УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01N9/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различных суспензий и растворов гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора.

Известны устройства для измерения плотности суспензий и растворов [1], в основе которых используется принцип уравновешивания веса столба суспензии определенной высоты и давления воздуха, подаваемого в пьезотрубки из коллектора. Эти устройства содержат коллектор, пьезотрубки, пневматические сопротивления. При изменении плотности суспензии изменяется сопротивление пьезотрубок, вызывая уменьшение или увеличение расхода воздуха, протекаемого по пьезотрубкам. Разность давлений измеряется дифманометром, а автоматическая следящая система путем изменения сопротивления уменьшает или увеличивает расход воздуха до тех пор, пока разность давления в камерах дифманометра не станет равна нулю.

Недостатком подобных устройств является сравнительно узкий диапазон измерений из-за недостаточной помехоустойчивости к воздействию внешних факторов, например, внешнего давления.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является "Устройство для измерения плотности" [2].

Данное устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, соединенные каждая нижним концом со своей камерой, установленные каждый на своей пьезотрубке датчики для определения уровня контрольной жидкости в пьезотрубках, блок обработки информации и регистратор.

Целью настоящего изобретения является повышение точности за счет повышения помехоустойчивости, чувствительности и расширение диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения плотности, содержащем расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, соединенные каждая нижним концом со своей камерой, установленные каждый на своей пьезотрубке датчики для определения уровня контрольной жидкости в пьезотрубках, блок обработки информации и регистратор, пьезотрубки в верхней части герметично замкнуты друг на друга, герметичные камеры и нижняя часть пьезотрубок до середины датчиков уровня заполнены одной более тяжелой контрольной жидкостью, а верхняя часть пьезотрубок заполнена другой более легкой, несмешивающейся с первой, жидкостью, диэлектрические проницаемости первой и второй жидкостей более чем на порядок отличаются друг от друга, герметичные камеры устанавливаются на одной вертикальной оси друг под другом, каждая из пьезотрубок в области установки датчиков уровня разделена на две параллельно расположенные симметрично относительно вертикальной оси, во взаимно перпендикулярных пересекающихся по вертикальной оси симметрии плоскостях, части, датчики уровня выполнены емкостными, причем каждый с двумя рабочими электродами, расположенными вдоль каждой части пьезотрубки, и тремя охранными электродами, два из которых расположены параллельно рабочим электродам, а третий кольцевой электрод - ниже рабочих электродов в общей части своей пьезотрубки, емкостные датчики, принадлежащие одной пьезотрубке, соединяются параллельно друг другу, все охранные электроды гальванически соединены с общей точкой блока обработки информации, в котором производится вычитание сигнала, соответствующего уровню раздела контрольных жидкостей в одной пьезотрубке из сигнала, соответствующего уровню раздела контрольных жидкостей в другой пьезотрубке, суммирование сигналов, соответствующих уровням раздела контрольных жидкостей в обеих пьезотрубках, деления результата вычитания на результат суммирования.

Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что заявляемое устройство позволяет за счет герметичного замыкания пьезотрубок в их верхней части друг на друга повысить помехоустойчивость к изменениям давления контролируемой среды и расширить диапазон измерения при равной чувствительности более чем в два раза, заполнение герметичных камер и пьезотрубок снизу до середины датчиков уровня более тяжелой контрольной жидкостью, а верхней части пьезотрубок более легкой, несмешивающейся с первой, жидкостью, позволяет повысить чувствительность; отличие диэлектрических проницаемостей более чем на порядок позволяет получить повышенную чувствительность емкостного датчика уровня, установление герметичных камер на одной вертикальной оси друг под другом и разделение каждой пьезотрубки на две параллельно расположенные симметрично относительно вертикальной оси симметрии, части, а также соединение емкостных датчиков, принадлежащих одной пьезотрубке, параллельно друг другу исключают погрешность от невертикальной установки устройства в контролируемой среде, наличие трех охранных электродов, гальванически соединенных с общей точкой обработки информации, позволяют повысить помехоустойчивость от несанкционированной электрической связи емкостного преобразователя на землю через нижнюю контрольную жидкость и исследуемую жидкость; наличие в блоке обработки информации операции деления разности сигналов, соответствующих уровню раздела контрольных жидкостей в пьезотрубках, на сумму этих сигналов позволяет снизить более чем на порядок погрешности от влияния температуры на плотности и диэлектрические проницаемости контрольных жидкостей.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что пьезотрубки в верхней своей части замкнуты друг на друга, герметичные камеры и пьезотрубки в нижней части до середины заполнены более тяжелой контрольной жидкостью, а верхняя часть пьезотрубок заполнена более легкой, несмешивающейся с первой, жидкостью, при этом диэлектрические проницаемости первой и второй жидкостей более чем на порядок отличаются друг от друга, герметичные камеры установлены на одной вертикальной оси друг под другом, каждая пьезотрубка в области установки датчика уровня разделена на две параллельно расположенные симметрично относительно вертикальной оси во взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по вертикальной оси симметрии, части, датчики уровня выполнены емкостными, причем каждый с двумя рабочими электродами, расположенными вдоль пьезотрубки и тремя охранными электродами, два из которых расположены параллельно рабочим, а третий кольцевой расположен ниже рабочих электродов в общей части пьезотрубки, емкостные датчики, принадлежащие одной пьезотрубке, соединены параллельно, все охранные электроды гальванически соединены с общей точкой блока обработки информации, блок обработки информации осуществляет операцию деления разности сигналов, соответствующих уровню раздела контрольных жидкостей в пьезотрубках, на сумму этих сигналов.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение же заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство является промышленно применимым, так как может быть использовано в различных областях промышленности - сельском хозяйстве, здравоохранении, биологии, экологии и других областях, где необходимо измерять плотность суспензий и растворов.

Изобретение будет более понятно из приведенных рисунков.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство в общем виде.

На фиг. 2 - схема гидростатического преобразователя.

На фиг. 3 - конструктивная схема датчика уровня.

На фиг. 4 - схема подключения датчика к блоку обработки информации.

Заявляемое устройство измерения плотности содержит герметичные камеры 1 и 2 с эластичными мембранами 3 и 4, отделяющими камеры 1 и 2 от исследуемой суспензии 5, пьезотрубки 6 и 7, соединенные каждая нижним концом со своей камерой 1 и 2, два датчика 8 и 9, установленные на двух параллельных симметричных вертикальной оси частях 10, 11 пьезотрубки 6 для определения уровня раздела контрольных жидкостей в пьезотрубке 6, два датчика 12, 13, установленные на двух параллельных вертикальной оси частях 14, 15 пьезотрубки 7 для определения уровня раздела контрольных жидкостей в пьезотрубке 7, блок 16 обработки информации, регистратор 17. Пьезотрубки 6 и 7 в верхней части замкнуты друг на друга, герметичные камеры 1 и 2 и нижняя часть пьезотрубок 6 и 7 до середины датчиков 8, 9, 12, 13 уровня заполнены одной более тяжелой контрольной жидкостью 18, а верхняя часть пьезотрубок 6 и 7 заполнена от середины датчиков 8, 9, 12, 13 уровня до верхнего среза другой более легкой, несмешивающейся с первой, жидкостью 19; диэлектрическая проницаемость ε₁ первой жидкости 18 более чем на порядок отличается от диэлектрической проницаемости ε₂ второй контрольной жидкости 19; датчики 8, 9, 12, 13 уровня выполнены емкостными, причем каждый с двумя рабочими электродами 20 и 21, 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27, расположенными на параллельных верхних частях 10, 11, 14, 15 пьезотрубок 6 и 7 вдоль их длины и тремя охранными электродами 28, 29, 30; 31, 32, 33; 34, 35, 36; 37, 38, 39; первые два электрода 28, 29; 31, 32; 34, 35; 37, 38; расположены параллельно рабочим электродам 20, 21; 22, 23; 24, 25; 26, 27, а третьи кольцевые электроды 30, 33, 36, 39 расположены в нижней части своей пьезотрубки 6 и 7 у нижнего среза параллельных частей 10, 11 и 14, 15, электроды 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 гальванически соединены с общей точкой блока обработки информации.

Для пояснения принципа действия и порядка работы заявляемого устройства необходимо решить соответствующие уравнения гидростатики относительно системы: исследуемая жидкость, герметичные камеры 1 и 2, пьезотрубки 6 и 7 с соответствующими столбами контрольных несмешивающихся жидкостей 18 и 19 (см. фиг. 2). Обозначим:
h - база измерений, м;
Δh - глубина погружения герметичной камеры 2;
h₁ - расстояние от средней линии герметичной камеры 2 до линии раздела несмешивающихся жидкостей 18 и 19 в пьезотрубке 6, м;
h'₁ - расстояние от линии раздела несмешивающихся жидкостей 18 и 19 в пьезотрубке 6 до верхнего конца пьезотрубки 6, м;
h₂ - расстояние от средней линии герметичной камеры 2 до линии раздела несмешивающихся жидкостей 18 и 19 в пьезотрубке 7, м;
h'₂ - расстояние от линии раздела несмешивающихся жидкостей 18 и 19 в пьезотрубке 7 до верхнего конца пьезотрубки 7, м;
P_в - внешнее давление, Па.

Уравнение гидростатического равновесия соответствующих столбов несмешивающихся сред по отношению к давлению на средней линии герметичной камеры 2 запишется в следующем виде:

Учитывая, что (h₁ - h₂) = x, a (h'₁ - h'₂) = -x, из (1) получим
ρ•h = X(ρ₁-ρ₂)+ρ₁•h; (2)

Если в качестве искомого принять ρ_x , то получим из (2)

Полученные зависимости (2), (3) и (4) позволяют выявить преимущества заявленного устройства. Из (3) следует, что X может принимать как положительные значения при ρ_x > ρ₁, так и отрицательные при ρ_x < ρ₁, при ρ_x = ρ₁ X = 0 - уровни жидкостей в пьезотрубках совпадают с "O" (см. фиг. 2) , а пределы измерения изменяются от

до

Диапазон измерения плотностей составляет:

что, как минимум в два раза, превышает диапазон измерения у прототипа при условии равной с ним чувствительности. Кроме того, из (3) следует, что показания X устройства измерения плотности не зависят ни от внешнего давления P_в, ни от глубины погружения Δh герметичных камер 1, 2 в исследуемую суспензию 5.

Чувствительность устройства будет:

Из (6) видно, что К зависит только от базы h и разности плотностей контрольных жидкостей 18 и 19 и не зависит ни от внешнего давления, ни от глубины погружения камер 1, 2. Габариты заявляемого устройства при условии равных чувствительностей и равных диапазонов, по сравнению с прототипом, могут быть уменьшены. База h в раз, а длина пьезотрубок уменьшена более чем в четыре раза. Пределы и диапазон измерения плотности исследуемой суспензии, а также чувствительность устройства можно менять подбором плотностей несмешивающихся контрольных жидкостей и базы измерений h. Чувствительность устройства также возрастает с увеличением разности диэлектрических проницаемостей ε₁ контрольной жидкости 18 и ε₂ жидкости 19.

При плотности исследуемой суспензии 5 больше ρ₁ уровень жидкости 18 с диэлектрической проницаемостью ε₁ в пьезотрубке 6 возрастает, а в пьезотрубке 7 - убывает. При этом емкость между электродами 20 и 21, 26 и 27 пьезотрубки 6 возрастает, а между электродами 24 и 25, 26 и 27 пьезотрубки 7 - убывает. Блок обработки информации вырабатывает сигнал, пропорциональный разности между взаимной емкостью параллельно соединенных электродов 24, 26 и 25, 27 и взаимной емкостью параллельно соединенных электродов 20, 22 и 21, 23, а также сумме тех же емкостей, производит деление разности емкостей на сумму емкостей. Результат преобразований пропорционален приращению искомой плотности Δρ_x, позволяющей получить значение плотности ρ_x = ρ₁+Δρ_x исследуемой суспензии 5. Охранные электроды 28, 29, 31, 32, 34, 35, 37, 38 уменьшают краевые эффекты емкостей, а охранные 30, 33, 36, 39 позволяют повысить помехоустойчивость от несанкционированной электрической связи емкостного преобразователя на землю через нижнюю контрольную жидкость 18 и исследуемую суспензию 5.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения за счет увеличения чувствительности и помехоустойчивости к воздействиям внешнего давления, невертикальности установки плотномера, температурного влияния и электрических помех, расширить диапазон измерения, уменьшить габариты устройства.

Источники, принятые во внимание
1. В. Н. Бегунов, Ю.П.Жуков и др. Автоматические приборы для измерения концентраций суспензий. М.: Машиностроение, 1979 г., с. 28.

2. Патент РФ N 20-69344 М.кл. 5 G 01 N 9/26 БИ N 32, 1996 г. по заявке N 9401739/25 БИ N 11, 1996 г.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различного рода суспензий и растворов гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора. Технический результат - повышение точности измерения плотности за счет повышения помехоустойчивости, чувствительности и расширение диапазона измерения. Устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны. Две пьезотрубки соединены каждая нижним концом со своей камерой. На каждой пьезотрубке установлены датчики для определения уровня контрольной жидкости. Пьезотрубки в верхней части герметично замкнуты друг на друга, каждая пьезотрубка в области установки датчиков уровня разделена на две параллельно расположенные симметрично вертикальной оси во взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по вертикальной оси симметрии, части. На каждой из параллельных частей каждой пьезотрубки установлен датчик уровня. Герметичные камеры установлены друг под другом на одной вертикальной оси. Камеры и нижняя часть пьезотрубок до середины датчиков уровня заполнены одной более тяжелой контрольной жидкостью, а верхняя часть пьезотрубок выше середины датчиков уровня заполнена другой более легкой несмешивающейся с первой жидкостью. При этом диэлектрические проницаемости первой и второй жидкостей более чем на порядок отличаются друг от друга. Блок обработки информации выполняет операцию вычитания сигналов, соответствующих уровням раздела контрольных жидкостей в первой и второй пьезотрубках, суммирование этих сигналов и деление полученной разности на сумму этих сигналов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения плотности, содержащее расположенные на разных уровнях в контролируемой среде две герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, две пьезотрубки, соединенные каждая нижним концом со своей камерой, датчики для определения уровня контрольных жидкостей в пьезотрубках, установленные каждый на своей пьезотрубке, блок обработки информации и регистратор, отличающееся тем, что пьезотрубки в верхней части герметично замкнуты друг на друга, каждая пьезотрубка в области установки датчиков уровня разделена на две параллельные расположенные симметрично относительно вертикальной оси во взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся по вертикальной оси симметрии, части, на каждой из параллельных частей каждой пьезотрубки установлен датчик уровня, герметичные камеры установлены друг под другом на одной вертикальной оси, герметичные камеры и нижняя часть пьезотрубок до середины датчиков уровня заполнены одной более тяжелой контрольной жидкостью, а верхняя часть пьезотрубок выше середины датчиков уровня заполнены другой более легкой несмешивающейся с первой жидкостью, при этом диэлектоические проницаемости первой и второй жидкостей более чем на порядок отличаются друг от друга, блок обработки информации выполняет дополнительно операцию суммирования сигналов, соответствующих уровням раздела контрольных жидкостей в разных пьезотрубках и деления разности сигналов, соответствующих уровням раздела жидкостей в разных пьезотрубках, на сумму этих сигналов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики уровня выполнены емкостными, причем каждый с двумя рабочими электродами, расположенными вдоль пьезотрубки, и тремя охранными электродами, два из которых расположены параллельно рабочим электродам, а третий кольцевой электрод расположен ниже рабочих электродов в общей части пьезотрубки, емкостные датчики, принадлежащие одной пьезотоубке, соединены параллельно, а все охранные электроды гальванически соединены с общей точкой блока обработки информации.