УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК G01N9/18 

Изобретение относится к технике измерения физических величин и может быть использовано для измерения плотности жидких сред, находящихся в открытых и закрытых резервуарах, трубопроводах и аппаратах, работающих под давлением.

Известно устройство для измерения плотности жидких сред [1] содержащее проточный корпус, измерительный поплавок в виде дифференциальной катушки индуктивности с сердечником.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения, обусловленная наличием трения в системе блочных тросов, динамического напора анализируемой жидкости на поплавок, а также наличием в жидкости растворенного воздуха или газа, что характерно для промышленных растворов, транспортируемых по трубопроводам с помощью центробежных насосов.

Кроме этого у известного устройства сравнительно низкая общая работоспособность. Действительно, чтобы уравновесить на блоке дифкатушку и сердечник, а он в 20-30 раз легче катушки (как сказано в описании), выталкивающая сила поплавка должна быть равна примерно весу катушки и направлена вверх. А так как поплавок, находясь в жидкости, ничем не центрируется, то при колебании или движении жидкости он безусловно потеряет равновесие (вертикальное положение) и в системе измерения наступит отказ.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения плотности жидких сред [2] содержащее проточный корпус с крышкой, поплавок с сердечником, находящимся в поле дифференциальной катушки индуктивности, систему перемещения поплавка с блоком и тросом и измерительный прибор, которое является прототипом заявляемого устройства.

По сравнению с предыдущим аналогом данное устройство отличается повышенной устойчивостью, так как остаточный вес поплавка (вес погруженного поплавка в жидкость) равен весу дифкатушки, т.е. вес катушки и поплавка направлен вниз, суммируясь, создают достаточную устойчивость системе измерения. Однако при этом сила трения в системе блочных тросов увеличивается, что приводит к дополнительной погрешности измерения.

К другим недостаткам известного устройства, отрицательно сказывающимся на измерении, относится влияние динамического напора на поплавок, а также насыщенность измеряемой среды воздухом или газом. Кроме этого, вышеуказанные устройства отличаются сравнительной громоздкостью, обусловленной значительной величиной объема поплавка, необходимой в данном случае для увеличения выталкивающей силы с целью частичной компенсации сил трения в системе блочных тросов.

Основной задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения, уменьшение габаритов устройства и расширение области использования.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении влияния динамического напора на поплавок и ускорении дегазации анализируемой среды.

Устройство для измерения плотности жидких сред, содержащее проточный корпус с крышкой, поплавок с сердечником, находящимся в поле дифференциальной катушки индуктивности, и измерительный прибор, снабжено двумя упругими пластинами и измерительным сосудом, жестко соединенным с крышкой корпуса и имеющим в нижней части дросселирующее отверстие и ограничительный упор, при этом верхний край сосуда расположен ниже линии перелива жидкости в проточном корпусе, а поплавок вместе с сердечником помещен в измерительный сосуд и посредством упругих пластин, закрепленных в верхней и нижней части поплавка, жестко с ним соединен. При этом дросселирующее отверстие расположено на боковой, противоположной от входного патрубка, стенке измерительного сосуда. Ограничительный упор выполнен с возможностью вертикального перемещения.

На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство для измерения плотности жидких сред.

Устройство содержит проточный корпус 1 с крышкой 2 и сливным карманом 3. Крышка с помощью прокладки и болтовых соединений герметически закрывает проточный корпус.

По центру крышки жестко закреплена проходящая пустотелая штанга 4, в нижней части которой (обойме) помещается дифференциальная катушка индуктивности 5, выходные концы которой направляются по штанге и подсоединяются к измерительному прибору (на чертеже не показано). К внутренней стороне крышки, соосно со штангой посредством кронштейнов 6, жестко присоединен измерительный сосуд 7 с дросселирующим отверстием 8 и ограничительным упором 9.

Внутри измерительного сосуда расположен поплавок 10 с жестко закрепленным в верхней части сердечником 11 (выполненным в форме кольца). Поплавок вместе с сердечником с помощью упругих пластин 12, закрепленных в верхней и нижней части поплавка, центрируется в вертикальной плоскости относительно стенок сосуда, свободные концы упругих пластин жестко соединяются с измерительным судом. Центровка сердечника относительно обоймы дифкатушки в горизонтальной плоскости, а также относительно так называемой "магнитной нетрали" в вертикальной плоскости производится с помощью регулировки расположения кронштейнов 6 измерительного сосуда на крышке корпуса.

Для разгрузки упругих пластин вес поплавка вместе с сердечником должен быть равен весу вытесненной жидкости при средней плотности (относительно диапазона измерения) и вычисляется по формуле
P_об=V_п.с•ρ_ср (1),
где P_об- общий вес поплавка и сердечника, кг;
V_п.с-объем поплавка и сердечника, м₃;
ρ_ср удельный вес жидкости при средней плотности, кг/м³.

Поплавок изготовлен пустотелым и для регулировки веса внутрь поплавка добавляется дробь, поэтому при центровке сердечника относительно обоймы дифкатушки упругие пластины, соединяющие поплавок с измерительным сосудом, должны находиться в свободном (разгруженном) состоянии. Это осуществляется путем подъема поплавка с помощью ограничительного упора. После окончания центровки упор вновь отводят вниз на 2-3 мм, обеспечивая тем самым перемещение поплавка при измерении плотности.

Кроме этого ограничительный упор предохраняет упругие пластины от перегрузки, возникающей от веса поплавка в момент слива жидкости из проточного корпуса или подъема крышки 2 при профилактических осмотрах. Сливной карман 3 должен быть расположен таким образом, чтобы уровень жидкости в проточном корпусе был выше на 8-10 мм верхнего края измерительного сосуда.

Дросселирующее отверстие у измерительного сосуда должно быть расположено на противоположной стороне относительно входного патрубка, что благоприятно оказывается как на процесс дегазации жидкости, так и на уменьшении влияния динамического напора на поплавок и упругие пластины, а также на противозасорение дросселирующего отверстия.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемая жидкость, проходя через входной патрубок, наполняет проточной корпус и, переливаясь через сливной карман, уходит в выходной патрубок.

В зависимости от значения плотности протекающей жидкости поплавок погружается или всплывает (рабочий ход поплавка не превышает ±2 мм), что вызывает соответствующее перемещение сердечника относительно дифференциальной катушки индуктивности.

В результате в обмотках катушки наводится ЭДС, пропорциональная величине перемещения сердечника. Полученное напряжение поступает в измерительный прибор, где преобразовывается в информационный или управляющий сигнал для систем автоматического регулирования.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Площадь поперечного сечения измерительного сосуда 7 значительно превосходит сечение дросселирующего отверстия 8, так при диаметре сосуда 120 мм и диаметре дросселя 8 мм это отношение приблизительно равно 200, следовательно, динамический напор жидкости на поплавок и упругие пластины 12, находящиеся в сосуде, будет также ослаблен в 200 раз, т.е. практически он будет равен 0.

Обмен контролируемой жидкости в измерительном сосуде происходит за счет перепада давлений жидкости на дросселе, обусловленного различием удельных весов жидкостей в сосуде и вне его, т.е. в проточном корпусе.

Это подтверждается известной формулой.

ΔP= Hρ₁-Hρ₂ (2),
где ΔP перепад давления жидкости на дросселе, г/см²;
H глубина погружения дросселя, см;
ρ₁ уд.вес жидкости в измерительно сосуде, г/см³;
ρ₂ уд.вес жидкости вне сосуда, т.е. в корпусе, г/см³.

Из уравнения видно, что перепад давлений на дросселе может быть как положительным, так и отрицательным, а следовательно, и проток жидкости через дроссель будет менять свое направление, т.е. анализируемая жидкость будет поступать в сосуд или наоборот вытекать из него через дроссель. Это происходит при переходных режимах. В установившемся же режиме удельный вес жидкости в измерительном сосуде и вне его выравнивается, и приток через дроссель полностью прекращается, и измерение плотности производится в режиме полного покоя контролируемой среды в измерительном сосуде, что безусловно обеспечивает повышенную точность измерения.

Отсутствие динамического напора позволяет также уменьшить толщину упругих пластин, что ведет к повышению чувствительности, и как следствие, к возможному уменьшению объема поплавка, а вместе с этим и общих габаритов устройства.

Известно, что промышленные растворы, как правило, насыщены воздухом или газом (особенно щелочные растворы), поэтому проблема дегазации при измерении плотности приобретает особое значение.

Дегазация жидкости в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.

Если контролируемая среда, поступающая на вход устройства, насыщена воздухом или газом, то ее удельный вес естественно меньше, чем удельный вес отстоявшейся жидкости в измерительном сосуде, тогда, в соответствии с приведенной формулой (2) на дросселе возникает положительный перепад, и жидкость из сосуда будет поступать через дроссель в проточный корпус.

По мере ухода жидкости из измерительного сосуда, он будет заполняться сверху жидкостью из проточного корпуса, насыщенного воздухом или газом, т.к. верхний край измерительного сосуда расположен ниже уровня жидкости в проточном корпусе. А т. к. движение жидкости в измерительном сосуде сверху вниз сравнительно медленное (ограничено сечением дросселя), то растворенный воздух в жидкости успевает еще в верхней части сосуда сконденсироваться в более крупные пузырьки, которые всплывают на поверхность и уносятся сверху потоком на выход. Так происходит дегазация раствора в предлагаемом устройстве. Преимущество указанной дегазации заключается еще в том, что раствор, отстаивающийся в измерительном сосуде, не охлаждается со временем (как это происходит в обычных отстойниках), т.к. сосуд находится в проточном корпусе, через который беспрерывно осуществляется проток анализируемой среды заданной температуры, а это сохраняет физические свойства анализируемой среды, что также положительно оказывается на точности измерения.

Все элементы предлагаемого устройства, соприкасающиеся с анализируемой средой, выполнены из антикоррозионной стали или покрыты защитной пленкой, например, пентопластом. Это позволяет использовать устройство практически в любых химически активных средах. Предлагаемое устройство также снабжено системой температурной компенсации с использованием серийного термодатчика (на чертеже не показан), а измерительный прибор снабжен системой информации и выходным сигналом для связи с системами автоматического регулирования.

На основании вышесказанного можно утверждать, что предлагаемое устройство имеет достаточно высокую точность измерения, сравнительно малые габариты и расширенный диапазон измерения, т.к. может быть использовано для измерения плотности жидких сред открытых и находящихся под давлением в различных отраслях народного хозяйства (химической, текстильной, пищевой и т.д. ).

Использование: для измерения плотности жидких сред. Сущность изобретения: устройство содержит проточный корпус с крышкой, поплавок с сердечником, находящимся в поле дифференциальной катушки индуктивности, измерительный прибор, измерительный сосуд, жестко соединенный с крышкой корпуса и две упругие пластины. Измерительный сосуд имеет в нижней части дросселирующее отверстие и ограничительный упор. Верхний край сосуда расположен ниже линии перелива жидкости в проточном корпусе. Поплавок вместе с сердечником помещен в измерительный сосуд и посредством упругих пластин, закрепленных в верхней и нижней части поплавка, жестко с ним соединен. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения плотности жидких сред, содержащее проточный корпус с крышкой, поплавок с сердечником, находящимся в поле дифференциальной катушки индуктивности, и измерительный прибор, отличающееся тем, что оно снабжено двумя упругими пластинами и измерительным сосудом, жестко соединенным с крышкой корпуса и имеющим в нижней части дросселирующее отверстие и ограничительный упор, при этом верхний край сосуда расположен ниже линии перелива жидкости в проточном корпусе, а поплавок вместе с сердечником помещен в измерительный сосуд и посредством упругих пластин, закрепленных в верхней и нижней частях поплавка, жестко с ним соединен. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дросселирующее отверстие расположено на боковой, противоположной от входного патрубка, стенке измерительного сосуда. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничительный упор выполнен с возможностью вертикального перемещения.