СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ (ИЗМЕРЕНИЯ) ПЛОТНОСТИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ И ПЛОТНОМЕР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2006 года по МПК G01N9/12 

Изобретения относятся к способам и устройствам измерения плотности и могут быть использованы для прецизионных измерений плотности жидких сред, например, нефти и нефтепродуктов.

Известен магнитно-поплавковый метод измерения плотности жидких сред [1] с различными его модификациями: пружинный, электромагнитный, флотационный и др. При таком методе измеряемая плотность жидкости является функцией или перемещения поплавка под действием пружины, или тока соленоида (электромагнита), или скорости перемещения поплавка и т.п.

Существенным недостатком такого метода является влияние вязкости и температуры на результат измерения искомой плотности.

Известны и устройства [2-4] в том или ином конструктивном исполнении для измерения плотности жидких сред, реализующие метод [1]. Так, например, электромагнитные плотномеры содержат измерительный сосуд с измеряемой жидкой средой, размещенный внутри сосуда поплавок с постоянным магнитом (поплавок так называемого полного погружения) и один датчик положения поплавка в том или ином конструктивном исполнении. Постоянный магнит находится в магнитном поле соленоида, размещенного на корпусе плотномера. О плотности судят по току в соленоиде, включенном тем или иным образом в схему измерения. Общим недостатком плотномеров [2-4] является не решенная до конца проблема «нулевой отметки», а именно наличие погрешности измерения за счет смещения поплавка относительно нулевой точки отсчета. Можно отметить, что известные плотномеры, судя по описаниям, не лишены схемных и конструктивных сложностей, к тому же в известных плотномерах изменения вязкости измеряемой среды создают дополнительную погрешность измерения плотности. Измерение плотности высоковязких жидких сред обеспечивается, например, известным плотномером [5] для измерения плотности таковых с повышенной вязкостью, где испытуемую жидкость помещают в специальную полость внутри поплавка с магнитом, а сосуд заполняют контрольной жидкостью с известной плотностью, и далее измерения плотности выполняют тем же магнитно-поплавковым методом.

Недостатком такого устройства является его сугубо лабораторное исполнение и сложность адаптации его для систем контроля технологических процессов без существенной конструкторской доработки.

Известны также поплавково-весовые плотномеры, работа которых основана на принципе компенсации выталкивающей силы, действующей на погруженный поплавок, электромагнитным тяговым усилием соленоида, которое приложено к подвешенному в его магнитном поле сердечнику [6]. Мерой измерения плотности является ток соленоида. Одним из недостатков таких плотномеров является наличие в них постоянных магнитов, которые со временем теряют свои магнитные свойства, что в свою очередь влияет на точность измерения плотности.

Наиболее близкими техническими решениями (прототипами) к заявляемому способу и устройству являются способ и реализующее его устройство-плотномер [7], обладающее повышенным быстродействием и чувствительностью.

В известном плотномере 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.

Обмотка соленоида включена в одно плечо равновесного моста, диагональ которого подключена через измерительный прибор к выходу усилителя, а другая диагональ моста подсоединена к выходу регулируемого источника. Другие плечи моста образованы резисторами. Сопротивление одного из резисторов подбирается равным сопротивлению обмотки соленоида. Управляемый источник тока подключен к диагонали моста через набор резисторов, переключаемый переключателем, при этом точно устанавливается, какой именно плотности жидкости соответствует действующая на поплавок выталкивающая сила, уравновешиваемая током в обмотке соленоида при каждом положении переключателя. При измерении плотности жидкости переключателем подключается резистор, сопротивление которого обеспечивает силу удержания соленоида, близкую к выталкивающей силе поплавка при данной плотности жидкости. Отклонение выталкивающей силы от силы удержания, обеспечиваемой источником питания, приводит к смещению поплавка и появлению на выходе датчика поплавка (усилителя) сигнала, который через прибор и резистор моста вызывает такое изменение тока в катушке соленоида, при котором сила удержания точно равна выталкивающей силе. По току соленоида (зная положение переключателя) можно судить о выталкивающей силе поплавка, а следовательно, и о плотности исследуемой жидкости.

Данный способ измерения плотности жидкости и устройство, его реализующее, позволяют расширить диапазон измеряемых плотностей и упростить процесс измерения. Тем не менее, и в данном способе измерения плотности и устройстве, его реализующем, есть недостатки, а именно - наличие в плотномере постоянных магнитов, сложность приведения мостовой схемы в равновесное состояние, а также необходимость вмешательства оператора для изменения (выбора) диапазона (путем соответствующего переключения регулятора при источнике электропитания).

Таким образом, требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемых объектов) заключается в обеспечении известным техническим решениям более высоких потребительских свойств путем введения автоматического режима измерения плотности исследуемой жидкости без использования постоянных магнитов при упрощении приведения мостовой схемы в равновесное состояние.

Требуемый технический результат в части способа определения (измерения) плотности жидкости, при котором согласно способу-прототипу поплавок полного погружения со встроенным в него магнитным материалом (телом) помещают в жидкую среду и в соосное (с поплавком) магнитное поле соленоида, обеспечивают его удержание в жидкой среде с заранее известной (штатной) плотностью во взвешенном неподвижном состоянии, а при вариациях плотности жидкой среды устраняют возникающее вертикальное смещение поплавка, создавая дополнительное магнитное поле, напряженность и направленность которого регулируют в автоматическом режиме, а о плотности жидкой среды судят по величине тока в соленоиде, создающем дополнительное магнитное поле, достигается тем, что поплавок удерживают в состоянии неподвижности при любом изменении плотности конкретной жидкой среды, для чего создают двухстороннее силовое взаимодействие между ферромагнитным материалом (телом) поплавка и, соответственно, удерживающими его в неподвижности магнитными полями двух соленоидных магнитных систем путем автоматического поддержания соответствующего баланса токов, создающих эти магнитные поля для обеспечения поплавку нулевой плавучести в жидкой среде переменной (изменчивой) плотности (ρ), о которой судят по формуле:

ρ=K(U_вых-U₀),

где К - коэффициент масштабирования (плотности);

U_вых и U₀ - напряжения, характеризующие разность токов (соленоидов) после их обработки (преобразования) в измерительном тракте плотномера, реализующего способ.

Требуемый технический результат в части устройства-плотномера, согласно прототипу содержащего корпус из немагнитного материала, поплавок со встроенным в него ферромагнитным материалом, основную для изначального позиционирования поплавка в жидкой среде и дополнительную для последующей установки этого поплавка в исходную позицию, соленоидные магнитные системы, источник электропитания, усилитель в измерительном тракте и резисторы в мостовой схеме соединений соленоидов одной из этих магнитных систем, достигается тем, что он содержит в измерительном тракте два дифференциальных усилителя, фазовый детектор и интегратор, каждая из соленоидных магнитных систем состоит из двух идентичных катушек, катушки размещены на двух соосных друг другу противоположных выступах корпуса, выступы выполнены с углублениями, ферромагнитный материал поплавка выполнен в виде двух дисков-концентраторов, размещенных на верхнем и нижнем торцах поплавка соответственно, каждый диск снабжен хвостовиком, соосным поплавку и размещенным в ответном ему углублении выступа корпуса с нормированным люфтом (зазором), две катушки первой из соленоидных магнитных систем, размещенные на разных выступах корпуса, соединены между собой и включены в цепь источника переменного тока, а две другие катушки второй соленоидной магнитной системы, размещенные на этих же выступах корпуса, соединены между собой и включены в цепь источника постоянного тока, при этом средние точки соединений, одна между двумя резисторами измерительного моста и другая между двумя катушками одной из соленоидных магнитных систем, соединены, соответственно, с одним из входов первого дифференциального усилителя, выход с которого подан на один из входов фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с источником переменного тока, выход фазового детектора соединен с входом интегратора, выход интегратора подан на вход усилителя, а выход усилителя соединен с одним из входов второго дифференциального усилителя, другой вход которого соединен со средней точкой между двумя катушками второй соленоидной магнитной системы, причем параллельно обоим входам второго дифференциального усилителя включен дополнительный токосъемный резистор, а оба выступа корпуса с катушками соленоидных магнитных систем закрыты колпаками из ферромагнитного материала.

На чертеже приведена схема плотномера для определения (измерения) плотности жидкой среды.

Плотномер состоит из (см. чертеж) корпуса 1 из немагнитного материала, поплавка 2 со встроенным в него ферромагнитным материалом (снизу и сверху), двух соленоидных магнитных систем, двух источников (позиции 3 и 4) электропитания, усилителя 5 в измерительном тракте, резисторов 6 и 7 в мостовой схеме соединения их с катушками 8 и 9 соленоидов первой из магнитных систем. Плотномер содержит также (в измерительном тракте) два дифференциальных усилителя 10 и 11, фазовый детектор 12 и интегратор 13. Каждая из соленоидных магнитных систем состоит из двух идентичных катушек соленоидов, которые размещены на двух соосных друг другу противоположных выступах 14 и 15 корпуса. Выступы 14 и 15 изнутри выполнены с углублениями 16 и 17. Ферромагнитный материал поплавка выполнен в виде двух дисков-концентраторов 18 и 19, размещенных на верхнем и нижнем торцах поплавка 2. Каждый диск-концентратор снабжен хвостовиком 20 и 21, соосным (по оси O'-O') поплавку 2 и размещенным в ответном ему углублении выступа корпуса с нормированным люфтом (зазором). Две катушки (8 и 9) соленоидов первой из соленоидных магнитных систем размещены на разных выступах корпуса, соединены между собой и включены в цепь источника переменного тока. Две другие катушки (22 и 23) соленоидов второй соленоидной магнитной системы размещены на этих же выступах корпуса, соединены между собой и включены в цепь источника 4 постоянного тока, при этом средние точки соединений, одна (точка А) между двумя резисторами мостовой схемы и другая (точка Б) между двумя катушками первой из соленоидных магнитных систем соединены каждая с одним из входов первого дифференциального усилителя 10. Выход этого усилителя подан на один из входов фазового детектора 12, второй вход фазового детектора соединен с источником 3 переменного тока, выход этого детектора соединен с входом интегратора 13, выход интегратора 13 подан на вход усилителя 5, а выход усилителя соединен с одним из входов второго дифференциального усилителя 11, другой вход которого сообщен со средней точкой (В) соединения двух катушек (22 и 23) второй соленоидной магнитной системы, причем параллельно обоим входам второго дифференциального усилителя 11 включен дополнительный токосъемный резистор 24, а оба выступа корпуса с катушками соленоидов закрыты колпаками 25 и 26 из ферромагнитного материала.

Плотномер реализует заявляемый способ следующим образом.

В момент подачи на схему напряжения с источников электропитания поплавок 2 находится в жидкой среде в некотором произвольном положении (например, в крайнем нижнем положении). Источник 4 постоянного напряжения создает на катушках 22 и 23 соленоидов равные напряжения и соответственно равные токи, при этом к поплавку (через ферромагнитные концентраторы) прилагаются некоторые втягивающие усилия.

Для определения положения поплавка в плечи мостовой измерительной схемы включены резисторы 6 и 7 с равными сопротивлениями и катушки 8 и 9 одной из соленоидных систем. Питание моста осуществляется переменным напряжением U_˜. При этом полное сопротивление (Z) каждой из этих катушек на частоте источника питания определяется положением поплавка 2 (и, соответственно, его ферромагнитных дисков-концентраторов 18 и 19). В нашем примере (поплавок находится внизу) Z₁>Z₂. Разбаланс моста определяется дифференциальным усилителем 10, на выходе которого формируется сигнал U_ду с частотой источника питания 3 и амплитудой, определяемой разностью Z₁-Z₂ полных сопротивлений обмоток измерительных катушек, которые в свою очередь зависят от смещения поплавка 2 относительно среднего положения в полости корпуса (то есть относительно осевой линии O-O) и фазой 0 или 180° по отношению к фазе опорного напряжения U_оп, определяемой направлением предполагаемого смещения поплавка (вверх или вниз). Фазовый детектор 12 формирует сигнал U_фд, имеющий средний постоянный уровень, определяемый амплитудой сигнала U_ду и полярностью, соответствующей фазе сигнала U_ду (в нашем примере - отрицательная). В зависимости от сигнала U_фд уровень напряжения U_инт на выходе интегратора 13 изменяется (в нашем случае - уменьшается). Соответственно изменяется (уменьшается) и уровень напряжения, которое перераспределяет напряжения и токи катушек 22 и 23 второй соленоидной магнитной системы (уменьшая их на катушке 22 и увеличивая их на катушке 23).

В соответствии с изменениями токов перераспределяются также и втягивающие усилия катушек (у одной из них - уменьшается, у другой - увеличивается). Следовательно, на поплавок начинает действовать результирующая сила, отличная от нуля и направленная в сторону среднего положения поплавка (в сторону к осевой линии O-O, в нашем случае - вверх).

Эта сила действует до тех пор, пока измерительная схема (мост) с плечами 6, 7, 8, 9 не будет сбалансирована (идентичность катушек - условие баланса моста). При Z₁=Z₂ на выходе дифференциального усилителя 10 присутствует нулевой сигнал, который, проходя через фазовый детектор 12, не оказывает влияния на интегратор 13, а следовательно, и на уровни U_инт и U_y. Результирующая сила катушек-соленоидов 22 и 23, воздействующая на поплавок, становится равной нулю, и поплавок (при достаточной малости «постоянной» времени на осуществление процесса уравновешивания поплавка, обладающего реальной массой) после занятия некоего положения остается в дальнейшем практически неподвижным. Разница втягивающих усилий этих катушек-соленоидов, определяемая по разнице токов, является функцией плотности измеряемой среды. Эта разница токов выделяется на токосъемном резисторе 24 и подается на второй (нормирующий) дифференциальный усилитель 11. Напряжение U_вых на выходе дифференциального усилителя 11 при равновесном состоянии устройства представляет собой функцию вида:

U_вых=kρ+U₀,

где ρ - плотность измеряемой среды;

k - константа, определяемая конструктивными особенностями устройства-плотномера конкретного исполнения;

U₀ - напряжение, характеризующее разность токов (соленоидов), иначе - константа, определяемая конструктивными особенностями устройства-плотномера конкретного исполнения.

Подавая напряжение U_вых на вход вычислителя (контроллера) - последний на чертеже не показан, - вычисляют плотность измеряемой среды по формуле: ρ=К(U_вых-U₀),

где К - коэффициент масштабирования плотности (плотности).

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа определения (измерения) плотности жидкой среды и устройства для его осуществления обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям «изобретения» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Источники информации

1. Кивилис С.С. Плотномеры - М.: Энергия, 1980, с.97...101.

2. СССР, а.с. № 1642319, кл. G 01 N 9/12, 9/22, 1991.

3. СССР, а.с. № 389439, М.Кл. G 01 N 9/12, 1973.

4. Патент РФ № 2082151, М.Кл⁶. G 01 N9/12, 1995.

5. Кивилис С.С. Плотномеры - М.: Энергия, 1980, с.108.

6. Кивилис С.С. Плотномеры - М.: Энергия, 1980, с.188.

7. СССР, а.с. № 630557, М.Кл². G 01 N 9/12, 1979, прототип.

Для использования в технологических процессах при необходимости оперативного контроля за плотностью жидких сред. Изобретения обеспечивают более высокие потребительские свойства при реализации их по сравнению с уже известными техническими решениями. Способ заключается в том, что поплавок с ферромагнитным материалом помещают в жидкую среду, удерживают его во взвешенном состоянии в жидкой среде известной (штатной) плотности силами электромагнитного взаимодействия поплавка с регулируемым внешним магнитным полем, а при вариациях плотности контролируемой жидкой среды упреждают вертикальные перемещения поплавка магнитным полем дополнительной соленоидной магнитной системы, регулируя в автоматическом режиме напряженность и направленность этого (второго) поля, а о плотности жидкой среды судят по формуле ρ=K(U_вых-U₀), где: К - коэффициент масштабирования, а U_вых и U₀ - напряжения, характеризующие разность токов в соленоидах соленоидных магнитных систем, создающих оба магнитных поля. Плотномер содержит корпус 1, поплавок 2, соленоидные магнитные системы, источники 3 и 4 электропитания (переменного и постоянного тока соответственно), усилитель 5, резисторы 6 и 7, а также катушки 8 и 9, 14 и 15 (первой и второй соленоидных магнитных систем соответственно). Плотномер характеризуется наличием в известной совокупности существенных признаков таких элементов, как дифференциальные усилители 10 и 11, фазовый детектор 12, интегратор 13, особенностями выполнения корпуса 1, поплавка 2, соленоидных магнитных систем, а также их взаимосвязями с другими конструктивными элементами и между собой. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения (измерения) плотности жидкой среды, при котором поплавок полного погружения со встроенным в него магнитным материалом (телом) помещают в жидкую среду и в соосное (с поплавком) магнитное поле соленоида, обеспечивают его удержание в жидкой среде с заранее известной (штатной) плотностью во взвешенном неподвижном состоянии, а при изменении плотности жидкой среды устраняют возникающее вертикальное смещение поплавка, создавая дополнительное магнитное поле, напряженность и направленность которого регулируют в автоматическом режиме, а о плотности жидкой среды судят по величине тока в соленоиде, создающем дополнительное магнитное поле, отличающийся тем, что поплавок удерживают в состоянии неподвижности при любом изменении плотности конкретной жидкой среды, для чего формируют упреждающее двухстороннее силовое взаимодействие между магнитным материалом (телом) поплавка и, соответственно, удерживающими его магнитными полями двух катушек соленоидной магнитной системы путем поддержания в них соответствующего баланса токов, создающих результирующее магнитное поле соответствующей напряженности и направленности для обеспечения поплавку нулевой плавучести в жидкой среде переменной (изменчивой) плотности (ρ), о которой судят по формуле:

ρ=K(U_вых-U₀),

где К - коэффициент масштабирования (плотности);

U_вых и U₀ - напряжения, характеризующие разность токов (соленоидов) после их обработки (преобразования) в измерительном канале (тракте) плотномера по п.2 формулы.