ПОПЛАВКОВЫЙ ПЛОТНОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01N9/20 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам и устройствам измерения плотности токопроводящих жидкостей, и может быть использовано при контроле плотности электролитов, растворов, суспензий, флотореагентов и других электропроводных жидкостей.

Известен поплавковый плотномер, основанный на измерении потери веса поплавка пpи его погружении в исследуемую жидкость на две разные глубины [1].

Недостатком известного плотномера является его сложность, вызванная необходимостью погружения поплавка на две разные глубины, двойным измерением веса поплавка на разных глубинах и вычислением плотности жидкости по значениям двух весов .

Известен поплавковый плотномер, содержащий погруженный в сосуд с жидкостью поплавок, в котором обеспечивается постоянный уровень жидкости за счет ее перелива через верх сосуда, а поплавок с помощью стержня регулируемого веса и длины связан с дифференциально-трансформаторным датчиком положения поплавка в жидкости постоянного уровня [2].

Недостатками известного плотномера являются низкая чувствительность к плотности и низкая надежность работы по внезапным отказам из-за наличия движущихся ненадежных механизмов
Целью изобретения является повышение точности измерения плотности за счет увеличения чувствительности к плотности при одновременном повышении надежности за счет упрощения путем исключения движущихся механизмов.

Цель достигается тем, что в плотномере, содержащем сосуд с рабочей жидкостью и погруженный в нее поплавок, соединенный с узлом регистрации, узел регистрации содержит омметр и упругий эластичный шнур, выполненный в виде электроизолированного проводника, верхний конец которого электрически соединен с электропроводным поплавком, а нижний конец закреплен у основания электропроводного сосуда, электроизолирован от сосуда и жидкости и соединен с первым входом омметра, при этом второй вход омметра соединен с электропроводным сосудом.

Проводник и его электроизолирующая оболочка выполнены из резины или латекса.

В плотномере плотность, объем поплавка и жесткость шнура выбраны такими, чтобы поплавок находился в нижней части сосуда при исследовании жидкостей с минимальной плотностью и в верхней части сосуда при исследовании жидкостей с максимальной плотностью исследуемого диапазона.

На чертеже показан плотномер, продольный разрез.

Поплавковый плотномер содержит погруженный в сосуд 1 с жидкостью 2 поплавок 3, соединенный с узлом регистрации. Узел регистрации содержит омметр 4 и упругий эластичный шнур, выполненный в виде электроизолированного проводника 5 (жилы) из электропроводной резины, а оболочка 6 проводника 5 выполнена из изоляционного упругого эластичного материала, например из резины или латекса. Верхний конец шнура прикреплен, например, шайбой 7, к нижнему основанию поплавка 3 с возможностью электрического контакта проводника 5 с токопроводящим поплавком 3. Нижний конец шнура прикреплен к основанию 8 сосуда 1 с изоляцией проводника 5 от сосуда и жидкости 2. Выводы омметра 4 соединены соответственно с сосудом 1 и свободным концом проводника 5. Плотность (удельный вес) поплавка ρ _п и жесткость К шнура выполнены из условия нахождения поплавка 3 в нижней части сосуда 1 при минимальном удельном весе жидкости ρ _жmin и в верхней части сосуда при максимальном удельном весе жидкости ρ_жmax. Подсоединение шнура к основанию сосуда также выполнено шайбой 9. Постоянный уровень 10 электропроводной жидкости несколько ниже верхней кромки 11 сосуда 1 или на уровне верхней кромки поддерживается постоянным в процессе измерений плотности.

Сущность установления удельного веса поплавка ρ _п и жесткости К шнура заключается в следующем. В любом положении поплавка и жесткости шнура равновесие поплавка обеспечивается за счет уравновешивания действующих на поплавок сил: силы деформации (растяжения) шнура F_д, численно равной произведению жесткости шнура К на его удлинение Δl: F_д=К Δ l и направленной вниз, и выталкивающей силы F_в, численно равной произведению разности удельных весов жидкости ρ_ж и поплавка ρ_п на объем поплавка V: F_в = ( ρ_ж - ρ_п )V. Для нахождения поплавка в нижней части сосуда при минимальном удельном весе жидкости ρ_жmin условие равенства сил записывают как
К Δl₁=( ρ _жmin- ρ _п)V , (1)
где Δl₁ - удлинение шнура при минимальном удельном весе жидкости.

Для нахождения поплавка в верхней части сосуда при максимальном удельном весе жидкости условие равновесия поплавка принимает вид
К Δl₂=( ρ_жmax- ρ _п)V , (2)
где Δl₂ - удлинение шнура при максимальном значении удельного веса жидкости.

Требуемый ход поплавка h= Δl₂- Δ l₁ при изменении удельного веса жидкости во всем диапазоне измерений от ρ _жmin до ρ_жmax определится из условий (1) и (2) в виде
h=Δl₂-Δl₁= _max-ρ_ж = Δρ_ж (3)
Для увеличения хода поплавка можно либо увеличить объем поплавка V, либо уменьшить жесткость шнура К при заданном диапазоне измерения плотности.

Для любого положения поплавка в сосуде с жидкостью измеряемое омметром 4 сопротивление проводника
R= (4)
где l и S - длина и поперечное сечение проводника 5; ρ - удельное сопротивление проводника. В процессе измерения плотности положения поплавка по высоте сосуда изменяется длина проводника 5, а объем проводника в любой момент времени из-за несжимаемости резины остается постоянным. Поэтому, например, при увеличении длины проводника вдвое от l до 2l сечение проводника также уменьшается вдвое от S до S/2 для обеспечения постоянства объема проводника и в результате электрическое сопротивление проводника R согласно выражению (4) увеличивается в 4 раза, т.е. удваивается чувствительность к изменению плотности жидкости при тех же перемещениях поплавка. При n-кратном увеличении длины проводника его сопротивление увеличивается уже в n²-раз, т. е. чувствительность увеличивается в n раз. Работает плотномер следующим образом.

Анализируемая жидкость подается в измерительный сосуд 1. Под действием выталкивающей силы поплавок устремляется вверх, так как удельный вес поплавка меньше удельного веса жидкости. Однако по мере растяжения поплавком проводника и оболочки увеличивается прямо пропорционально и сила деформации шнура F_д. Как только сила деформации шнура станет равной выталкивающей силе, поплавок принимает устойчивое положение, а омметр 4 показывает соответствующее положение поплавка по величине сопротивления жилы шнура. Отградуировав любым из способов омметр 4 в единицах плотности, определяют плотность жидкости, соответствующую заданному положению поплавка 3. При этом омметр имеет прямую квадратичную шкалу: с ростом плотности жидкости квадратично (путем умножения на n) увеличивается сопротивление жилы шнура. Как видно из уравнений (1)-(4), величина сопротивления жилы шнура никак не зависит от уровня жидкости в сосуде, так как удлинение шнура в любой момент времени определяется разностью удельных весов жидкости и поплавка, жесткостью шнура и объемом поплавка.

Техническими преимуществами поплавкового плотномера по сравнению с прототипом являются следующие: в n раз увеличена чувствительность к плотности и за счет этого в те же n раз повышена точность измерения плотности; увеличена надежность работы по внезапным отказам за счет исключения дорогого, сложного и ненадежного дифференциально-трансформаторного датчика; устранены влияния уровня жидкости на результаты измерения плотности за счет того, что в поплавковом плотномере весь шнур всегда находится в жидкости, а не отдельная часть стержня, как в прототипе. За счет указанных технических преимуществ поплавковый плотномер имеет в n раз меньшую погрешность измерений и вдвое меньшую стоимость. Кроме того, поплавковый плотномер по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности за счет обеспечения измерения плотности с изменяющимся слоем жидкости, т.е. за счет обеспечения измерений плотности в транспортных технологических потоках с изменяющимся уровнем жидкости. Одновременное повышение точности и расширение функциональных возможностей при упрощении свидетельствует о преодолении в поплавковом плотномере технического противоречия.

Использование: в измерительной технике, в частности в способе и средствах измерения плотности токопроводящих жидкостей, например при контроле плотности электролитов, растворов, суспензий, флотореагентов и других электропроводящих жидкостей. Сущность изобретения: поплавковый плотномер содержит погруженный в сосуд с жидкостью поплавок, снабжен симметром и упругим эластичным шнуром, жила которого выполнена из электропроводной резины, а оболочка - из изоляционного упругого эластичного материала, например резины или латекса. При этом верхний конец шнура прикреплен к нижнему основанию поплавка с возможностью электрического контакта жилы с токопроводящим поплавком, а нижний конец шнура прикреплен к основанию сосуда с изоляцией жилы от сосуда и жидкости. Выводы омметра соединены соответственно с токопроводящим сосудом и свободным концом жилы. Плотность поплавка и жесткость шнура выполнены из условия нахождения поплавка в нижней части сосуда при минимальной плотности жидкости и в верхней части сосуда при максимальной плотности жидкости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОПЛАВКОВЫЙ ПЛОТНОМЕР, содержащий сосуд с рабочей жидкостью и погруженный в нее поплавок, соединенный с узлом регистрации, отличающийся тем, что узел регистрации содержит омметр и упругий эластичный шнур, выполненный в виде электроизолированного проводника, верхний конец которого электрически соединен с электропроводным поплавком, а нижний конец закреплен у основания электропроводного сосуда, электроизолирован от сосуда и жидкости и соединен с первым входом омметра, при этом второй вход омметра соединен с электропроводным сосудом. 2. Плотномер по п.1, отличающийся тем, что проводник и его электроизолирующая оболочка выполнены из резины или латекса. 3. Плотнометр по п.1, отличающийся тем, что плотность, объем поплавка и жесткость шнура выбраны такими, чтобы поплавок находился в нижней части сосуда при исследовании жидкостей с минимальной плотностью и в верхней части сосуда при исследовании жидкостей с максимальной плотностью исследуемого диапазона.