плотномер

Формула изобретения

Плотномер для жидкости, содержащий погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок в виде тороида с размещенными в нем магнитами, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, помещенный в трубчатый корпус из немагнитного материала, охватываемый тороидальным поплавком, отличающийся тем, что преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде магнитострикционного волновода с расположенной на нем катушкой считывания и подключенным к нему формирователем импульсов, катушка считывания подключена к входу усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, уравновешивающие цепочки поплавков прикреплены одним концом к поплавку, а другим концом к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя перемещения, а количество поплавков и элементов их крепления составляет n штук с расположением их на разной высоте в зависимости от необходимого числа точек измерения плотности жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения плотности жидкостей, в том числе расслаивающихся по высоте, например нефтепродуктов.

Известно множество устройств поплавкового типа для измерения плотности жидкостей, обзор которых хорошо представлен в книге С.С.Кивилиса "Плотномеры" изд. "Энергия", Москва, 1980 г. Все эти плотномеры классифицируются по двум функциональным принципам - с частичным погружением поплавка и с полным погружением поплавка.

Показания плотномеров с частичным погружением поплавка, т.е. находящегося на поверхности, зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Это приводит к снижению точности измерений.

Исключить влияние поверхностного натяжения позволяют плотномеры с поплавками полного погружения (поплавково-весовые плотномеры). К числу плотномеров полного погружения относятся так называемые цепочные плотномеры, принцип работы которых изложен в книге С.С.Кивилиса "Плотномеры". Использование цепочек позволяет уравновешивать поплавок в широком диапазоне плотности.

Техническое описание погружного плотномера представлено в патенте Великобритании GB №2013900 A, G 01 N 9/18, опубл. 15.08.1979 г. Плотномер содержит поплавок с цепочкой и систему электродов, связанную с мостовой схемой, для оценки электрической проводимости жидкости и определения положения поплавка путем измерения сопротивления зон жидкости. Однако это устройство пригодно только для измерения плотности электропроводящих жидкостей, например электролитов, и не позволяет измерять плотность непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов.

Интересным техническим решением является устройство для измерения уровня и плотности по патенту RU 2188400, G 01 N 9/10, всего 14 стр., опублик. 27.08.2002 г.). Устройство содержит блок преобразователя, включающий усилитель-формирователь, генератор импульсов, счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь блокировки, два ключа, шину обмена, четыре мультиплексора, дешифратор адреса датчика и k датчиков уровня и плотности. Каждый из датчиков содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, катушку считывания и два поплавка с расположенными на них магнитами. Датчики установлены в два ряда и смещены по высоте относительно друг друга для обеспечения перекрытия рабочих зон. В верхней части всех датчиков, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола, внутрь которых с нижней стороны в процессе работы могут заходить поплавки датчиков с закрепленными на них магнитами. Устройство позволяет измерять плотность на разных уровнях в резервуаре, однако оно обладает рядом недостатков:

1. Измерение плотности осуществляется под колпаком, где искусственно создана граница раздела сред (воздух-жидкость). Поплавки плотномера работают на этой границе раздела сред, и в связи с этим имеются дополнительные погрешности, которые зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое в свою очередь определяется рядом факторов (смачиваемость поплавков, наличие мениска, изменение давления, температуры и т.д.) и, как правило, является переменной величиной.

2. Наличие колпака с воздушной подушкой ограничивает давление, в котором можно измерять плотность (например, совершенно непригодно для сжиженного газа);

3. Преобразователь перемещения измеряет относительное расстояние между поплавками (уровня и плотности), а не положение одного поплавка, что приводит к дополнительным погрешностям.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому плотномеру является плотномер, описанный в авторском свидетельстве СССР №397813, G 01 N 9/10, всего 2 стр., опубл. 17.09.1972 г. Указанный плотномер содержит погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок с установленным на нем магнитом, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, причем поплавок выполнен в виде тороида, охватывающего размещенный в трубчатом корпусе из немагнитного материала преобразователь перемещения поплавка, выполненный в виде феррито-полупроводникового распределителя, подключенного к выходу генератора тактовых импульсов.

Указанный выше плотномер обладает высокой помехоустойчивостью. Однако его разрешающая способность определяется размерами одного элемента феррито-полупроводникового распределителя и расстоянием между соседними элементами, т.е. его показания носят дискретный характер, и увеличение его точности и чувствительности требует увеличения количества феррито-полупроводниковых элементов и уменьшения их геометрических размеров (например, для относительной погрешности 0,1% и перемещения поплавка 10 см необходимо 1000 шт. феррито-полупроводниковых элементов, а размер их должен быть 0,1 мм, на практике сейчас такие феррито-полупроводниковые распределители не реализуемы). Кроме этого с помощью одного плотномера нельзя производить одновременные измерения на разных уровнях, что бывает необходимым требованием при измерении плотности расслаивающихся жидкостей, например нефтепродуктов. Поэтому решение задачи по измерению плотности на разных уровнях требует установки нескольких плотномеров, а это при использовании феррито-полупроводникового распределителя прямопропорционально удорожает измерительную систему, которая будет состоять из нескольких плотномеров. Обращает на себя внимание также конструктивная особенность крепления цепей в известном плотномере: одним концом они прикрепляются к поплавку снизу, а вторым концом укреплены в основании трубы, т.е. на условной границе раздела сред (воздух - жидкость), при этом измерение на большой глубине не реализуемо из-за слишком большой длины цепей. Кроме этого следует отметить, что недостатком данного плотномера, так же как и других известных цепочковых плотномеров, является ограниченная рабочая зона, определяемая протяженностью измерительного элемента (в данном случае феррито-полупроводникового). Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на цепочки и поплавки, которые приходится изготавливать либо крупногабаритными с большим количеством цепочек или цепочки должны изготавливаться из тяжелых металлов, например из платиноиридиевых сплавов, что делает их весьма дорогостоящими. Но наиболее серьезным недостатком феррито-полупроводникового преобразователя является узкий температурный диапазон, связанный с потерей магнитных свойств используемых материалов как при низких (ниже -60°), так и при высоких температурах (выше 100°С). Это существенно ограничивает область использования указанных плотномеров, например для измерения плотности сжиженных газов и высокотемпературных расплавов (в химической промышленности).

Предметом изобретения является плотномер для жидкости, содержащий погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок в виде тороида с размещенными в нем магнитами, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, помещенный в трубчатый корпус из немагнитного материала, охватываемый тороидальным поплавком, при этом преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде магнитострикционного волновода с расположенной на нем катушкой считывания и подключенным к нему формирователем импульсов, катушка считывания подключена к входу усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, уравновешивающие цепочки поплавков прикреплены одним концом к поплавку, а другим концом к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя перемещения, а количество поплавков и элементов их крепления составляет n штук с расположением их на разной высоте в зависимости от необходимого числа точек измерения плотности жидкости.

Техническим результатом является создание нового плотномера для жидкости, обладающего непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном рабочих температур и хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на разных уровнях без привязки к границе условного раздела сред, без увеличения сложности измерителя перемещения поплавка при достаточно большой длине плотномера (несколько метров), возможностью использовать разнообразные материалы для уравновешивающих цепочек, что дает возможность получить дешевые многоканальные плотномеры.

Указанные свойства получены благодаря использованию в качестве преобразователя перемещения магнитострикционного волновода, размещенного внутри корпуса из немагнитного материала, на котором на различной высоте расположено n тороидальных поплавков с находящимися внутри них магнитами и с прикрепленными к ним уравновешивающими цепочками, вторые концы которых прикреплены к фиксаторам, жестко закрепленным на корпусе преобразователя перемещения на различной высоте. На магнитострикционном волноводе расположена катушка считывания, подключенная к усилителю-формирователю, а сам магнитострикционный волновод подключен к формирователю импульсов. Выход усилителя-формирователя подключен к входу блока обработки сигнала, выход которого соединен с входом формирователя импульсов.

Конструктивно фиксаторы поплавков могут располагаться как ниже поплавков, так и выше поплавков. Такие конструктивные варианты необходимы для обеспечения более широкого диапазона измерения плотности жидкости без изменения конструкции поплавков.

На фиг.1 схематично представлено устройство плотномера с расположением фиксаторов ниже поплавков.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - первый поплавок;

2 - второй поплавок;

3 - n-й поплавок;

4 - постоянный магнит внутри поплавка;

5 - магнитострикционный волновод;

6 - катушка считывания;

7 - корпус из немагнитного материала;

8 - формирователь импульсов;

9 - усилитель-формирователь;

10 - блок обработки сигнала;

11 - уравновешивающие цепочки;

12 - фиксаторы для поплавков.

Первый, второй и n-й поплавки 1, 2 и 3 тороидальной формы с находящимися внутри них магнитами 4 и прикрепленными к ним уравновешивающими цепочками 11, вторые концы уравновешивающих цепочек прикрепляются к фиксаторам 12, жестко закрепленным на корпусе из немагнитного материала 7 преобразователя перемещения, поплавки располагаются снаружи корпуса из немагнитного материала 7, внутри которого находятся магнитострикционный волновод 5 и катушка считывания 6. Вся конструкция помещена в резервуар с исследуемой жидкостью. Формирователь импульсов 8 выполнен с возможностью формирования ультразвуковых импульсов прямоугольной формы с длительностью не более 10 мкс, амплитудой 12 В и частотой 10 Гц, необходимых для создания ультразвуковой волны вокруг волновода 5. Усилитель-формирователь 8 выполнен с возможностью усиления сигнала, снимаемого с катушки считывания 6 и формирования одиночных прямоугольных импульсов длительностью не более 10 мкс и амплитудой 5 В, необходимых для последующей обработки сигнала в блоке обработки сигнала 10, выполненного с возможностью анализа временных интервалов между импульсами, поступающими в формирователь импульсов 8, и импульсами, приходящими из усилителя-формирователя 9, с последующим преобразованием полученной информации в цифровую величину плотности исследуемой жидкости.

На фиг.2 схематично представлено устройство плотномера с расположением фиксаторов выше поплавков.

Обозначения и назначение всех элементов данной конструкции полностью соответствуют изложенному выше описанию фиг.1 и отличаются только возможностью измерения более низких величин плотности, например плотности сжиженных газов.

Работа плотномера осуществляется следующим образом.

Измерение плотности основано на измерениях времени распространения ультразвука в магнитострикционном волноводе. Скорость распространения ультразвука в волноводе практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.

По команде из блока обработки сигналов 10 с помощью формирователя импульсов 8 генерация ультразвуковой волны происходит по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе 5, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала 7.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе 5, и поля постоянных магнитов 4 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в местах расположения магнитов 4, распространяется по волноводу 5 в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковые волны вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания 6 в электрические импульсы и затем гасятся демпфером. Указанные импульсы поступают в усилитель-формирователь 9, где преобразуются в прямоугольную форму, и затем поступают в блок обработки сигналов 10. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т. е. положению поплавка 1, 2 или 3, и, соответственно, плотности жидкости на данном уровне. При наличии нескольких поплавков с размещенными в них магнитами возникает несколько ультразвуковых волн, равное числу поплавков. При этом моменты преобразования ультразвуковых волн в электрические импульсы разнесены по времени, и анализ количества импульсов и соответствующих промежутков времени позволит определить положение каждого поплавка и таким образом измерить плотность жидкости на соответствующем уровне. Следует отметить, что благодаря использованию магнитострикционного волновода в качестве датчика перемещения возможно использование стальных уравновешивающих цепочек, отказавшись от более тяжелых и дорогих материалов, т.к. не накладывается жестких требований к ограничению перемещений поплавка в процессе измерения плотности. При выходе поплавка из рабочей зоны из-за понижения уровня жидкости в резервуаре поплавок при конструктивном варианте расположения фиксатора снизу поплавка ложится на фиксатор 12, что исключает запутывание уравновешивающих цепочек, а при конструктивном варианте расположения фиксатора сверху поплавка последний повисает на уравновешивающих цепочках, что также исключает запутывание уравновешивающих цепочек.

Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых токов описываемый плотномер легко реализуем во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерении плотности во взрывоопасных средах, например при работе с нефтепродуктами или сжиженными газами.

На предприятии-заявителе был изготовлен макет, а затем опытный образец описанного плотномера и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого решения.