительная схема 20, .состоящая из схем 28 и 29 блокировки,10 схемы деления 30, схемы 31 логариф- . мического преобразования и схемы

32 умножения.

Во вторую вычислительную схему

23 входят стробирующая схема 33, первые входы которой соединены с выходом первой вычислительной схемы

20, а выходы - со схемами 34 и 35 блокировки, выходы которых соединены через. сопротивления с сумматором 36.

Выход:сумматора 36 соединен через делитель 37 со входом схемы 24 преобразования, состоящей из суммирующей схемы 38 и схемы 39 преобразова-, ния напряжение-ток. Схема 22.синхронизации состоит из переключателя 21, . расположенного перед входом схемы

40 @ормироаааия импульса, рааотаяааи от переключателя 21. Выход сьхемы 40 формирования импульса соединен со входами двух релейных схем 41 и 42, при этом к одной из них соединение осуществлено через инвертор 43, а к другой непосредственно. Выходы релейных схем 41 и 42 соединены с первыми входами стробирующих схем .35

44 и 45, вторые входы которых связа ны с выходом фильтра 27. В свою оче редь, выходы релейных схем дополнительно соединены со входами одноходовых схем 46 и 47, выходы которых <0 соединены со вторыми входами строби-. рующих схем 33 второй вычислительной схемы 23.

На фиг, 4 и 5 изображены различные варианты пеовой вычислительной схемы 20, где соответственно 48 схема отношения логарифмов, 49 и

i50 - предусилители, 51 и 52 — лога-рифмические преобразователи.

На фиг. 7 и 8 представлены вариан-, ты проточных ячеек 53 и 54 для двух«: лучевых оптических измерительных схем, вращающееся зеркало 55, играющее роль делителя и модулятора, зеркало 56»59 и ячейки 60 и 61.

Денситометр работает следующим образом.

Если на нефтесодержащую жидкость,: подаваемую насосом 18 под постоянными давлением, воздействовать электрической энергией с большим уровнем 60, Р1, то в течение начального периода, частица нефти разделяется на большое число мелких частиц. При этом свет, проходящий через оптическую ячейку, будет пересекать большое количество 65 частиц. В результате этого интенсивность передаваемого света, воспринимаемого фотоприемником 4, через секунд уменьшается от первого состояния It (1) до следующего устойчивого состояния It (1) . Затем пе1 рекидным переключателем б подается ,электрическая энергия низкого уровня Р от источника 8 к эмульсификатору 5. В результате этого частица нефти диспергируется в виде частиц, имеющих относительно больший диаметр по сравнению с частицей нефти, диспергированной в жидкости при действии электрической энергии высокого уровня Р от источника 7. В результате через t q секунд интенсивность передаваемого света становится боль; ше и достигает следующего устойчиво» го состояния It (2). В этом случае создается временная задержка между сигналами, при этом сохраняется со-. отношение t t =. йо.

При измерениях используется условие равенства периодов переключения уровней энергии $ = $ q = S, которые равны 3 с. Если концентрация нефти в воде известна, то интенсив- ность света изМеняется волнообразно между It и It .

Пусть величина концентрации нефти составляет х, а концентрация суспензированных твердых составляет у, тогда интенсивность It(x) и 1 t.(х) света, прошедшего через кювету,.со".. ставляют

-(аХ+ рм)

Et(x) = К Ip.÷;10 (1)

- ж х р >

It (x) К Ip q,.10 ", (2) где с(и О . — коэффициенты пропорцио-. нальности, оценивающие степень эмуль--. гирования проб А и В К и К параметры, определяемые загрязнением ячейки (кюветы) или окраской пробы жидкости, и,p — коэффициенты пропор-циональности, определяемые конфигурациями суспензированных твердых частиц; E< - интенсивность падающего света.

Параметры К и К зависят от качества оптической ячейки 1, через которую проходят пробы жидкости А и В.

Коэффициенты пропорциональности ф и y определяются,суспензированными твердыми частицами у, по существу к = к p--g

Коэффициенты пропорциональности с(и с указывают .на разницу между эмульгированием соответственно при воздействии электрической энергии высокого и низкого уровней Р„, Р4 .

Соотношение между двумя значениями интенсивностей светового излучения It(x) и I t(x) может быть определено из уравнений (1) и (2):

948299

Таким образогл, x = 10g „ (1 I tax

Ла ! где ьй = d. — с

Если степень эмульгирования нефтй 5 достигаемая с помощью электрической энергии, подаваемой на эмульсификатор 5, задается и корректируется по, известной величине заранее, то -коэффициенты пропорциональности, ука-, : 0 занные выше, становятся известными величинами. В этом случае для .двух проб, эмульгированные состояния,которых,различаются между собой, соот-, ношение между двумя измеренными интенсивностями световых; излучений

It(y) и It (x) может быть определено и концентрация нефти может быть легко измерена, Когда переключатель 21 замкнут, возбуждается синхронизирующий сигнал в схеме 39 (фиг.2). Этот. сигнал по- I ступает на схемы 41 и 42 формирова-: ния импульсов, при этом на схему 41 сигнал синхронизации поступает через инвертор 43, а на схему 42 непосредственно. Схемы 41 и 42 генерируют импульсы заданной длительности с задержкой S + t, Принятые световые сигналы интенсивностью It, It npoI ходят через усилитель 26 и фильтр 27 30 на стробирующие схемы 44 и 45 соответственно одновременно с синхроиизирующими импульсами со схем 41 и 42.

Сигналы синхронизации поступают также через .одноходовые схемы 46 и 47 на входы стробирующих схем 33 второй вычислительной схемы 23.

Сформированные схемами 44 и 45 импульсные сигналы поступают на входы схем 28 и 29 блокировки первой 4О вычислительной схемы 20. Одноходовые схемы 46 и 47 задерживают электрические сигналы, пропорциональные

It, на 50 мс.

Первая вычислительная схема 20 45 анализирует оба сигнала, несущих информацию о концентрации пробы и возникающих в результате эмульсификации пробы двумя уровнями электрической энергии. Эти сигналы поступают дальше на делительную схему 30, сигнал с которой поступает на логарифмический преобразователь 31 и далее ,йа схему 32 умножения. Схему умножения 32 умножает сигнал в 1/ьс по уравнению (3) и приводит шкалу концентраций с делениями от 0 до 200 В соответствие со шкалой напряжений т 0 до 4 В. Таким образом, эта хема осуществляет операцию масштабирования. 60

Сигналы с первой вычислительной схемы 20 поступают на входы строби рующих схем 33. На вторые входы этих схем поступают периодические импульсные сигналы синхронизации со схемы 65

2.2. С выходов стробирующих схем 33 сигналы поступают на схемы 34 и 35 блокировки. Поочередность работы схем 34 и 35 осуществляется схемой

22 синхронизации, которая вводит в рабочий синхронный режим вычислительные схемы 20 и 23. Выходные сигналы со схем 34 и .35 подаются через ре-. зисторы (не обозначены) на вход суммирующей схемы 36, работающей в качестве фильтра. Выходной сигнал суммирующей схемы делится делителем

37 пополам. Суммирующая схема 38 снабжена усилителем, на который подается выходной сигнал в диапазоне от 0 до 4 B и напряжение смещения со схемы смещения (не показаны). Выходной сигнал с суммирующей схемы

38 подается на схему 39 преобразования напряжение-ток и преобразуется в сигнал от 4 до 20 мА. Для лучшего понимания работы схемы обработки параметр К, коэффициент g и интен сивность света 1О принимаются соответственно Н = 1, g = 1, 10 = 10, На фиг. б показаны характеристические красивые различных участков схем обработки сигнала мутности в случае, когда концентрация пробы жидкости. изменяется в функции вреглени.

Если концентрация пробы жидкости увеличивается, то фотоэлектрический ток, имеет форму, показанную на фиг.ба. На фиг.ба форма огибающей

It соответствует .воспринимаемой интенсивности в тот момент, когд:. эмульсификатор 5 возбужден электрической энергией низкого уровня, а форма огибающей It соответствует интенсивности, когда эмульсификатор

5 возбуждается электрической энергией высокого уровня.

Величина измеренного сигнала усиливается усилителем 26, Если электрическая энергия высокого уровня, возбуждающая эмульсификатор 5, изменяется на электрическую энергию ,низкого уровня, возбуждение происходит через промежуток времени задержки пиковой величины It (1) соответствующей концентрации, Поскольку эмульсификатор. 5 возбуждается электрической энергией низкого уровня, интенсивность падающего света достигает величины огибающей It . Через промежуток S с интенсивность воспринимаемого света достигает величины огибающей It, В этот момент схема переходит в проводящее состояние и пиковая величина It (1) задерживается конденсатором схемы 29 блокировки. Затем эмульсификатор 5 возбуждается вновь электрической энергией высокого уровня, интенсивность поступающего света достигает величины It (2), и схема вновь становится проводящей, а пиковое значение величины It (2) испытывает за948299 держку. Эти операции в процессе ра- лы и выходные импульсы одновременно боты повторяются. Как показано на возникают и подаются на первую и фиг.б &, схема 28 блокировки осуществ- вторую вычислительную схемы 20 и 23 ляет выборку пиковыХ. величин It (1), соответственно. В результате этого, .Г), It (3)... каждые 25 с, и схе- концентрация х нефти, определяемая ма 29 блокировки сигнала It задер- 5 уравнением (4), распределяется на живает пиковые значения It (1), каждую из схем 34 и 35 блокировки

It (2), It (3)... второй схемы вычисления каждые 2 c:

Выходные сигналы со схем 28 и 29, . схема блокировки сигнала Л вЂ” -х(1), блокировки подаются через делитель- х(3),.х(5), х(7)...; схема блокировную схему 30 и схему логарифмическо-: 10 ки сигнала  †-х(2), x(4), х(б), го преобразования на умножительную х(8).... В суммирующей схеме Зб.два схему 32. В результате этого на вы-:, выходных сигнала со схем 34 и 35 ходе первой вычислительной схемы 20 блокировки суммируются. В этом слу-, возникает сигнал концентрации х неф- чае выходной сигнал суммирующей схе-, ти в функции временного интервала 1 мы подается обратно через резистор

S с, .(фиг.бс) . и конденсатор на инверсный вход уси-

0 О Х 1 aHTena nepesopHT суммирY

Я, 3Ф.(1) Зб в режим фильтра, имеющего постоянную времени С которая равна приблиt )(<ц Ц зительно 3 с. Таким образом заверша-. ется операция усреднения сигнала второй вычислительной схемой 23. Такая ф1(„ ) операция усреднения вызывает появление выходных сигналов на выходе втоЯ ф рой:вычислительной схемы 23, которые х а)= — 3oq —. следуют эа быстрыми изменениями кон" центрации нефти (фиг.ád). Кроме то4 - (И го, поскольку суммирующая схема Зб ,д<(ф() действует как фильтр, то регистри руется истинное значение концентра. )Цй...... ® 30 ции нефти.

Фиг,бс показывает изменения кон- - Для того, чтобы согласовать пецентрации пробы жидкости. Ступенча- - редачу выходного сигнала первой и тое быстрое изменение сигнала приво- . * второй вычислительной схем 20 и 23 дит к прямоугольной форме сигнала с на индикатор, к суммирующей схеме большой амплитудой, что затрудняет,::. 35 схемы 24 преобразования сигнала довыделение истинной концентрации. В . . бавлены опорное напряжение со схемы случае измерения медленно меняющего- смещения и схема преобразования нася сигнала пробы жидкости выходной пряжение -ток (не показаны). сигнал первой вычислительной схемы . Схемы обработки сигнала мутность20 может быть гГодан через схему. 24 49 концентрация (вычислительные схемы) преобразования сигнала, минуя вто- могут быть различны. Например, .на рую вычислительную схему 23 к легист.. . фиг.4 показан другой вариант выпол- . .ратору 25, который показывает,или : нения первой вычислительной схемы 20,. записывает измеряемую концентрацию. Выходной сигнал -с фотоприемника 4

Вообще при измерении быстро или сну. 45 прикладывается через усилитель 19 к пенчато изменяющейся концентрации схеме 31 логарифмического преобразопробы жидкости.- выходной сигнал пер- вания, которая преобразовывает входвой вычислительной схемы 20 подает- . ной сигнал s сигнал пропорциональной ся.на вторую вычислительную схему логарифму. Схема 22 обработки сигна23, которая усередняет сигнал кон- о ла синхронизации приводится в дейстцентрации, полученный первой вычис- -вие перекидным переключателем 21, лительной схемой 20, что связано с который управляет схемами 34 и 35 тем, что характеристика фильтра блокировки. Дальше оба логарифма сумматора подобрана таким образом, . .- log It u log It подаются на схему .чтобы получать путем вычисления ис- .. вычитания (не показана), выходной тинный сигнал концентрации. сигнал с которой прикладывается ко

Стробирующая схема 33 второй вы- второй вычислительной схеме. 23.

:числительной схемы 23 поочередно Ha фиг. 7 и 8 показаны два видоподает выходной сигнал с первой вы- измененных варианта конструкции опчислительной. схемы 20 через каждые : . тической ячейки, на фиг. 7 — оптиS с на схеьы. блокировки. В этом слу- 0.ческие ячейки, соединенные параллельчае стробирующий импульс вентильиых но, а на фиг. 8 — оптические ячейки, схем составляет около И мс и выход- соединенные последовательно. ной сигнал одноходовых схем состав- На фиг. 7 обе оптические ячейки ляет величину по длительности по-,. 53 и 54 снабжены отводящими трубками рядка 50 мс. Эти стробирующие сигна-. 65 2.3. Эти отводящие трубки соединены 948299

12 с трубопроводом 17. Передаваемые све товые пучки Sa и $з, про.гге™шие через эмульгированную пробу жидкостей А и В, измеряются оптической системой.

B оптической системе свет, излученный источником 2, делится врацающим- 5 ся зеркалом 55 на два световых пучка, которые направляются двумя жестко установленными зеркалами 56 и 57 на оптические ячейки 53 и 54. Световые пучки, прошедшие через оптические !О ячейки, падают на другие жестко уста новленные смесительные зеркала 58 и 59 и, отражаясь от них, падагэт на, фотоэлемент 4, который детектирует световые сигналы Sa tt SBi В этом ва-, г5 риаите денситометра вычислительные схемы 20 и 23 управляются.синхрони-, зируюцими сигналами, полученными с вращающегося зеркала 55. Если зеркало 55 вращается с высокой скоростью, о то.можно опустить вторую вычислительную схему 23.

На фиг. 8 показаны эмульсификато ры 5, оптические ячейки 60 и 61, соединенные последовательно. Оптичесгкие ячейки 60 и 61 расположены параллельно между собой. Световые излучения, полученные от двух источникой света, падают на оптические ячейки, а прошедшее через них световое из-. лучение Яс, и, БВ попадает на фотоэле-, O менты, которые рабетают автономно..

Таким обРазом, предлагаемый денситометр с различными вариантами вычислительных схем позволяет повысить точность измерений. 35

Формула изобретения

Денситометр, содержащий оптичес- 4Q ки связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмульсификатором, фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную схему с двумя, 45 входами, схемы преобразования и регистрации„ переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительнсъй схемой, отличающийся тем, что, с целью повыаения точности измерений, в него дополнительно введены: схема синхронизации с переключателей, содержащая схемы формирования иглпульсов, инвертор, по две релейных, стробируюцих и одноходовых схемы, и вто-! рая вычислительная схема, содержащая по две стробируюцих, блокирующих схеьы, сумматор, на выходе которого установлен делитель, при этом в схеме синхронизации выход .схемы формирования импульсов соединен со входом одной-. Релейной схемы через инвертор, а со входом другой — непосредственно, выходы релейн гх схем соединены с первыми входами стрсбируюцих схем и входами одноходовых схем, вторые входы стробируюцнх схем соединены с выходом фильтра, а выходы стробкрующих схем соединены со входами первой вычислительной схемы, выходы одноходовых схем соединены с первьэги входами стробируюцпх схем второй вычислитель ной сны, вторые входы стробируюцих схем второй вычислитель ой схегы со-: единены с выходом первой вычислитель- ной схемы, выходы стробируюцих схем второй вычислительной схемы соединены со входами блокируюцих схем второй вычислительной схемы, выходы которых соединены со входами сумматора второй вычислительной схемы, а выход делителя сумматора соединен со входом схе-I мы-преобразования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CEJA М 3704950, кл..356-73, опублик. 1972.

2. Патент США,9 5704950, кл. С 01 J 1/04, опублик. 1975 (прототип).

948299

Составитель М.Дедловский

Редактор Л.Горбунова ТехредЛ. Пекарь Корректор У.Пономаренко

О \» Ю ° Ю» Э М

Заказ 5683/80 Тираж 887. Поднисное

ВНИИПИ Государственного койитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, К-35, Раушская иаб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4