Тепловой компенсационный плотномер Советский патент 1986 года по МПК G01N3/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения плотности технологических растворов, применяемьк в пищевой и химической промьшшеннос- ти.

Цель изобретения - повьшение точности, чувствительности измерения и надежности работы устройства путем устранения погрешности, вносимой измерением давления.

На чертеже схематически изображен Тепловой компенса ционный плотномер с пневмометрическим датчиком плотности; на фиг. 2 - то же, с гидро- статическим датчиком плотности.

Тепловой компенсационньй плотномер с пневмометрическим датчиком плотности содержит камеру 1 для исследуемого paCTBdpa и камеру 2 для эталонной жидкости, которая обогревается в теплообменнике 3 теплоносителем, на линии;подачи которого установ лен регулируннций клапан 4, В камеры 1 и 2 пдмещены пневмометрические трубки 5 и 6, соединенные с блоком 7 питания, с помосчью которого настраивается расход воздуха через трубки. Пневмометрические трубки 5 и 6 погружены соответственно в исследуе- мый и эталонный растворы на разную глубину, которая выбирается из условия

.р U

Рп2

ГСдлине Т.р

(1) 35

где Н, - глубина погружения пневмо- метрической трубки 5 в исследуемый раствор;

Н - глубина погружения пневмо- метрической трубки 6 в эталонный раствор.

Плотномер содержит блок 8 сравнения и измеритель 9 температуры. На вход блока 8 сравнения поступают давления Р, и Р, от пневмометрических трубок 5 и 6 РЛ 0, Ь-- (t. - t) g Н,, (2)

J g - плотность исследуемого

раствора при температуре

toi

ot - средний температурный коэффициент объемного расшире- ния исследуемого раствора в интервале температур t.o - t,;

5

5

0 0

5

5

0

5

0

t - рабочая температура исследуемого раствора ,

Н - глубина погружения пневмо- метрической трубки 5 в исследуемый раствор,

02 l -(4 - to) g Н,, (3) где fg - плотность эталонного раствора при температуре } - средний температурный коэффициент объемного расширения эталонного раствора в интервале температур , t,, - рабочая температу1)а эталонного pacTBOpaJ

Н - глубина погружения пневмо- метрической трубки 6 в эталонный раствор.

Кроме того, устройство содерясит измеритель 10 температуры исследуемой жидкости и блок 11 перемещения пневмометрической трубки 5, который выполнен в виде позиционера, изготов ленного на базе трехмембранного элемента 12 сравнения, сильфона 13 и прузкины 14. Устройство содержит ис- :полнительный механизм 15,, управляющий работой регулирующего клапана 4. При выполнении теплового компенсационного плотномера с гидростати-, ческим датчиком плотности он содержит камеру 1 для исследуемого раствора (рабочую трубку), камеру эталонной жидкости 2 (компенсационную трубу), теплообменник 3, регулирующий клапан 4, блок 8 сравнения, измеритель 9 температуры, исполнительный механизм 15, мембрану 16, пневмопреобразователь 17.

Тепловой компенсационный плотно-. мер с пневматическим датчиком плотности работает следующим образом.

Величины и Р поступают на вход блока 8 сравнения (ПИ-регуля- тор), у которого время изодрома Ту минимальное, а коэффициент усиления Кр максимальный (К - « ). Пневматический сигнал с вькод а блока 8 сравнения поступает по линии обратной связи на мембранный исполнительный механизм регулирзтощего клапана 4, установленного на линии подачи теплоносителя в теплообменник 3, обогревающий эталонный раствор, находящийся в тернокомпенсационной камере 2. В состоянии равновесия измерительной схемы плот}томера Р

Р, . Решая систему уравнений (1), (2) и (3), получают

- f Po, i

1 - d(t - (4)

fS

20

25

30

т.е. температура t. эталонного раствора, измеренная измерителем 9 температуры, пропорциональна плотности fo технологического раствора.

При изменении плотности исследуемого раствора давление в пневмомет- рической трубке 5 меняется, поэтому появляется сигнал разбаланса tP Р - Р,, который поступает на блок 8 сравнения, а с него - на исполнительный механизм регулирующего клапана 4, который изменяет расход по- jc aeMoro в теплообменник 3 теплоносителя. Температура эталонного раствора в термокомпенсационной камере изменяется, а вместе с ней изменяется плотность эталонного раствора. Изменение температуры эталонного раствора происходит до тех пор, пока давление в пневмометрических трубках сравняетс я. Так как ПИ-ре- гулятор стремится уменьшить ошибку ,1рассогласования до минимума, то

.

Таким образом, измерительная схема плотномера производит компенсацию изменения плотности комнтролируемого раствора в измерительной камере 1 путем изменения температуры эталонного раствора, а следовательно, его плотности в термокомпенсационной камере 2. Температура эталонного раствора измеряется измерителем 9 температуры, шкала которого отградуирована в единицах плотности.

Как видно из зфавнения (2), плотность раствора зависит не только от 45 его состава, но и от температуры, поэтому от этой температуры, как видно из уравнения (4), зависит выходной сигнал плотномера. Дпя уменьшения температурной погрешности при опре- 50 делении состава исследуемого раствора по его плотности необходимо глубину погружения пневмометрической трубки

тывает сигнал на блок 1I термокомп сационного перемещения пневмометри ческой трубки 5. Если в качестве и мерителя 10 температуры использует 5 прибор с пневматическим выходным с налом, то блок 11 перемеще ния може быть выполнен в виде позиционера, .-изготовленного на базе трехмембран го элемента 12 сравнения, сильфона 10 13 и пружины 14. Во внутреннюю.пол ,сильфона 13 подается вькодное дав ние трехмембраннсго элемента 12 ср нения, в одну из камер которого по ется сигнал с измерителя 10 темпер туры. Прл перемещении подвижного торца сильфона 13, на котором жест закреплена пневмометрическая трубк 5, происходит изменение натяжения пружины 14, сила упругой реакции к торой обеспечивает силовую обратн связь в трехмембранном элементе 12 сравнения, чем достигается пропорц нальное изменение положения пневмо метрической трубки 5 относительно измерительной камеры 1 при изменен те шературы технологического раств ра. Настройка на нужный диапазон и менения температуры исследуемого раствора производится изменением чи ла витков пружины 14. При этом тер- мокомпенсирующее перемещение пневмо метрической трубки 5 находят из , Зфавнения

ЛН Н cC(t, - .t),

где Н - расчетная глубина погружения пневмометрической труб ки 5 в исследуемый раствор при температуре to, - средний температурный коэ фициент объемного расшире ния исследуемого раствора в интервале температур

Ч - t,.;

t - рабочая температура иссле дуемого раствора, которая измеряется измерителем 10 температуры.

Тепловой компенсационный плотномер с гидростатическим датчиком плотности работает следующим образом.

Исследуемый раствор поступает в камеру 1 высотой Н. Столб контроли40

5 в исследуемьй раствор сделать переменной в функции температуры это- 55 РУемой жидкости создает давление на го раствора. Для этого измеритель 10 температуры исследуемой жидкости изменяет температуру раствора и вырабамембрану 16

PI Рол Ь -

fS

20

25

30

4550

247.718.4

тывает сигнал на блок 1I термокомпенсационного перемещения пневмометри- ческой трубки 5. Если в качестве измерителя 10 температуры используется 5 прибор с пневматическим выходным сигналом, то блок 11 перемеще ния может быть выполнен в виде позиционера, .-изготовленного на базе трехмембранно- го элемента 12 сравнения, сильфона 10 13 и пружины 14. Во внутреннюю.полость ,сильфона 13 подается вькодное давление трехмембраннсго элемента 12 сравнения, в одну из камер которого подается сигнал с измерителя 10 температуры. Прл перемещении подвижного торца сильфона 13, на котором жестко закреплена пневмометрическая трубка 5, происходит изменение натяжения пружины 14, сила упругой реакции которой обеспечивает силовую обратную связь в трехмембранном элементе 12 сравнения, чем достигается пропорциональное изменение положения пневмометрической трубки 5 относительно измерительной камеры 1 при изменении те шературы технологического раство- ра. Настройка на нужный диапазон изменения температуры исследуемого раствора производится изменением числа витков пружины 14. При этом тер- мокомпенсирующее перемещение пневмометрической трубки 5 находят из , Зфавнения

ЛН Н cC(t, - .t),

где Н - расчетная глубина погружения пневмометрической трубки 5 в исследуемый раствор при температуре to, - средний температурный коэффициент объемного расширения исследуемого раствора в интервале температур

Ч - t,.;

t - рабочая температура исследуемого раствора, которая измеряется измерителем 10 температуры.

Тепловой компенсационный плотномер с гидростатическим датчиком плотности работает следующим образом.

Исследуемый раствор поступает в камеру 1 высотой Н. Столб контроли40

55 РУемой жидкости создает давление на РУемой жидкости создает давление на

мембрану 16

PI Рол Ь -

де Р„ - плотность контролируемой

о о j

жидкости при температуре

toi

1 средний температурный коэффициент объемного расширения контролируемой жидкости в интервале температур

Ч- ; ,

t; температура контролируемой жидкости.

Н - высота рабочей трубы. Вспомогательная жидкость через теплообменник 3 поступает в камеру 2 - компенсационную трубу высоткой Н-. Столб жидкости создает давление на мембрану 16

Р fo, - о) g

0i

н

г

где Рд - плотность вспомогательной жидкости при температуре

ч;

- средний температурный коэффициент объемного расширения вспомогательной жидкости в интервале температур t, -

t - температура вспомогательной жидкости в компенсационной трубе - камере 2. Н. - вьюота компенсационной

трубы 2.

Работа плотномера основана на уравновешивании давления от столба жидкости в рабочей трубе постоянной высоты давлением от столба жидкости в компенсационной трубе также постоянной высоты.

Изменение плотности контролируемой жидкости вызьшает изменение дав- пения Р, действующего на мембрану 16 со стороны камеры 1. Это приводит к перемещению мембраны 16, которое преобразуется пневмопреобразовате- ,пем 17 в пневматический -сигнал который поступает на исполнительный механизм 15, В качестве пневмопреобра- зователя 7 выбирается ПИ-рёгулятор, у которого время изодрома минимальное, а коэффициент усиления максимальный. Исполнительньй механизм 15 перемещает регулирующий орган клапана 4, установленного на линии подачи теплоносителя в теплообменник 3. Это вызывает изменение температуры вспомогательной жидкости, выходящей из теплообменника 3 и поступающей в камеру 2 (компенсационную трубу). Изменение температуры вспомогательной жидкости происходит до тех пор, пока не произойдет уравновешивание столба

контролируемой жидкости столбом вспомогательной жидкости ввиду изменений температуры последней. Так как ПИ- регулятор стремится уменьшить ошибку рассогласования до минимума, то для

состояния равновесия измерительной схемы плотномера можно записать

Р. Р,

или

fojl (t. - t,)g н, fo l -(4-4)gH,.

откуда

-t,ji,- t,

)1 . j

jPOi

Poj

Ь - i(t, Таким образом, температура t, которая измеряется в камере датчиком и измерителем 9 температурь, пропорциональна плотности Рд контролируемой жидкости.

Шкала измерителя температуры отградзшрована в единицах плотности.

При выборе высот рабочей Н и компенсационной Hj труб руководствуются следуюищми соображениями. Плотности контролируемой жидкости, соответствующей началу шкалы плотномера, отвечает наибольшая температура вспомогательной жидкости, которая должна находиться ниже температуры кипения .этой вспомогательной жидкости. Плотности, соответствующей концу шкаЛы плотномера, отвечает наименьшая температура вспомогательной жидкости, которая выбирается несколько вьщ1е температуры.окружающей среды и тем-.

пературы вспомогательной жидкости, поступающей в теплообменник 9. Последнее условие будет выполнено, если высоты упомянутых трубок выбраны по формуле

. Н, ;7

где Н - высота рабочей трубы;

H.J - высота компенсационной трубы;Рол плотность контролируемой

V нт саКС

жидкости, соответствующая верхнему пределу измерения (концу шкалы) плотномера;

Рл - плотность вспоьЛ)гательнои « I макс

жидкости при минимально

возможной в условиях измерения температуре.

Первое условие вьтолняется путем выбора соответствующей вспомогатель ной жидкости, при этом, чем шире диапазон измерения плотности, тем должна быть выше температура кипения вспомогательной жидкости.

Форму ла изобретени

Тепловой компенсационный плотномер, содержащий датчик плотности, состоящий из камер для исследуемого

раствора и эталонной жидкости, соединенных с блоком сравнения, подключенным к исполнительному механиз- 5 му, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и надежности работы устройства, плотномер снабжен теплообменником нагрева эталонной жидкости, регу- 1О лирующим клапаном и измерителем температуры, причем регулирующий клапан установлен на линии подачи теплоносителя к теплообменнику и соединен с исполнительным механизмом,

15 вход измерителя температуры соединен с камерой эталонной жидкости, а его шкала градуирована в единицах

плотности.

-Г

Тепловой компенсационный плотномер относится к измерительной тех нике, в частности к устройствам для измерения плотности технологических растворов, плотность которых изменяется в относительно узком диапазоне. Цель изобретения - повышение точности измерения и надежности работы плотномера. Плотномер содержит датчик плотности, состоящий из камер для исследуемого раствора и эталонной -жидкости, соединенных с блоком сравнения, подключенньм к исполнительному механизму. В плотномере имеется теплообменник нагрева эталонной жидкости, регулирующий клапан и измеритель температуры. Регулирующий клапан установлен на линии подачи теплоносителя к теплообменнику и соединен с исполнительным механизмом. Вход измерителя темпера- туры соединен с камерой эталонной жидкости, а его шкапа градуирована в единицах плотности. 2 ил. (/7 to 4; « sl 00

Редактор Л.Веселовская

Заказ 4116/41

Тираж 778 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений- и открытий .113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

cpt/ff.2.

Составитель В.Камзов

Техред Н.БонкалО Корректор Е.Сирохман