Способ измерения плотности жидкости Советский патент 1987 года по МПК G01N9/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике 5 а именно к устройствам для измерения плотности жидкостей, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Цель изобретения - повьшение быстродействия путем уменьшения количества тактов измерения и повьЕпение точности измерения за счет исключения погрешности, связанной с нелинейностью статической характеристики дифманометра.

На чертеже изображен компенсационный пневмометрический плотномер, реализ-ующий предлагаемый способ.

Плотномер содержит систему 1 питания воздухом, питающую плюсовую 2 и минусовую 3 независимые пневмоли- нии, между которыми включен дифмано- метр 4. Плюсовая линия 2 через пнев- моклапан 5 питает первую основную измерительную трубку 6, погруженную в контролируемзто жидкость на глубину Н ,, а через пневмоклапан 7 - дополнительную измерительную трубку 8, погруженную на глубину (H|-h), где h - разность глубин погружения первой основной и дополнительной измерительных трубок.

Минусовая линия 3 через пневмо- клапан 9 питает втор ую измерительную трубку 10, погруженную в жидкост на глубину .-Ь а через пнев- моклапан 11 - компенсатор 12 балластного давления с подвижной пьезометрической трубкой 13 и последовательно включенной измерительной трубкой 10. Пьезометрическая трубка 13 кинематически связана с приводом 14, перемещающим ее вдоль вертикальной оси. Выход дифманометра 4 соединен с первым входом привода 14 и через ключ 15 - с входом блока 16 памяти, выход которого соединен с вторым входом привода 14, а управляюрщй вход ключа 15 и третий вход привода 14 соединены с первым (прямым) выходом счетного триггера 17, также соединенного с входами управления пневмо- клапанов 7 и 9. Второй (инверсный) выход триггера 17 соединен с входам управления пневмоклапанов 5 и 11, а вход - с выходом генератора 18.

Плотномер работает следующим образом.

Цикл измерения состоит из двух тактов. Генератор 18 задает длительность измерения, В первом такте тригер 17 находится в состоянии 1.

Его первый (прямой) выход открывает пневмоклапаны 9 и 7, отпирает ключ 15 и запрещает приводу 14 отрабатывать сигнал рассогласования. Второй (инверсный) выход триггера 17 закрывает пневмоклапаны 5 и 11. Таким образом, в первом такте измерения работают трубки 10 и В. На плюсовой камере дифманометра 4 в этом такте давление равно

(H;-h)-fP,,+P5,-Hp,, где р

5

g - Р

0

Р

5

0

5

плотность контролируемой жидкости;

ускорение свободного падения; потери давления на участке пневмолинии 2 от места под- . ключения дифманометра до среза барботажной трубки, обусловленные трением воздуха о стенки пневмолинии; избыточное давление воздуха, обусловленное силами поверхностного натяжения, необходимое для отрыва пузырька воздуха от нижнего конца трубки;

давление, обусловленное скоростным напором жидкости, .изменяющее условия отрыва пузырька воздуха ут нижнего конца барботажной трубки. Аналогично, на минусовую камеру дифманометра 4 в первом такте действует . давление

PV, p; pgH2+p,+ps/Pv2.

Обычно Р,,Р,Р5,Р5

40

45

как скорость воздуха и расход в пневмолиниях различен.

Пусть статическая характеристика дифманометра 4 нелинейна и имеет вид

,+а,()+а.() +...+

(,

где у - выходной сигнал дифманомет- ра (например, ток, напряжение , частота и пр.);

ад,...,а - козффициенты модели статической характеристики дифманометра.

. Эти козффициенты могут медленно изменяться во времени, так как при старении дифманометра происходят сдвиг и деформация его статической характеристики, особенно для простых приборов низкого класса точности. Следовательно, на выходе дифманометpa в первом такте измерения имеется сигнал, который записывается в блок 16 памяти.

у,а„+а,(реН+лР)+а(реН+бР)+...+ 4-a„(pgH+йP)(1)

где ,-h-H7,

,,-P,,-HPg-,+,,-,,.

Во вторам такте триггер 17 находится в состоянии логического О. Его первый выход закрывает пенвмо- клапаны 9 и 7, запирает ключ 15 и . разрешает приводу 14 отрабатывать сигнал рассогласования. Второй выход триггера 17 открывает пневмоклапаны 5 и 11. Следовательно, в зтом такте измерения работают трубки 6 и 10 и компенсатор 12 балластного давления.

В процессе компенсации привод 14 -перемещает подвижную пьезометрическую трубку 13 до тех пор, пока сигналы на его первом и второй входах не уравняются.

Значение К, пропорциональное измеряемой плотности р, снимается с

Пусть положение равновесия соответ-2 выхода привода 14, например как угол

ствует глубине погружения пьезометрической трубки 13, равной Н, тогда в положении равновесия на плюсовой камере дифманометра 4 давление равно

,+n,+Ps.+Pv, а на минусовой

,+P,H.,,

где р. - плотность эталонной жидкости в компенсаторе 12. На выходе дифманометра 4 во втором такте имеют

,rpg{H,-Hj)+uP-p gH,l+...+ )g{H,-H,,)+bP-p,gHK, (2)

так как при полной компенсации у у , приравнивая выражения (О и (2), получают условие

i

pg(H,-H,j-h)(H,-H)+uP-p,gHK. Отсюда

30

35

40

45

поворота вала исполнительного двигателя или число импульсов при использовании в приводе шагового двигателя.

Динамический диапазон измерения плотностей определяется пределом, изменения глубины Н, погружения пьезометрической трубки 13, а предел измерения - величинами Нц, рц и h.

Плотномер, реализующий предлагаемый способ, позволяет повысить точность измерения плотности жидкости на потоке при длительной эксплуатации в реальных производственных условиях без настройки и коррекции. В то же время требования по точности к первичному преобразователю (дифманометру) значительно снижаются и возможно применение грубых и дешевых приборов.

В предлагаемом способе результат измерения не зависит от состояния объекта измерения (температуры, избыточного давления, уровня контролируемой жидкости, состояния .пневмолинии, расхода и скорости воздуха в линиях), а также состояния дифмано-

HK

(3)

Таким образом, глубина погружения компенсационной трубки 13 в эталонную жидкость прямо пропорциональна плотности измеряемой жидкости.

Из вьфажения (З) видно, что значение плотности жидкости, полученной в результате двух тактов измерения и компенсации, не зависит от условий работы плотномера, параметров

5

пневмолинии и режимов ее работы, а также параметров дифманометра и определяется только постоянными величинами h, р и измеренным значением К|. В этом .случае погрешность измерения плотности определяется только погрешностью измерения величины Kj, точностью задания и поддержания величин h, и точностью компенсации. Все это справедливо только в том случае, если за время измерения и компенсации условие работы плотномера и параметры дифманометра не изменяются, т.е. величины Р, РГ., РМ. , , а. , аа„ неизмене0

А1 «

Si 1 vi -о т п ны на интервале измерения. Так как

длительность тактов всегда можно подобрать много меньше,чем период времени, в течение которого эти параметры существенно изменяются, это условие.в.большинстве практических случаев автоматически соблюдается.

Значение К, пропорциональное измеряемой плотности р, снимается с

выхода привода 14, например как угол

0

5

0

5

0

5

поворота вала исполнительного двигателя или число импульсов при использовании в приводе шагового двигателя.

Динамический диапазон измерения плотностей определяется пределом, изменения глубины Н, погружения пьезометрической трубки 13, а предел измерения - величинами Нц, рц и h.

Плотномер, реализующий предлагаемый способ, позволяет повысить точность измерения плотности жидкости на потоке при длительной эксплуатации в реальных производственных условиях без настройки и коррекции. В то же время требования по точности к первичному преобразователю (дифманометру) значительно снижаются и возможно применение грубых и дешевых приборов.

В предлагаемом способе результат измерения не зависит от состояния объекта измерения (температуры, избыточного давления, уровня контролируемой жидкости, состояния .пневмолинии, расхода и скорости воздуха в линиях), а также состояния дифмано-

метра (коэффициентов а,,а,а„

его статической характеристики в текущий момент времени). Все эти параметры могут изменяться во времени, однако за время двух тактов измерения - компенсации они остаются практически постоянными. Следователь 1

но, дифманометр и плотномер в целом не требуют периодической настройки и коррекции, так как результат измерения не зависит от текущих па раметров дифманометра и плотномера.

Применение предлагаемого способа, например, на буровой для контроля плотности бурового раствора на входе и выходе ия скважины позволит повысить эффективность процесса бурения за счет снижения затрат времени и средств на ликвидацию нефтегазово допроявлений и аварийных выбросов из скважины, раннее обнаружение которых возможно только при повьппении точности измерения плотности.

Кроме того, повьппение точности измерения плотности бурового раствора на входе в скважину позволит использовать высокопроизводительный равно- весный режим бурения (по гидростатическому давлению на забой),

Формула изобретения

Способ измерения плотности жидкости, включающий барботирование сжа того воздуха через две основные иЗ мерительные трубки и компенсатор балластного давления с пьезометрической трубкой и через основную и дополнительную измерительные трубки и измерение разности давлений посредством дифманометра, при этом измерительные трубки погружены в исследуемую жидкость, причем глубина погружения

10

5А064

дополнительной измерительной трубки меньте глубины погружения первой основной измерительной трубки, но больше глубины погружения второй основной измерительной трубки, отличающийся тем, что, с целью повьшения быстродействия путем уменьшения количества тактов измерения и повышение точности за счет исключения погрешностей, связанных с нелинейностью статических характеристик дифманометра, измерение производят за два такта, в первом из которых сжатый воздух барботируют через BTopyto основную и дополнительную измерительные трубки и измеряют разность давлений, а во втором сжатый воздух барботируют через основные измерительные трубки и компенсатор балластного давления при одновременном перемещении пьезометрической трубки до тех пор, пока разность давлений не станет равна первоначально 2g измеренной, а плотность жидкости определяют из выражения

15

20

где

р ир,

соответственно плотности исследуемой и эталонной жидкостей;

Нц - глубина погружения пьезометрической трубки;

h - разность глубин погружения первой основной и дополнительной измерительных трубок.

Составитель В.Алексеев Редактор И.Горная Техред М.Ходанич

Заказ 5685/37 Тираж 776Подписное

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

Корректор М.Шароши

Изобретение относится-к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности жидкости, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Целью изобретения является повьшение быстродействия путем уменьшения количества тактов измерения и повышение точности за счет ис- сличения погрешности, связанной с нелинейностью статических характеристик дифманометра. В первом такте измерения сжатый воздух барботируют через вторую основную и дополнительную измерительные трубки и измеряют разность давлений, а во втором- через основные измерительные трубки и компенсатор балластного давления при одновременном перемещении пьезометрической трубки до величины разнос- . ти давлений, равной первоначально измеренной, а плотность определяют из выраженияр , гдер и рц - соответственно плотности исследуемой и эталонной жидкостей; Н - глубина погружения.пьезометрической трубки; h - разность глубин погружения первой основной и дополнительной измерительных трубок. Измерительные трубки погружены в исследуемую жидкость, при этом глубины погружения дополнительной измерительной трубки меньше глубины погружения первой основной измерительной трубки, но больше глубины погружения второй основной измерительной трубки. 1 ил. § (D со сл 4 О 05