устройство для измерения уровня и плотности жидкости (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на первом его конце, первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, установленной под демпфером, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, блок измерения плотности, блок измерения уровня, блок индикации, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен к второму выходу блока измерения плотности, отличающееся тем, что третий дополнительный выход блока измерения плотности соединен со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, а второй, нижний, поплавок с расположенным на нем третьим постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек.

2. Устройство для измерения уровня и плотности жидкости, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания, установленной под демпфером, на первом его конце, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, блок измерения плотности, блок измерения уровня, блок индикации, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен к второму выходу блока измерения плотности, отличающееся тем, что третий дополнительный выход блока измерения плотности соединен со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, второй, нижний, поплавок с расположенным на нем третьим постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек, а первый постоянный магнит расположен на втором, нижнем, конце звукопровода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения уровня и плотности нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении.

Известно множество устройств, позволяющих измерять уровень или плотность в отдельности. Так, например, устройство для измерения уровня топлива (см. патент США №5076100, G 01 F 23/00, 1991) содержит звукопровод из магнитострикционного материала с демпфером на одном из концов, катушку считывания, установленную перед демпфером, три постоянных магнита, один из которых зафиксирован в конце звукопровода со стороны катушки считывания, а два других расположены на поплавках, усилитель-формирователь, генератор импульсов и счетчик. Данное устройство позволяет проводить измерение двух уровней жидкостей с разной плотностью.

Также существует много разновидностей поплавковых непрерывных плотномеров, отличающихся конструкцией и формой поплавка, типом (механические, электрические, пневматические, оптические) и принципом (индуктивные, потенциометрические) преобразователи перемещения поплавка. Например, в патенте США №3808893, плавающий поплавок с сердечником индуктивного датчика перемещений подвешен к пружине непосредственно. Ряд других разновидностей поплавков того же назначения рассмотрен в патенте США №3827306.

Достаточно полный обзор устройств для измерения плотности представлен в книге С.С.Кивилиса "Плотномеры" изд. "Энергия", Москва 1980 г., где подробно рассмотрены различные типы плотномеров, в том числе и поплавковые. Поплавковые плотномеры классифицируются по двум функциональным признакам - 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.

Указанные преимущества цепочных плотномеров реализованы в патенте на полезную модель RU 46854 U1.

Однако все эти решения не имеют привязки к поверхности жидкости и не позволяют одновременно с плотностью контролировать уровень жидкости в резервуаре.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству измерения уровня и плотности является устройство для измерения уровня и плотности, описанное в патенте РФ №2138028, G 01 F 23/68, G 01 N 9/10 1998 г.

Указанное устройство содержит первый поплавок, установленный с возможностью перемещения, блок преобразователя, установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером на первом его конце, катушку считывания, установленную под демпфером, и первый постоянный магнит, расположенный под катушкой считывания, второй поплавок со вторым постоянным магнитом, установленным под первым постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, причем первый поплавок содержит третий постоянный магнит и расположен между вторым поплавком и вторым концом звукопровода с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть первого поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности n стержней, где n 2, второй поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями первого поплавка, блок преобразователя включает усилитель-формирователь, входы которого соединены с выходами катушки считывания, 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, вход первого из которых соединен с вторым концом звукопровода, а вход второго соединен с первым концом звукопровода, и шину обмена, выход усилителя-формирователя соединен с тактовым входом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, выход первого формирователя импульсов запуска соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, информационный выход счетчика через регистр памяти соединен с шиной обмена, которая соединена с входом дешифратора адреса, первый выход которого соединен с входом разрешения считывания регистра памяти, второй и третий выходы дешифратора адреса соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов запуска и вторым входом формирователя сигнала готовности, первый вход которого соединен с входом разрешения записи регистра памяти и выходом регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, четвертый выход дешифратора адреса соединен с входом записи кода выбора регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, параллельные входы для ввода информации которого и выход формирователя сигнала готовности соединены с общей шиной, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей импульса запуска, а выходы - с общей шиной, входы второго формирователя импульсов запуска и формирователя импульсов блокировки соединены соответственно с пятым и вторым выходами дешифратора адреса, а выход формирователя импульсов блокировки соединен с входом блокировки регистра с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, звукопровод в точке, расположенной между первым магнитом, закрепленным на фиксированном расстоянии от катушки считывания, и катушкой считывания соединен с источником питания.

Для упрощения это устройство может быть представлено в виде, изображенном на фиг.1. Устройство содержит звукопровод 1 в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером 3 на первом его конце, первый постоянный магнит 6, расположенный под катушкой считывания 7, установленной под демпфером 3, первый поплавок, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем магнитом 5, второй поплавок со вторым постоянным магнитом 4 с возможностью перемещения вдоль звукопровода, нижняя часть второго поплавка выполнена в виде цилиндра, а верхняя содержит расположенные на торце цилиндра с одинаковым шагом по длине окружности n стержней, где n 2, первый поплавок установлен с возможностью свободного перемещения между стержнями второго поплавка, блок измерения плотности 9, блок измерения уровня 10, блок индикации 11, формирователь импульсов 2, первый вход которого подключен к блоку измерения плотности 9, второй вход подключен к блоку измерения уровня 10, а выходы соединены с двумя концами звукопровода 1, выполненного в виде струны из магнитострикционного материала, усилитель-формирователь 8, входы которого подключены к катушке считывания 3, первый выход подключен к блоку измерения плотности, а второй выход подключен к блоку измерения уровня 10, выходы блока измерения плотности 9 и блока измерения уровня 10 соединены с первым и вторым входами блока индикации 11.

Конструкция устройства показана на фиг.3 описания патента РФ №2138028. Нумерация основных элементов соответствует приведенной на фиг.1 упрощенной схеме устройства.

Устройство, изображенное на фиг.1, работает следующим образом.

Измерение уровня и 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 измерения плотности 9 или блока измерения уровня 10 с помощью формирователя импульсов 8 производится генерация ультразвуковой волны по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе 1, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе 1, и полем постоянных магнитов 4, 5 и 6 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в местах расположения магнитов 4, 5 и 6, распространяется по волноводу 1 в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковые волны вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания 7 в электрические импульсы и затем гасятся демпфером 3. Указанные импульсы поступают в усилитель-формирователь 8, где преобразуются в прямоугольную форму и затем поступают в блок измерения плотности 9 и блок измерения уровня 10. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т. е. положению поплавков. При этом моменты преобразования ультразвуковых волн в электрические импульсы разнесены по времени, и анализ количества импульсов и соответствующих промежутков времени позволят определить положение каждого поплавка, и таким образом измерить уровень и плотность жидкости.

Математически это выглядит следующим образом: на первом этапе в устройстве измерения плотности и устройстве измерения уровня производится запись цифрового кода, соответствующего расстоянию

K_x1=FX1/ ; К_x2=FX2/ , К_(2A-B)=F·(2A-B)/ ,

где - скорость распространения ультразвуковой волны;

F - частота генератора счетных импульсов 1;

X1, Х2, (2А-В) - расстояния до катушки считывания, проходимые ультразвуковыми волнами от магнитов 5, 4, 6.

После получения кодов K _x1, К_х2 и К_(2А-В) производится вычисление значения X1 и Х2 по формулам:

X1=(2A-B)·K_x1 /K_(2A-B) и

Х2=(2А-В)·К_x2/К _(2А-B),

где (2А-В) - масштабный коэффициент.

Присутствие в формуле калибровочного значения К_(2А-B) позволяет вести автоматическую компенсацию влияния дестабилизирующих факторов (температуры, старения, технологического разброса). Разность (X1-Х2) должна быть постоянной величиной при неизменной плотности жидкости. При расстояние X1 соответствует уровню жидкости, а расстояние Х2 (поплавка плотности) изменяется пропорционально плотности. Таким образом, измерив с помощью ареометра плотность эталонной жидкости _эт и с помощью устройства для измерения уровня и плотности расстояние между двумя поплавками:

h_эт =Х_1эт-Х_2эт,

где Х_1эт и Х_2эт - расстояния до поплавков в эталонной жидкости, можно будет определить плотность другой жидкости по формуле:

изм=m/(V-S h),

где m - масса поплавка плотности, определяется взвешиванием;

V - объем вытесненной эталонной жидкости, вычисляется при измерении _эт ареометром, V=m/ _эт,

где S - площадь сечения верхней (погруженной) части поплавка плотности, определяется обмером поплавка;

h, -h_эт, -h_изм - изменение расстояния между двумя поплавками в жидкостях с эталонной и измеряемой плотностью;

h=h_эт, - h_изм.

Расстояние между двумя поплавками вычисляется по формуле:

h_изм =X_1изм-Х_2изм.

Произведение S· h может быть положительным или отрицательным в зависимости от увеличения или уменьшения измеряемой плотности по сравнению с эталонной.

Результаты измерений из блока измерения плотности 9 и блока измерения уровня 10 поступают в блок индикации 11 и выводятся в удобном для работы виде. Вместо блока индикации может быть подключена ЭВМ.

Указанное выше устройство обладает достаточно простой конструкцией, средней точностью, имеет постоянную амплитуду тока подмагничивания звукопровода в зоне расположения катушки считывания, что позволяет делать длину датчика до 4 метров и обеспечивать надежность его работы.

Однако это устройство обладает рядом недостатков, свойственных поверхностным плотномерам с частичным погружением, а именно, как отмечалось выше, зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Все эти факторы приводят к увеличению ошибки измерения плотности. Кроме этого, следует отметить, что указанное устройство не пригодно для измерения плотности с высокой точностью в резервуарах с высоким давлением, например, в резервуарах со сжиженным газом, причем величина ошибки пропорциональна увеличению давления. Кроме этого, указанные устройства дают большую ошибку при измерении плотности жидкости с высокой вязкостью или с вязкостью, сильно изменяющейся при изменении температуры. Следует также отметить, что погружаемость поплавка уровня зависит от плотности жидкости, что дает погрешность измерения уровня, при этом в указанном устройстве не предусмотрено никакой коррекции для компенсации этой погрешности. Необходимо также отметить, что расположение первого постоянного магнита на первом, верхнем, конце звукопровода позволяет осуществить смещение рабочего диапазона измерений в нижнюю сторону, а в ряде случаев присутствует техническая необходимость смещения рабочего диапазона измерений в верхнюю сторону, например при ограниченных размерах приямка резервуара.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для точного измерения уровня и плотности на поверхности жидкости с возможностью работы в широком диапазоне плотности.

Предложение представляет собой два изобретения, относящиеся к двум объектам одинакового назначения, решающим одну и ту же задачу и обеспечивающим получение одного и того же технического результата (два варианта).

В первом варианте предметом изобретения является устройство, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на первом его конце, первый постоянный магнит расположенный под катушкой считывания, установленной под демпфером, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности, - в устройстве введен третий дополнительный выход блока измерения плотности, соединенный со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, а второй, нижний, поплавок с расположенным на нем постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек.

Во втором варианте предметом изобретения является устройство, содержащее звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером и катушкой считывания на первом его конце, установленной под демпфером, на первом его конце, первый поплавок в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом, второй поплавок с третьим постоянным магнитом, с возможностью перемещения вдоль звукопровода, формирователь импульсов, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня, а выходы соединены с двумя концами звукопровода, усилитель-формирователь, входы которого подключены к катушке считывания, первый выход соединен с входом блока измерения плотности, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня, второй выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности, - в устройстве введен третий дополнительный выход блока измерения плотности, соединенный со вторым дополнительным входом блока измерения уровня, второй, нижний, поплавок с расположенным на нем постоянным магнитом, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку с помощью уравновешивающих цепочек, а первый постоянный магнит расположен на втором, нижнем, конце звукопровода.

Техническим результатом является создание нового устройства для измерения уровня и плотности жидкости, обладающего непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном измерения плотности, коррекцией измерения уровня в зависимости от плотности жидкости, хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на поверхности жидкости, возможностью смещения диапазона измерений как в нижнюю сторону звукопровода, так и в верхнюю.

Указанные свойства получены благодаря использованию дополнительной связи между блоком измерения плотности и блоком измерения уровня, введение которой позволяет учитывать изменение погружения поплавка уровня в зависимости от изменения плотности жидкости, системы сдвоенных поплавков для измерения плотности, в которой верхний поплавок уровня находится на поверхности жидкости, а нижний поплавок плотности полностью погружен в жидкость и подвешен к поплавку уровня с помощью уравновешивающих цепочек и возможностью установки первого постоянного магнита как на первом, верхнем конце звукопровода, что позволяет сместить диапазон измерений вниз, так и на втором, нижнем его конце, что позволяет сместить диапазон измерений вверх.

На фиг.2 схематично представлено устройство для измерения уровня и плотности с расположением первого постоянного магнита в верхней части звукопровода, на фиг.3 схематично представлено устройство для измерения уровня и плотности с расположением первого постоянного магнита в нижней части звукопровода, на фиг.4 схематично представлена конструкция устройства с расположением первого постоянного магнита в верхней части звукопровода, на фиг.5 схематично представлена конструкция устройства с расположением первого постоянного магнита в нижней части звукопровода.

Цифрами на рисунках обозначены:

1 - звукопровод (магнитострикционный волновод);

2 - формирователь импульсов;

3 - демпфер;

4 - третий постоянный магнит (расположен на поплавке плотности);

5 - второй постоянный магнит (расположен на поплавке уровня);

6 - первый постоянный магнит;

7 - катушка считывания;

8 - усилитель-формирователь;

9 - блок измерения плотности;

10 - блок измерения уровня;

11 - блок индикации;

12 - первый поплавок (поплавок уровня);

13 - второй поплавок (поплавок плотности);

14 - корпус из немагнитного материала;

15 - уравновешивающие цепочки;

16 - приспособление для крепления гирь.

В первом варианте (фиг.2 и 4)устройство содержит звукопровод 1 в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером 3 и катушкой считывания 7 на первом его конце, первый постоянный магнит 6, расположенный под катушкой считывания 7, установленной под демпфером 3, первый поплавок 12 в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом 5, второй поплавок 13 с третьим постоянным магнитом 4, установленный с возможностью перемещения вдоль звукопровода 1, блок измерения плотности 9, блок измерения уровня 10, блок индикации 11, формирователь импульсов 2, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности 9, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня 10, а выходы соединены с двумя концами звукопровода 1, усилитель-формирователь 8, входы которого подключены к катушке считывания 7, первый выход соединен с входом блока измерения плотности 9, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня 10, второй выход которого подключен к входу блока индикации 11, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности 9, третий дополнительный выход блока измерения плотности 9 соединен со вторым дополнительным входом блока измерения уровня 10, а второй, нижний, поплавок 13 с расположенным на нем третьим постоянным магнитом 4, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь 16, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку 12 с помощью уравновешивающих цепочек 15.

Во втором варианте (фиг.3 и 5) устройство содержит звукопровод 1 в виде струны из магнитострикционного материала с демпфером 3 и катушкой считывания 7 на первом его конце, установленной под демпфером 3, на первом его конце, первый поплавок 12 в виде тороида, установленный с возможностью перемещения с расположенным на нем вторым постоянным магнитом 5, второй поплавок 13 с третьим постоянным магнитом 4, с возможностью перемещения вдоль звукопровода 1, блок измерения плотности 9, блок измерения уровня 10, блок индикации 11, формирователь импульсов 2, первый вход которого подключен к первому выходу блока измерения плотности 10, второй вход подключен к первому выходу блока измерения уровня 9, а выходы соединены с двумя концами звукопровода 1, усилитель-формирователь 8, входы которого подключены к катушке считывания 7, первый выход соединен с входом блока измерения плотности 9, второй выход соединен с первым входом блока измерения уровня 10, второй выход которого подключен к входу блока индикации 11, второй вход которого подключен ко второму выходу блока измерения плотности 9, третий дополнительный выход блока измерения плотности 9 соединен со вторым дополнительным входом блока измерения уровня 19, а второй, нижний, поплавок 13 с расположенным на нем третьим постоянным магнитом 4, выполненный в виде тороида, имеет приспособления для крепления гирь 16, находится в погруженном положении и подвешен к верхнему поплавку 12 с помощью уравновешивающих цепочек 15, а первый постоянный магнит 6 расположен на втором, нижнем, конце звукопровода 1.

Устройство работает следующим образом.

Измерение уровня и 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 измерения плотности 9 или блока измерения уровня 10 с помощью формирователя импульсов 8 производится генерация ультразвуковой волны по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе 1, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала 14.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе 1, и полем постоянных магнитов 4, 5 и 6 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в местах расположения магнитов 4, 5 и 6, распространяется по волноводу 1 в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковые волны вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания 7 в электрические импульсы и затем гасятся демпфером 3. Указанные импульсы поступают в усилитель-формирователь 8, где преобразуются в прямоугольную форму и затем поступают в блок измерения плотности 9 и блок измерения уровня 10. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т.е. положению поплавков. При этом моменты преобразования ультразвуковых волн в электрические импульсы разнесены по времени, и анализ количества импульсов и соответствующих промежутков времени позволят определить положение каждого поплавка и таким образом измерить уровень и плотность жидкости.

Математически это выглядит следующим образом: на первом этапе в устройстве измерения плотности и устройстве измерения уровня производится запись цифрового кода, соответствующего расстоянию от катушки считывания до магнитов 4 и 5 поплавков 12 и 13-Х1 и Х2, а также реперных расстояний А и В. После получения кодов производится вычисление значений указанных расстояний по формулам:

A=Vt_A(1+ )+t_ЗД

В=Vt_B(1+ )+t_ЗД

Х1=Vt₁(1+ )+t_ЗД

X2=Vt₂(1+ )+t_ЗД,

где V - скорость ультразвука в проволоке;

t_A, t_B, t₁, t₂ - время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояния А; В; X1; Х2;

- методическая погрешность из-за старения и температурных уходов параметров проволоки;

t_ЗД - время задержки из-за неидеальностей запуска и приема ультразвуковой волны в магнитострикционном волноводе.

В зависимости от требуемой точности измерений уровня и плотности текущее расстояние между магнитами H_тек=Х1-Х2 может быть вычислено тремя способами с разной дополнительной погрешностью, зависящей от паразитных воздействий.

1. Абсолютно инвариантный (наиболее точный) - это когда после обработки данных, Н_тек нечувствителен к и t_ЗД:

Н_тек=[(A-B)(t₁-t₂)]/(t _A-t_B).

2. Интегральный квази инвариантный (средней точности) - это когда Н_тек нечувствительно к и частично чувствителен к t_ЗД из-за одного интегрального реперного расстояния А.

Н_тек=[A(t₁-t₂)]/(t _A- _ЗД),

где _ЭД=t_ЗД/V.

3. Локальный квазиинвариантный (с малой точностью) - это когда Н_тек нечувствительно к и частично чувствителен к t_ЗД из-за одного локального реперного расстояния В;

Н_тек=[B(t₁-t₂)]/(t _B- _ЗД).

Выбор одного из трех вариантов позволяет найти оптимальный вариант необходимой точности и стоимости устройства.

Измерение плотности жидкости новым устройством основывается на том, что к поплавку 13 с известной массой и объемом одним концом подвешиваются калиброванные металлические цепочки с постоянной массой единицы длины, а вторым концом цепочки подвешиваются к поплавку 12 (плотность которого меньше плотности жидкости и масса которого значительно больше массы подвешенных цепей).

Для того чтобы устройство могло охватывать достаточно широкий интервал плотностей при сравнительно малой длине цепочек, на поплавке предусматриваются приспособления для крепления гирь, такой же эффект достигается применением цепочек различной массы. Приспособления для крепления гирь могут быть выполнены в виде петель, крючков, защелок или других аналогичных решений.

Величина плотности измеряется в блоке измерения плотности с помощью следующей математической модели (подробный вывод смотри: С.С.Кивилис "Плотномеры" изд. Энергия 1980 г., стр.63, 64):

где М_П, V_П - масса и объем поплавка 13;

- половина суммарной массы единицы длины всех подвешенных цепей;

Н_ЭТ. - эталонное (полученное при градуировке) расстояние между магнитами;

М_ГР - масса подвешенных дополнительных гирь;

_ЦЕП.; _ГР. - плотность материала цепей и материала гирь.

Для придания поплавку 13 остойчивости и обеспечения его центрирования применяют несколько цепочек (обычно от двух до четырех), причем свободные их концы фиксируются на подвижном поплавке 12 (при изменении уровня поплавок 12 перемещается и перемещает пропорционально магниты как собственные, так и поплавка 13). От каждой цепочки на поплавок 13 действует сила, направленная по касательной к цепной линии и зависящая от длины цепочки. Вертикальная составляющая этой силы, компенсирующая изменение выталкивающей силы при изменении плотности жидкости, зависит от перемещения поплавка 13 в соответствии с математической моделью. Уравновешенное состояние поплавка 13 (при неизменной плотности) сохраняется в любом месте нахождения поплавка 12 (по диапазону уровня). Погружение поплавка 12 меняется при изменении положения поплавка 13 (при изменении плотности) и учитывается при обработке сигналов положения магнитов поплавков.

Из вышеизложенного можно сделать выводы, что измерение плотности не зависит:

1 - от перемещения поплавка 12;

2 - от давления газа;

3 - от смачиваемости поплавка 12.

Измерение уровня (раздела фаз) Н_У =Н_К+h устройством основано на измерении перемещения поплавка 12 (Н_К) и учете его глубины погружения в жидкость (h). Обработка сигналов осуществляется блоком измерения уровня.

Измерение перемещения поплавка 12 осуществляется магнитострикционным методом (с использованием при градуировке по перемещению поплавков специальной градуировочной установки).

Если выбрать массу поплавка 12 (М_П) значительно больше изменения массы цепи (М_Ц) и массы мениска (М _М):

М_П>М_Ц и М_П >М_М,

тогда глубина погружения поплавка h в нормальных условиях будет определяться по формуле

h=(M _П/ S)+(М_цЦО/ S),

где Мцо - начальная масса цепочной подвески;

S - рабочее сечение поплавка 12.

Реализация точного измерения уровня с учетом изменения глубины погружения поплавка уровня в зависимости от плотности жидкости осуществлена за счет вновь введенной дополнительной связи между блоком измерения плотности и блоком измерения уровня.

Результаты измерений из блока измерения плотности 9 и блока измерения уровня 10 поступают в блок индикации 11 и выводятся в удобном для работы виде. Вместо блока индикации или совместно с ним может быть подключена ЭВМ.

Блок измерения плотности и блок измерения уровня реализованы на микропроцессорах, что легко позволяет осуществить необходимые преобразования сигналов и выполнить необходимые математические расчеты по заданной программе.

Предлагаемое устройство имеет лучшую температурную стабильность, чем прототип, потому что у него нет рабочих сечений с температурной зависимостью и менисков.

В предлагаемом устройстве легко расширить диапазон измерений плотности (удлиняя цепи цепочной подвески или прикрепляя дополнительные гири), а в поплавковом - для этого необходимо изменять конструкцию поплавка, что влечет за собой большие затраты средств и времени.

При изготовлении прототипа из металла верхняя часть поплавка плотности находится в воздухе и подвержена образованию конденсата на поверхности и сильному загрязнению, что приводит к уменьшению точности измерения плотности, а возможность изготовления поплавков из металла расширяет область применения устройства: например, в пищевой и химической промышленности. В предлагаемом устройстве поплавок плотности всегда находится в погруженном состоянии и соответственно лишен вышеуказанного недостатка, и может быть изготовлен из металла.

Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых токов описываемое устройство для измерения уровня и плотности легко реализуемо во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерениях во взрывоопасных средах, например, при работе с нефтепродуктами или сжиженными газами.

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