устройство для измерения плотности жидкости

Формула изобретения

1. Устройство для измерения плотности жидкости, содержащее наполняемую исследуемой жидкостью камеру, в которой вертикально расположен снабженный постоянным магнитом поплавок, выполненный из немагнитного материала, а также соленоид, индуктивный датчик положения поплавка и генератор стабильного тока, отличающееся тем, что поплавок в камере установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках и дополнительно снабжен магнитопроводной вставкой, которая отделена от постоянного магнита и расположена в поплавке ниже постоянного магнита, индуктивный датчик положения поплавка выполнен в виде включенных в измерительный мост двух идентичных катушек индуктивности, расположенных одна над другой соосно с направляющими подшипниками поплавка и размещенных снаружи нижней части камеры, а соленоид охватывает верхнюю часть камеры, при этом магнитопроводная вставка в поплавке отделена от постоянного магнита настолько, что если постоянный магнит поплавка при соответствующем положении поплавка находится внутри соленоида, то магнитопроводная вставка поплавка находится между катушками индуктивности измерительного моста.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая из двух катушек индуктивности установлена с возможностью фиксированного смещения вдоль оси установки поплавка в его направляющих подшипниках.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждая из двух катушек индуктивности установлена на резьбовой каретке, связанной с одним из двух микрометрических винтов, установленных параллельно оси установки поплавка, при этом каждый микрометрический винт снабжен средством для его вращения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство для вращения микрометрического винта выполнено в виде рифленого буртика, расположенного на самом микрометрическом винте.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поплавок в камере установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках посредством взаимно соосных полуосей, выполненных на концах поплавка.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопроводная вставка поплавка выполнена цилиндрической и расположена в поплавке соосно с поплавком.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопроводная вставка поплавка выполнена сферической и расположена на оси симметрии поплавка.

8. Устройство по любому из пп.1, 6 и 7, отличающееся тем, что магнитопроводная вставка поплавка выполнена из феррита.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопроводная вставка поплавка отделена от постоянного магнита посредством немагнитной распорки.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера, наполняемая исследуемой жидкостью, выполнена в виде вертикальной проточной трубы, а ее верхний и нижний концы снабжены штуцерами для подключения к источнику исследуемой жидкости.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный мост кроме катушек индуктивности содержит два резистора, включенных последовательно между катушками индуктивности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения плотности жидкости.

Известно устройство для измерения уровня и плотности жидкости по патенту РФ №2270982, МПК G01F 23/30, G01N 9/10, сущность которого заключается в том, что оно содержит вертикально расположенную перфорированную трубу, внутри которой размещен поплавок, систему перемещения поплавка, измерительный блок, датчик температуры и тензопреобразователь, при этом система перемещения поплавка выполнена в виде шагового реверсивного электродвигателя, барабана с тросом, установленного на его валу, и направляющего ролика, причем система перемещения поплавка сопряжена с тензопреобразователем посредством смонтированного на нем направляющего ролика, поплавок выполнен в виде трубки, нижний конец которой герметично закрыт, а измерительный блок выполнен в виде управляющего микроконтроллера, первый вход которого связан с выходом тензпреобразователя, второй вход - с выходом датчика температуры, выход - со входом шагового электродвигателя.

В процессе измерения плотности жидкости при изменении положения поплавка изменяется и длина части троса, расположенной между поплавком и направляющим роликом, что приводит к изменению массы связки, включающей поплавок и указанную часть троса, т.е. изменяется плавучая масса устройства.

Основным недостатком известного устройства по патенту РФ №2270982 является недостаточная точность измерения плотности жидкости, из-за изменчивости плавучей массы устройства.

Известно также устройство для измерения плотности жидкости по авторскому свидетельству СССР №894467, МПК G01N 9/22, которое принято в качестве ближайшего аналога. Известное устройство для измерения плотности жидкости содержит сосуд для исследуемой жидкости и помещенный в него поплавок с магнитным сердечником, находящимся в поле электромагнита, установленного под сосудом, индуктивный датчик положения поплавка, источник тока. В качестве источника тока применен генератор тока, управляемый напряжением и подключенный к электромагниту. Индуктивный датчик положения поплавка связан с преобразователем перемещений. Сосуд для исследуемой жидкости снабжен термостатирующей рубашкой. В процессе измерения плотности жидкости в момент отрыва поплавка от дна сосуда плавучесть поплавка равна нулю. Отрыв поплавка от дна сосуда происходит не мгновенно, поплавок какое-то время находится около дна сосуда, а затем медленно начинает всплывать в виду того, что в момент начала измерений поплавок притягивается ко дну максимальным током электромагнита, где поплавок занимает произвольное начальное положение. Для принятия исходного положения поплавка и его стабильного состояния, позволяющего производить измерения, необходимы, по меньшей мере 30-60 секунд. Для определения тока отрыва поплавка от дна сосуда с повышенной точностью необходимо использовать дискретное регулирование тока электромагнита, разделенное паузами для надежной регистрации момента всплытия поплавка, причем по мере приближения тока электромагнита к току отрыва поплавка необходимо уменьшать величину ступеней дискретизации тока электромагнита при одновременном увеличении пауз между ними. Дискретный метод приближения к показателю истинного результата не позволяет повысить точность измерения плотности жидкости.

Основным недостатком устройства для измерений плотности жидкости по авторскому свидетельству СССР №894467 является его низкая чувствительность и связанная с этим недостаточная точность определения плотности исследуемой жидкости.

Перед заявляемым изобретением поставлена задача повысить точность определения плотности исследуемой жидкости за счет повышения чувствительности устройства относительно плотности жидкости.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для измерения плотности жидкости, содержащем наполняемую исследуемой жидкостью камеру, в которой вертикально расположен снабженный постоянным магнитом поплавок, выполненный из немагнитного материала, а также соленоид, индуктивный датчик положения поплавка и генератор стабильного тока, при этом поплавок в камере установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках и дополнительно снабжен магнитопроводной вставкой, которая отделена от постоянного магнита и расположена в поплавке ниже постоянного магнита, индуктивный датчик положения поплавка выполнен в виде включенных в измерительный мост двух идентичных катушек индуктивности, расположенных одна над другой соосно с направляющими подшипниками поплавка и размещенных снаружи нижней части камеры, а соленоид охватывает верхнюю часть камеры, вместе с этим магнитопроводная вставка в поплавке отделена от постоянного магнита настолько, что если постоянный магнит поплавка, при соответствующем положении поплавка, находится внутри соленоида, то магнитопроводная вставка поплавка находится между катушками индуктивности измерительного моста.

Каждая из двух катушек индуктивности может быть установлена с возможностью фиксированного смещения вдоль оси установки поплавка в его направляющих подшипниках.

Каждая из двух катушек индуктивности может быть установлена на резьбовой каретке, связанной с одним из двух микрометрических винтов, установленных параллельно оси установки поплавка, при этом каждый микрометрический винт снабжен средством для его вращения.

Средство для вращения микрометрического винта может быть выполнено в виде рифленого буртика, расположенного на самом микрометрическом винте.

Поплавок в камере может быть установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках посредством взаимно соосных полуосей, выполненных на концах поплавка.

Магнитопроводная вставка поплавка может быть выполнена цилиндрической и расположена в поплавке соосно с поплавком.

Магнитопроводная вставка поплавка может быть выполнена сферической и расположена на оси симметрии поплавка.

Магнитопроводная вставка поплавка может быть выполнена из феррита.

Магнитопроводная вставка поплавка может быть отделена от постоянного магнита посредством немагнитной распорки.

Камера, наполняемая исследуемой жидкостью, может быть выполнена в виде вертикальной проточной трубы, а ее верхний и нижний концы снабжены штуцерами для подключения к источнику исследуемой жидкости.

Измерительный мост может, кроме катушек индуктивности, содержать два резистора, включенных последовательно между катушками индуктивности.

Благодаря изложенной сущности изобретения получен технический результат, а именно повышена чувствительность устройства относительно плотности исследуемой жидкости и тем самым повышена точность измерения плотности исследуемой жидкости.

На фиг.1 приведен общий вид устройства в разрезе;

на фиг.2 показана электронная схема устройства;

на фиг.3 приведен один из примеров исполнения поплавка.

Устройство для измерения плотности жидкости содержит наполняемую исследуемой жидкостью камеру 1 (фиг.1), в которой вертикально расположен снабженный постоянным магнитом 2 поплавок 3, выполненный из немагнитного материала, соленоид 4, индуктивный датчик положения поплавка 3, который выполнен в виде измерительного моста 5 (фиг.2) с двумя идентичными катушками 6 и 7 индуктивности, а также генератор 8 (фиг.2) стабильного тока, при этом поплавок 3 в камере 1 установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках 9 и 10 и дополнительно снабжен магнитопроводной вставкой 11, которая отделена от постоянного магнита 2 и расположена в поплавке 3 ниже постоянного магнита 2. В то же время соленоид 4 охватывает верхнюю часть 12 камеры 1, а катушки 6 и 7 индуктивности измерительного моста 5 расположены одна над другой соосно с направляющими подшипниками 9 и 10 поплавка 3 и размещены снаружи нижней части 13 камеры 1. При этом магнитопроводная вставка 11 в поплавке 3 отделена от постоянного магнита 2 настолько, что если постоянный магнит 2 поплавка 3, при соответствующем положении поплавка 3, находится внутри соленоида 4, выше его нижнего среза 14, то магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 находится между катушками 6 и 7 индуктивности измерительного моста 5. Каждая из двух катушек 6 и 7 индуктивности установлена с возможностью фиксированного смещения вдоль оси 15, являющейся осью установки поплавка 3 в направляющих подшипниках 9 и 10, посредством резьбовой каретки 16 или 17, соответственно, каждая из которых связана с одним из двух микрометрических винтов 18 и 19, которые установлены параллельно оси 15 установки поплавка 3. При этом каждый микрометрический винт 18 и 19 снабжен средством для его вращения, которое выполнено в виде рифленого буртика 20 и 21, соответственно, расположенного на самом микрометрическом винте 18 и 19. Поплавок 3 в камере 1 установлен в двух взаимно соосных направляющих подшипниках 9 и 10 посредством взаимно соосных полуосей 22 и 23, соответственно, выполненных на концах поплавка 3. Магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 выполнена цилиндрической и соосной с поплавком 3. Магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 выполнена из феррита. Магнитопроводная вставка 11 в поплавке 3 отделена от постоянного магнита 2 немагнитной распоркой 24. Камера 1 выполнена в виде вертикальной цилиндрической проточной трубы, а ее концы снабжены соответственно верхним штуцером 25 и нижним штуцером 26 для подключения камеры 1 к источнику исследуемой жидкости, при этом на внутренних концах обоих штуцеров 25 и 26 расположены направляющие подшипники 9 и 10, соответственно. Штуцер 25 закреплен на камере 1 гайкой 27, а штуцер 26 закреплен на камере 1 гайкой 28. Камера 1 установлена на подставке 29 и закрыта съемным кожухом 30. Измерительный мост 5, кроме катушек 6 и 7 индуктивности, содержит два резистора 31 (R1) и 32 (R2) (фиг.2), включенных последовательно между катушками 6 и 7 индуктивности. К входу 33 измерительного моста 5, к катушкам 6 и 7 индуктивности через модулятор 34 подключены высокочастотный генератор 35 и генератор 36 импульсов модуляции и строба. К выходам 37 и 38 измерительного моста 5 последовательно подключены синхронный детектор 39, ключ 40, интегратор 41 и генератор 8 стабильного тока, при этом генератор 8 стабильного тока соединен с соленоидом 4 прямой и обратной связью. К выходу 42 соленоида 4 также подключен блок 43 измерения и обработки выходного сигнала и отображения величины плотности исследуемой жидкости. Кроме этого высокочастотный генератор 35 напрямую соединен с синхронным детектором 39, а генератор 36 импульсов модуляции и строба также напрямую связан с ключом 40. В обратную связь между соленоидом 4 и генератором 8 стабильного тока включен резистор 44 (R3). На фиг.3 чертежей приведен другой пример исполнения магнитопроводной вставки 45, которая выполнена сферической формы и расположена на оси 46 симметрии поплавка 3.

Для измерения плотности жидкости камеру 1 через нижний штуцер 26 заполняют исследуемой жидкостью с одновременным вытеснением из полости камеры 1 воздуха через верхний штуцер 25. После заполнения камеры 1 исследуемой жидкостью на поплавок 3 действует сила Архимеда F_A, при этом F_A= ·g·V,

где: - плотность исследуемой жидкости;

g - ускорение свободного падения;

V - объем поплавка 3.

На соленоид 4 подают ток, вырабатываемый генератором 8 стабильного тока. При взаимодействии магнита 2 поплавка 3 с магнитным полем соленоида 4 возникает магнитная сила F_M, действующая на поплавок 3 вертикально вверх, которая совпадает по направлению с силой Архимеда F_A и противодействует силе тяжести F_G поплавка 3, при этом F _G=m·g,

где: m - масса поплавка 3;

g - ускорение свободного падения.

В процессе измерения плотности жидкости изменяют ток, подаваемый на соленоид 4, с таким расчетом, чтобы независимо от плотности исследуемой жидкости поплавок 3 занимал одно и тоже положение, т.е. магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 постоянно находилась между катушками 6 и 7 индуктивности измерительного моста 5 и выходной сигнал, снимаемый с выводов 37 и 38 измерительного моста 5, был бы равен нулю, что соответствовало бы нулевому балансу измерительного моста 5 и так называемому нулевому положению магнитопроводной вставки 11 поплавка 3. В результате поплавок 3 занимает такое положение, при котором выполняется F_M+F_A=F _G. Так как сила F_G постоянна, то положение равновесия поплавка 3 зависит от величины силы F _A, а следовательно, от плотности жидкости . Это достигают при помощи сигнала, заводимого с измерительного моста 5 через синхронный детектор 39 и интегратор 41 на генератор 8 стабильного тока. При смещении поплавка 3, а вместе с ним и магнитопроводной вставки 11 вниз от ее нулевого положения между катушками 6 и 7 индуктивности индуктивность нижней катушки 7 индуктивности увеличивается, и на выходе измерительного моста 5 появляется сигнал разбаланса положительной полярности, выходной сигнал интегратора 41 также увеличивается, в результате чего увеличивается сила тока, подаваемого на соленоид 4, и увеличивается величина F_M, поплавок 3 перемещается вверх, а магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 возвращается к нулевому положению между катушками 6 и 7 индуктивности. Аналогично при смещении поплавка 3 вверх, а вместе с ним и магнитопроводной вставки 11, из точки нулевого положения между катушками 6 и 7 индуктивности на выводах 37 и 38 измерительного моста 5 появляется напряжение отрицательной полярности, выходное напряжение интегратора 41 уменьшается, уменьшается стабильный ток, подаваемый на соленоид 4, уменьшается и величина F_M, в результате поплавок 3, а вместе с ним и магнитопроводная вставка 11 возвращаются к точке нулевого положения. По величине установившегося тока на соленоиде 4, при котором магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 занимает нулевое положение, определяют плотность исследуемой жидкости, залитой в камеру 1. При этом синхронный детектор 39, генератор 36 импульсов модуляции и строба способствуют однозначному определению направления движения поплавка 3, а именно вверх - вниз, при нарушении баланса измерительного моста 5 в процессе измерения плотности исследуемой жидкости.

Благодаря тому, что плотность исследуемой жидкости, залитой в камеру 1, определяют по величине установившегося тока на соленоиде 4, при котором постоянный магнит 2 поплавка 3 находится внутри соленоида 4, магнитопроводная вставка 11 поплавка 3 занимает нулевое положение между катушками 6 и 7 индуктивности измерительного моста 5, а сам поплавок 3 находится во взвешенном состоянии в исследуемой жидкости, устройство способно реагировать практически на любые, даже незначительные изменения плотности исследуемой жидкости.

Изобретение позволило получить технический результат, а именно повысить чувствительность устройства относительно плотности исследуемой жидкости и тем самым повысить точность измерения плотности исследуемой жидкости.