УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N9/12 G01N9/20 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям плотности, и может быть использовано для прецизионных измерений плотности жидких сред, например нефти и нефтепродуктов.

Известны поплавковые плотномеры для измерения плотности жидких сред (см. например, [1] [2] и [3]).

В известном плотномере [1] в сосуде с исследуемой жидкостью размещен поплавок с постоянным магнитом, находящимся в магнитном поле соленоида, и датчик положения поплавка, сигнал с которого через усилитель и измерительный прибор подается на обмотку соленоида. Наличие датчика положения поплавка и цепи обратной связи для подачи сигнала на обмотку соленоида позволяет автоматически уравновешивать выталкивающую силу, действующую на поплавок и зависящую от плотности исследуемой жидкости, силой, возникающей при взаимодействии магнита поплавка с магнитным полем, создаваемым током в обмотке соленоида. Изменения этого тока, измеряемые прибором, служат мерой изменения плотности жидкости.

В известном плотномере [2] в сосуде с исследуемой жидкостью расположен поплавок с постоянным магнитом, находящимся в поле соленоида. Устройство содержит также датчик положения поплавка, выполненный в виде установленного на поплавке ферритового сердечника, находящегося в поле катушки индукционного датчика, усилитель и измерительный прибор. Для расширения диапазона измеряемых плотностей и упрощения процесса измерения плотномер снабжен одинарным равновесным мостом и регулируемым источником тока.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является устройство для измерения плотности жидкости [3] Устройство содержит измерительный сосуд, внутри которого размещен поплавок с постоянным магнитом и ферромагнитным сердечником. На внешней поверхности измерительного сосуда закреплены соленоид, взаимодействующий с магнитным полем постоянного магнита, и индукционная катушка дифференциально-трансформаторного типа, взаимодействующая с ферромагнитным сердечником. Первичная обмотка индукционной катушки подключена к выходу генератора переменного тока, а вторичная обмотка соединена с входами фазочувствительного выпрямителя. Вышеупомянутые ферромагнитный сердечник, индукционная катушка, генератор переменного тока и фазочувствительный выпрямитель совместно представляют собой датчик положения поплавка.

Устройство содержит также аналоговый управляющий блок, включающий регулятор, ключ и резистор; два аналого-цифровых преобразователя (АЦП); цифровой управляющий и вычислительный блок, состоящий из пульта управления, цифрового вычислительного устройства и цифрового регистратора.

При измерении плотности исследуемой жидкости величина тока соленоида определяется нормирующим усилителем, входящим в состав аналогового управляющего блока, на который подается сигнал рассогласования с датчика положения поплавка. Когда сигнал становится равным значению, соответствующему положению поплавка на "нулевой отметке", процесс измерения заканчивается и значение тока соленоида, соответствующее плотности исследуемой жидкости, преобразуется с помощью АЦП и подается на цифровой вычислительный блок, который ведает результат измерения плотности.

Однако точность измерения плотности в известном техническом решении в значительной степени ограничивается погрешностью измерения смещения поплавка от "нулевой отметки". Кроме того, конструкция поплавка является достаточно сложной, поскольку внутри поплавка необходимо разместить как постоянный магнит, так и ферритовый сердечник. Схема и конструкция датчика положения поплавка также являются достаточно сложными.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, является достижение следующих технических результатов: повышение точности измерения плотности за счет исключения погрешности, связанной с измерением смещения поплавка от "нулевой отметки", упрощение конструкции поплавка, а также схемы и конструкции датчика положения поплавка и, следовательно, упрощение всего устройства в целом по сравнению с известным техническим решением.

Это достигается тем, что устройство для измерения плотности жидкости, содержащее измерительный сосуд, размещенный внутри сосуда поплавок с установленным в нем постоянным магнитом, измерительный соленоид, расположенный снаружи измерительного сосуда, блок аналого-цифрового преобразования, аналоговый управляющий блок, цифровой управляющий и вычислительный блок и датчик положения поплавка, содержащий индукционную катушку, для решения поставленной задачи содержит фиксирующий соленоид, расположенный так, что постоянный магнит поплавка при полном погружении поплавка расположен в области однородного магнитного поля этого соленоида, а при полном всплытии в области неоднородного магнитного поля этого соленоида, охватывающий верхнюю часть измерительного соленоида и нижнюю часть измерительного сосуда, опирающегося на верхнюю торцевую поверхность измерительного соленоида, а индукционная катушка расположена непосредственно над фиксирующим соленоидом.

Таким образом, сущность изобретения заключается во введении фиксирующего соленоида в состав датчика положения поплавка, во взаимном расположении измерительного соленоида, фиксирующего соленоида и индукционной катушки относительно друг друга и относительно измерительного сосуда, а также в расположении поплавка с постоянным магнитом относительно измерительного и фиксирующего соленоидов.

В данном техническом решении измерительный сосуд с поплавком опирается на измерительный соленоид. Если при определенном значении электрического тока в измерительном соленоиде сила взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и измерительного соленоида становится равной выталкивающей силе (о силе тяжести не упоминаем, поскольку для объяснения сущности изобретения она не имеет принципиального значения), погруженный поплавок переходит в состояние неустойчивого равновесия, приводящее к полному всплытию поплавка. Это значение электрического тока однозначно соответствует плотности исследуемой жидкости. После всплытия магнит поплавка оказывается в области неоднородного магнитного поля фиксирующего соленоида. Фиксирующий соленоид служит для погружения поплавка. Обнаружение факта всплытия поплавка происходит по ЭДС, наводимой магнитом поплавка в индукционной катушке при погружении поплавка.

Следовательно, в отличие от известного технического решения, в котором значение электрического тока в измерительном соленоиде, соответствующее плотности исследуемой жидкости, регистрируется при достижении поплавком "нулевой отметки" с помощью электронных измерительных устройств и индукционной катушки дифференциально-трансформаторного типа, вносящих свои погрешности в результат измерений, в предложенном техническом решении соответствующее значение электрического тока в измерительном соленоиде определяется только фактом всплытия поплавка.

В связи с этим в предложенном техническом решении отпадает необходимость использования в датчике положения поплавка ферромагнитного сердечника, т.к. постоянный магнит поплавка совместно с индукционной катушкой представляет собой систему регистрации всплытия поплавка. Отпадает необходимость использования генератора переменного тока, питающего индукционную катушку, и фазочувствительного детектора. Нет необходимости использования в качестве индукционной катушки сложной дифференциально-трансформаторной катушки.

Все это, наряду с вышеуказанным исключением погрешности измерений, приводит к упрощению конструкции поплавка, а также схемы и конструкции датчика положения поплавка и, следовательно, к упрощению устройства в целом.

Возможен вариант изготовления устройства, когда внутренняя часть дна измерительного сосуда имеет вогнутую поверхность, например конической формы. Это может обеспечить более точное и стабильное позицирование поплавка относительно измерительного соленоида.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения плотности жидкости.

Устройство содержит измерительный сосуд 1, внутри которого размещен поплавок 2 с постоянным магнитом 3. Измерительный сосуд 1 расположен на верхней торцевой поверхности измерительного соленоида 4. Фиксирующий соленоид 5 расположен таким образом, что охватывает нижнюю часть измерительного сосуда 1 и верхнюю часть измерительного соленоида 4. Индукционная катушка 6 расположена непосредственно над фиксирующим соленоидом 5. Соленоиды 4 и 5 и катушка 6 подключены к аналоговому управляющему блоку (АУБ) 7, состоящему из управляемых генераторов токов соленоидов 4 и 5 и усилителя сигнала катушки 6 (эти элементы на чертеже не выделены). Блок 7 соединен с блоком 8 аналого-цифрового преобразования (БАЦП), состоящим из регистра последовательных приближений, цифроаналогового преобразователя и формирователей сигналов (эти элементы на чертеже не выделены). Блок 8 соединен с цифровым управляющим и вычислительным блоком (ЦУВБ) 9.

Устройство для измерения плотности жидкости работает следующим образом. Программа измерений задается блоком 9. В исходном состоянии поплавок 2, размещенный в измерительном сосуде 1, заполненном исследуемой жидкостью, находится в верхнем ("всплытом") положении, обозначенным пунктиром. В этом положении постоянный магнит 3 поплавка 2 находится в области неоднородного магнитного поля фиксирующего соленоида 5 и практически вне действия магнитного поля измерительного соленоида 4. При этом фиксирующий соленоид 5 выключен (обесточен), а в измерительном соленоиде 4 блоком 7 задают начальный электрический ток, величина которого определяется блоком 8. В соответствии с программой, задаваемой блоком 9 с помощью генератора тока, входящего в блок 7, подают заданный (определенный) ток в фиксирующий соленоид 5 (включают соленоид 5). Вследствие этого поплавок 2 опускается на дно измерительного сосуда 1, т.е. оказывается расположенным в нижнем ("погруженном") положении. При этом постоянный магнит 3 поплавка 2 оказывается в области действия однородного магнитного поля фиксирующего соленоида 5 и неоднородного магнитного поля измерительного соленоида 4. После этого фиксирующий соленоид 5 отключают. Если при этом сила взаимодействия магнитных полей постоянного магнита 3 поплавка 2 и измерительного соленоида 4 совместно с силой тяжести больше выталкивающей силы, поплавок 2 притянут к дну измерительного сосуда 1 нижнее положение. При обратном соотношении этих сил поплавок 2 всплывает верхнее положение. Для того, чтобы определить, в каком из этих двух положений находится поплавок 2, снова включают фиксирующий соленоид 5. При этом, если поплавок 2 находился в верхнем положении, при его движении вниз под действием включенного фиксирующего соленоида 5 в индукционной катушке 6 движущимся магнитом 3 наводится ЭДС. Этот сигнал усиливается в блоке 7 и подается в блок 8. Если поплавок 2 был в нижнем положении, этого сигнала не будет.

Таким образом, наличие этого сигнала определяет факт всплытия или невсплытия поплавка.

Измерение плотности исследуемой жидкости производится методом последовательных приближений.

Если поплавок 2 после первого цикла измерений не всплыл, ток в измерительном соленоиде 4 уменьшают на 50% от имеющейся величины и вновь проверяют положение поплавка 2 (как описано выше), а в случае если поплавок 2 всплыл, ток в измерительном соленоиде 4 увеличивают на 50% и проверяют положение поплавка 2.

Количество циклов измерений определяется разрядностью элементов, входящих в блок 8, а также требуемой точностью.

По окончании последнего цикла результат измерений считывается из блока 8 в блок 9, где преобразуется в цифровое значение плотности исследуемой жидкости.

Для более точного и стабильного позицирования поплавка 2 относительно измерительного соленоида 4 внутренняя часть дна измерительного сосуда 1 может обладать вогнутой поверхностью, например, иметь конусообразную форму. Это можно осуществить, либо придавая дну сосуда 1 специальную форму, либо с помощью специальной вставки, закрепленной на внутренней части дна сосуда 1.

Использование: в измерительной технике для прецизионных измерений плотности жидких сред, например нефти и нефтепродуктов. Сущность изобретения: устройство содержит измерительный сосуд, размещенный внутри сосуда поплавок с установленным в нем постоянным магнитом, измерительный соленоид, расположенный снаружи измерительного сосуда, блок аналого-цифрового преобразования, аналоговый управляющий блок цифровой управляющий и вычислительный блок и датчик положения поплавка, содержащий индукционную катушку. Новым в устройстве является то, что оно содержит фиксирующий соленоид, расположенный так, что постоянный магнит поплавка при полном погружении поплавка расположен в области однородного магнитного поля этого соленоида, а при полном всплытии - в области неоднородного магнитного поля этого соленоида. Фиксирующий соленоид охватывает верхнюю часть измерительного соленоида и нижнюю часть измерительного сосуда, опирающегося на верхнюю торцевую поверхность измерительного соленоида. Индукционная катушка расположена непосредственно над фиксирующим соленоидом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения плотности жидкости, содержащее измерительный сосуд, размещенный внутри сосуда поплавок с установленным в нем постоянным магнитом, измерительный соленоид, расположенный снаружи измерительного сосуда, блок аналого-цифрового преобразования, аналоговый управляющий блок, цифровой управляющий и вычислительный блок и датчик положения поплавка, содержащий индукционную катушку, отличающееся тем, что оно содержит фиксирующий соленоид, расположенный так, что постоянный магнит поплавка при полном погружении поплавка расположен в области однородного магнитного поля этого соленоида, а при полном всплытии в области неоднородного магнитного поля этого соленоида, и охватывающий верхнюю часть измерительного соленоида и нижнюю часть измерительного сосуда, опирающегося на верхнюю торцовую поверхность измерительного соленоида, а индукционная катушка расположена непосредственно над фиксирующим соленоидом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя часть дна измерительного сосуда имеет вогнутую форму.