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

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к плотномерам, принцип действия которых основан на использовании архимедовой силы, воздействующей на погруженный в жидкость поплавок, и может быть использовано для измерения плотности жидкости, например, нефти и нефтепродуктов непосредственно в резервуарах хранения.

Известно устройство для измерения плотности жидкости, содержащее два поплавка разных объемов, связанных с двуплечим рычагом, опирающимся на опору вращения и проходящим через оси обоих поплавков, датчик положения, установленный на одном из плеч рычага, силовой преобразователь, включающий электронный блок и датчик силы, и поворотное приспособление, обеспечивающее поворот устройства вокруг оси рычага на 180^o [1] При погружении устройства в жидкость предварительно сбалансированная система за счет неодинаковых выталкивающих сил, приложенных к поплавкам разных объемов, оказывается разбалансированной и вызывает поворот рычага вокруг оси, улавливаемый датчиком положения и преобразуемый в определенный электрический сигнал, характеризующий плотность жидкости.

Недостатком данного устройства является сравнительно невысокая точность измерения плотности, обусловленная необходимость точного позиционирования чувствительного элемента в процессе измерения и, как следствие, неопределенностью сил трения в опоре вращения коромысла, влияющей на результаты измерений.

Известно устройство для измерения удельного веса жидкостей, содержащее поплавок в виде полого тела из диэлектрического материала, в верхней части которого установлен металлический проводящий диск, а на дне постоянный магнит, корпус с жидкостью, в которую погружают поплавок, преобразователь положения поплавка, выполненный на основе датчика вихревых токов и установленный над корпусом с жидкостью, обмотку электромагнита, установленную на внешней штанге нижней части корпуса с жидкостью [2]
Поплавок занимает в жидкости фиксированное положение благодаря обратной связи, создаваемой преобразователем, за счет поля электромагнита, величина тока в катушке которого пропорциональна плотности жидкости.

Недостатком этого устройства является неустойчивое взвешенное положение чувствительного элемента в процессе измерения, что вносит определенные погрешности в результат измерения. Кроме того, для обеспечения заданной прочности поплавка при измерениях в условиях изменяющихся рабочих давлений жидкости необходимо увеличение его габаритов что не всегда приемлемо.

Прототипом изобретения выбрано устройство для измерения плотности жидкости, содержащее поплавок и постоянный магнит (причем магнит размещен внутри поплавка), помещенные в полость с исследуемой жидкостью, корпус и электрическую часть устройства, содержащую катушку электромагнита с задатчиком изменяемого постоянного тока через нее, датчик изменения положения поплавка и измеритель тока через катушку [3]
Недостатком этого устройства также является отсутствие устойчивого положения поплавка, что приводит к неоднозначности результатов измерения, т.е. к пониженной точности устройства. Отсутствие устойчивого положения может привести также к заклиниванию поплавка в узком канале, что снижает его надежность. Как и у предыдущего аналога, возникают определенные проблемы при обеспечении прочности поплавка в заданных габаритах устройства.

Изобретение направлено на создание устройства, пригодного к использованию в условиях изменяющихся рабочих давлений измеряемой жидкости (что позволило бы использовать его непосредственно в резервуарах для хранения жидкостей), обладающего высокой точностью измерения и надежностью в эксплуатации.

Для решения поставленной задачи в устройстве для измерения плотности жидкости, содержащем поплавок и постоянный магнит, помещенные в исследуемую жидкость, корпус и электрическую часть устройства, содержащую катушку электромагнита с задатчиком изменяемого постоянного тока через нее, измеритель тока через катушку и датчик изменения положения поплавка, согласно изобретению поплавок и постоянный магнит закреплены на противоположных концах дополнительно введенного коромысла, установленного с возможностью, вращения в опорах корпуса, размещенного над коромыслом; катушка электромагнита размещена непосредственно над траекторией перемещения постоянного магнита, а коромысло сбалансировано на устойчивое состояние, характеризуемое всплытым состоянием поплавка до упора о корпус во всем диапазоне измеряемых плотностей жидкостей.

Технический результат устройства заключается в создании условий для перехода коромысла из одного четко обозначенного состояния, характеризуемого, например, упором магнита о корпус, в другое четко обозначенное состояние, характеризуемое, например, упором поплавка о корпус. При этом благодаря балансировке коромысла наиболее предпочтительным является сравнительно резкий переход коромысла в устойчивое состояние (при всплытом поплавке), который может быть вызван током отрыва постоянного магнита от заранее притянутого состояния, являющимся информативным параметром. В то же время благодаря тому, что у поплавка имеется своеобразный противовес в виде постоянного магнита и части самого коромысла, он может быть сравнительно тяжелым, т.е. иметь большую механическую прочность в меньших габаритах.

Кроме того, для обеспечения более резкого перехода коромысла в устойчивое состояние центр тяжести плеча коромысла с постоянным магнитом смещен относительно линии, соединяющей ось коромысла и центр тяжести плеча коромыслам с поплавком по направлению к катушке электромагнита.

Датчик изменения положения чувствительного элемента допускает разнообразные варианты исполнения.

Наиболее оптимальным будет датчик касания поплавком корпуса, например, датчик электромагнитного поля, изменяемого деталью или материалом поплавка при приближении поплавка к корпусу. Это может быть замыкание разомкнутого ранее электромагнитного поля магнитопроводящей деталью или магнитопроводящим материалом поплавка, или, наоборот вытеснение части электромагнитного поля немагнитным материалом (или деталью) поплавка.

Кроме того, для устранения влияния остаточной намагниченности коромысло и корпус в зоне размещения коромысла выполнены из немагнитного материала.

На фиг. 1 приведено устройство при устойчивом состоянии коромысла; на фиг. 2 устройство в состоянии, характеризующем начало работы устройства.

Устройство содержит поплавок 1 и постоянный магнит 2, закрепленные на противоположных концах коромысла 3. Коромысло 3 установлено с возможностью вращения в опорах 4 корпуса 5. Коромысло 3 и корпус 5 выполнены из немагнитного материала, например коромысло 3 из нержавеющей немагнитной стали, а корпус 5 из капролона. В корпусе 5 над постоянным магнитом 2 размещена катушка 6 электромагнита, а над поплавком 1 установлен датчик касания поплавком 1 корпуса 5. Датчик касания поплавком корпуса включает в себя Ш-образный сердечник 7 из ферромагнетика, катушку 8 индуктивности и соответствующую электрическую схему (не показана) измерения индуктивности магнитного контура Ш-образного сердечника 7, замыкаемого магнитопроводящим материалом поплавка. Остальные узлы электрической части устройства, включающие задатчик 9 изменяемого постоянного тока через катушку 6 и измеритель 10 тока, вынесены за пределы корпуса 5 и соединены с корпусными узлами устройства через кабельные (или проводные) линии связи. В конкретном варианте выполнения вынесенные узлы электрической части устройства выполнены с использованием элементов цифровой импульсной техники и включает также блок управления (не показан).

При работе корпус 5 с коромыслом 3 опускается непосредственно в резервуар с измеряемой жидкостью таким образом, чтобы коромысло 3, поплавок 1 и постоянный магнит 2, а также часть корпуса 5 (или весь корпус 5) находились в измеряемой жидкости. Балансировка коромысла 3 в сборе обеспечивает всплытое состояние поплавка 1, ограниченное лишь упором о корпус 5 во всем диапазоне плотностей измеряемых жидкостей.

В начале процесса измерения на катушку 6 подается ток, заведомо большой величины, создающий магнитное поле притяжения, преодолевающее действующую на постоянный магнит 2 силу тяжести и силу выталкивания поплавка 1 из жидкости. Магнит 2 притягивается к катушке 6, а поплавок 1 погружается в жидкость. Задатчик 9 осуществляет дискретное равномерное уменьшение тока через катушку 6. При достижении тока отрыва постоянный магнит 2 отходит от корпуса 2. Поскольку коромысло 3 находится в состоянии неустойчивого равновесия, процесс переброса коромысла 3 в устойчивое состояние происходит практически мгновенно. Этому способствует и смещение центров тяжести плеч коромысла 3 относительно друг друга. При соприкосновении поплавка 1 с корпусом 5 датчик выдает сигнал на измеритель 10, который регистрирует ток отрыва, зависящий от силы выталкивания, действующей на поплавок 1, причем эта зависимость носит строго линейный характер.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство содержит поплавок и постоянный магнит, закрепленные на противоположных концах коромысла, установленного с возможностью вращения в опорах корпуса, размещенного над коромыслом, катушку электромагнита, размещенную над траекторией перемещения постоянного магнита, датчик изменения положения поплавка, задатчик изменяемого постоянного тока через катушку электромагнита и измеритель тока. Информативным параметром является ток отрыва постоянного магнита от катушки электромагнита при постепенном уменьшении тока через нее, что вызывает резкий переход коромысла в устойчивое состояние, характеризуемое упором поплавка о корпус, заданное исходной балансировкой коромысла в сборе. Преимущества: высокая точность измерения, надежность эксплуатации в условиях меняющихся рабочих давлений жидкости. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения плотности жидкости, содержащее поплавок и постоянный магнит, помещенные в исследуемую жидкость, корпус и электрическую часть устройства, включающую катушку электромагнита, датчик изменения положения чувствительного элемента, а также задатчик изменяемого постоянного тока через катушку электромагнита и измеритель тока, отличающееся тем, что поплавок и постоянный магнит закреплены на противоположных концах дополнительно введенного коромысла, установленного с возможностью вращения в опорах корпуса, размещенного над коромыслом, сбалансированным на устойчивое состояние, характеризуемое всплытым состоянием поплавка до упора в корпус во всем диапазоне измеряемых плотностей, при этом катушка электромагнита размещена непосредственно над траекторией перемещения постоянного магнита. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр тяжести плеча коромысла с постоянным магнитом смещен относительно линии, соединяющей ось коромысла и центр тяжести плеча коромысла с поплавком по направлению к катушке электромагнита. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что датчик изменения положения чувствительного элемента выполнен в виде датчика касания поплавком корпуса. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что датчик касания поплавком корпуса выполнен в виде датчика электромагнитного поля, изменяемого деталью или материалом поплавка. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что коромысло и корпус выполнены из немагнитного материала.