Способ определения плотности жидкости Советский патент 1988 года по МПК G01N9/28 

00 00

Изобретение относится к измерительной технике, а име1шо к способам определения плотности жидких сред.

Цель изобретения - повышение точ- г ности и упрощение определения плотности за счет исключения операций перемещения трубки компенсатора балластного давления и измерения его величины.10

На фиг,I изображена структурная схема пневмометрйческого плотномера, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - управляюще-вычислительный блок; на фиг.З - временная диаграмма 15 работы плотномера.

Способ заключается в том, что воздух продувают за два такта через дпинную и короткую измерительные трубки, помещенные в исследуемую жид- 20 кость, и компенсатор давления, причем в первом такте продувают воздух через компенсатор и короткую трубку, регу- лируют давление в компенсаторе так, чтобы перепад давлений между компен- 5 сатором и короткой трубкой стал равен нулю, во втором такте продувают воз- дух через компенсатор и дпинную изме- рительную трубку, измеряют перепад . давления между ними, по которому су- 0 дят о плотности жидкости.

Способ реализуется с помощью пневмометрйческого плотномера,

Плотномер содержит блок 1 питания воздухом, питающий плюсовую 2 и мину- 35 совую 3 независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4. Плюсовая пневмолиния 2 через нормально закрытый пневмоклапан 5 запитывает . основную измерительную трубку б, по- 40 груженную в контролируемую жидкость на глубину Н, а чере-з нормально открытый пневмоклапан 7 - дополнительную трубку 8, погруженную в жидкость на глубину И + h. Минусовая пневмо- 45 линия 3 через нормально закрытый пневмоклапан 9 запитывает пневмоемкость 10 и последовательно соединенный с ней пневмодроссель 11, связанный с атмосферой через нормально за- JQ крытый пневмоклапан 12, Минусовая камера дифманометра А связана с минусовой пневмолинией 3 в месте соединения пневмоемкости 10 с пневмодроссе- лем 11, выход дифманометра 4 соединенj с входом управляюще-вычислительного блока 13, первьй выход которого связан с входами управления пневмоклапа- нов 5 и 7, а второй и третий - с входаю1 управления пневмоклапанов 9 и 12 соответственно,

Управляюще-вычислительный блок 13 состоит из компаратора 14, первый вход которого связан с выходом дифма нометра 4, а второй - с выходом блока 15 уставки, триггера 16 с установочными входами, первый вход которого (вход сброса) соединен с выходом компаратора 14, а выход - с входом управления пневмоклапана 12, генератора 17, триггера 18 со счетным входом, вход которого связан с выходом генератора 17, а первьш выход - с входами управления пневмоклапанов 5 и 7, первым входом схемы 19 совпадения и входом одновибратора 20, выход которого связан с входом управления пневмоклапана 9, вторым входом (Установка) триггера 6, входом инвертора 21 и вторым входом (Разрешение приема) регистра 22, преобразователя напряжение - частота 23, вход которого соединен с выходом дифманомет ра 4, схем 24 и 25 совпадения, первые входы которых связаны соответственно с первым и вторым выходами триггера 18, а третьи - с выходом преобразователя 23, и реверсивного счетчика 26, первый, второй и третий входы которого (входы Сложение, Вычитание.и Сброс) соответственно соединены с выходами схем 25, 24 и 19 совпадения, а вькод - с первым входом регистра 22. Второй и третий ВХОДЕ. схемы 19 совпадения соответственно связаны с выходом инвертора 21 и выходом генератора 17, а вторые входы схем 24 и 25 совпадения - с выходом инвертора 27, вход которого соединен с выходом генератора I7,

Способ осуществляют с помощью плотномера следующим образом.

В первом такте в плюсовую пневмо- линию 2 подключают основную измерительную трубку 6 и регулируемым компенсатором балластного давления, реализованным в минусовой пневмолинии 3 с помощью пневмоемкости 10, пневмо- дросселя 11 и пневмоклапанов 9 и 12 добиваются нулевого или близкого к нулевому показания дифманометра 4. Это показание запоминают и фиксируют для этого состояния давление в компенсаторе.

Во втором такте при фиксированном значении давления в компенсаторе увеличивают глубину погружения измери;:тельной трубки - подключают в плюсовую пневмолииию 2 измерительную труб- .ку 8 и запоминают показания ди(1)мано- мётра 4. Искомая плотность пропор- циональна разности показаний дифмано- метра во втором и первом тактах. В i-M такте измерения (i 1,3, 5,...) на плюсовую камеру дифманомет- ра 4 действует давление

Р; pgH - Р,, PS; PV; ,

где р - измерие ая плотность; g - 9,81 м/с - ускорение силы тяжести; - потери давления на участка

лневмолннии от места подключения дифманометра до нижнего среза барботажной трубки,обусловленные трением воздуха о стенки пневмолинии и трубки в i-M такте;

Р., - избыточное давление воздуха, обусловленное силами поверхностного натяжения, необходимое для отрыва пузырька от нижнего конца трубки в i-ом такте;

Р - давление, обусловленное скоростным напором жидкости,из- меняющим условие отрыва пузырька воздуха от нижнего конца трубки в i-м такте. Пусть в момент компенсации давление в компенсаторе (в пневматической емкости 10) равно .

Если модель статической характеристики дифманометра 4 имеет вид

У; а„ + аДР - ;),

40

выходной сигнал (ток, напряжение и пр.);

номинальные коэффициенты модели; . смещение статической харак- j

теристики, обусловленное

дрейфом нуля дифманометра 4; коэффициент чувствительности дифманометра 4,

такте в момент компенсации CQ

выходе дифманометра 4 равен

У;

+ а,; (pgH + /iP; - Р),(1)

где а . , - значения коэффициентов

модели статической рактеристики в i-м такте.

ЛР; P(v; + + Р

Vi

В (i-(-l)-M такте на плюсовую камеру дифманометра действует давление

Р.

,v, - h) Рм,(- Г

Так как длительность такта измерения всегда можно сделать достаточно малой, то:

р . - р . .

(l + () А

Ps(,4, PS;

р р

V(Ui) ,

Значения давления в компенсаторе и коэффициентов модели также не могут измениться за время одного такта следовательно:

р рт .

1 + I ) 9 0(1+н| о1

() 1,

Таким образом, в (i+O-M такте сигнал на выходе дифманометра 4 равен

+ о

а .fngCH h) +UP, - -(2)

у;н П(2) и (1) имеем

. - У, ,() Отсюда искомая плотность находитпо алгоритму

о

5

0

j

Q

(3)

(4)

c

д Zi.

I- 1

Ia,; gh

При полной компенсации У ; О и измерительный алгоритм принимает вид

л Р а,; gh

Значение h выбирается из следующего соображения.

Для заданного предела измерения Рр дифманометра 4 при максимальной измеряемой плотности значение перепада давления на дифманометре 4 во втором такте не должно выходить за предел измерения.

Для р рмако в первом такте имеем

Р| - р , р«„,е gH + Р, , (5) во втором такте

PI - Р рмакс 8(И+Ь)-Ь UP,- р; .. Р,.(6)

Отсюда найдем 1

h .(7)

Рмаке ё Как видно из (3) и (4), значение

плотности контролируемой жидкости не зависит от условий работы плотномера и дрейфа нуля дифманометра, а определяется результатами двух соседних тактов измерения и величшюй h.

Таким образом, определение текущей плотности жидкости производится по результатам двух тактов измере- :ния. в первом такте открыт пневморсла- ,пан 5, а пневмоклапаи 7 закрьп н ра- ;ботает измерительная трубка 6. Ком|пенсация перепада давленш на дифма- 10 триггера 18 запускается одновибратор 20j

вырабатывающий положительный импульс длительностью f , открывающий пневмоклапан 9 на это время. За это время .давление -в пневмоемкости 10 превысит

5 давление в плюсовой камере дифмано- .метра А, на его выходе сигнал будет иметь отрицательный знак. Компаратор 14 совместно с бл.оком 15 уставки настраивается таким образом, что он

20 срабатывает при небольшом отрицательном сигнале, а- отключается при нулевом сигнале на его входе, Следова- , телыю, в течение времени, не превышающего величину сГ , компаратор 14

сработает и будет находиться в сос|нометре 4 осуществляется в минусовой |пневмолинин 3 регулированием давления в нневмоемкости lO. Для этого, в iтечение короткого времени открывают |нневмоклапан 9 и закрывают пневмоклапан 12, Давление в пневмоемкости 10 начинает возрастать и в некоторый момент превысит давление в плюсовой камере дифманометра 4. Сигнал на ei o выходе становится отрицательным. Затем закрывают пневмоклапан 9 и открывают пневмоклапан 12. Давление в емкости начинает монотонно падать, так i как она разряжается в атмосферу через пневмодроссель 11 и сигнал на выходе дифманометра 4 возрастает,Как т олько достигается нулевое значение сигнала :на выходе дифманометра 4, пневмокла- :пан 12 закрывается и производится

съем информации (сигнал на выходе

:дифманометра может быть немного боль- : ше ьгуля, так как быстродействие пнеч- 1оклапанов orpaHii4eHo и за время переключения давление в пневмоемкости i O может уменьшиться) ,

Во втором такте пневмоклапан 5 закрыт, а пневмо1шапан 7 открыт. Сое- тояние элементов в минусовой пневмоЛ1ШИИ 3 остается неизменным. Так как работает допол1И1тельная трубка 8, то давление в плюсовой камере дифманометра возрастает и производится съем информации о результате второго такта измерения. Вычисление плотности,

а также все манипуляции с пневмокла- панами производит управляюще-вычисли- тельный блок 13; работающр1Й следукг- щим образом (см, фиг.З, где временные диаграммы 28-36 нллюстриру от работу соответственно генератора 17, триггера 18, одновибратора 20, схемы 19 совпадения, схем 24 и 25 совпадения, дифманометра 4, компаратора 14, триггера 16).

тонкий 1 , Задним фронтом импульса с одновибратора 20 триггер 16 устанавливается в состояние I и открывает пневмоклапан 12 Пневмоемкость

30 10 начинает разряжаться через пкевмо- дроссель 1 в атмосферу, давление в ней падает, сигнал на выходе дифманометра 4 увеличивается и когда достигает нулевого значения, компаратс р 14

35 отключается и п.ереходит в состояние О. Задний фронт импульса компаратора 14 сбрасывает триггер 16, пневмоклапан 12 закрывается-, фиксируя такое давление в пневмоемкости 10, что

40 показания дифманометра равны или . близки к нулю.

Объем пневмоемкости 10, величина пневмосопротивления пневмодросселя 45 1 1 J длительность импульсов Т, и с выбираются таким образом, чтобы за время б давление в пневмоемкости JO превысшю давление в плюсовой камере дифманометра 4, за время Т, - сравнялось с ниМс Этого легко добиться.

50

варьируя величинами с и - пнев- мосопротивление пневмодросселя П.

Таким образом, к моменту окончания импульса с генератора 17 дифмаВ исходном состоянии пневмокпапан 55 нометр / 4 показывает нулевое или

1 7, формирующим положитсльнг.ш иьтуль- сы длительностью Т с периодом Т. По (переднему фронту импульса с генерато- 5 ра 7 триггер 18 устанавливается в состояние 1 и открьшает пневмокла- пан 5, а пневмоклапан 7 закрывает и работает трубка 6. По переднему фронту импульса с первого (прямого) выхода

тонкий 1 , Задним фронтом импульса с одновибратора 20 триггер 16 устанавливается в состояние I и открывает пневмоклапан 12 Пневмоемкость

10 начинает разряжаться через пкевмо- дроссель 1 в атмосферу, давление в ней падает, сигнал на выходе дифманометра 4 увеличивается и когда достигает нулевого значения, компаратс р 14

отключается и п.ереходит в состояние О. Задний фронт импульса компаратора 14 сбрасывает триггер 16, пневмоклапан 12 закрывается-, фиксируя такое давление в пневмоемкости 10, что

показания дифманометра равны или . близки к нулю.

Объем пневмоемкости 10, величина пневмосопротивления пневмодросселя 1 1 J длительность импульсов Т, и с выбираются таким образом, чтобы за время б давление в пневмоемкости JO превысшю давление в плюсовой камере дифманометра 4, за время Т, - сравнялось с ниМс Этого легко добиться.

варьируя величинами с и - пнев- мосопротивление пневмодросселя П.

Таким образом, к моменту окончания импульса с генератора 17 дифма

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения плотности жидких сред. Цель изобретения - повыше1ше точной- ти и упрощение определения плотности жидкости пнёвмометрическим методом. Способ определения плотности жидкости заклк1чается в том, что воздух продувают за два такта через длинную и короткую измерительные трубки, помещенные в исследуемую жидкость, и компенсатор давления, причем в первом такте продувают воздух через компенсатор и короткую трубку, регулируют давление в компенсаторе так, чтобы перепад давления между ним и короткой трубкой стал равен нулю; во втором такте воздух продувают через компенсатор и длинную трубку, измерякгг перепад давления между ними, по которому судят об искомой величине. 3 ил. i (Л

7 открыт, пневмоклапаны 5, 9 и 12 закрыты, триггеры 16 и 18 находятся в состоянии О. Длительность тактов; равна Т и определяется генератором

близкое к нулю значение, которое, преобразованное в частоту на преобразователе 23, в течение времени Т-Т , формируемого схемой 24 совпадени.н,

1

поступает на вычитаняцни сигзиого счетчика 26.

Пусть характеристика теля 23 имеет вид

; „ t Ку.,

где f - начш1ьная частота, соответствующая нулевому сигналу с дифманометра;

К - чувствительность преобразователя.

Тогда за время первого такта измерения из счетчика 26 спишется число

N, f,(T - Т,) (f, -.- Ку, )(Т - - Т,).

Второй импульс с генератора 17 передним фронтом сбрасывает триггер 18 пневмоклапан 5 закрывается, а пневмо клалан 7 открывается и начинает работать трубка 8. Давление в плюсовой камере дифманометра 4 возрастает,на его выходе появляется сигнал,который в течение времени Т-Т , формируемого схемой 25 совпадения, поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 26 и в него записывается Ы, импульсов:

N, f(T - Т, ) (f; + Ky,j)(T - -Т,).

Таким образом, к концу второго такта в реверсивном счетчике 26 будет число

N N - N, К(Т - Т,)(у - у,) К(Т --Т, )a,pgh,(В)

прямо пропорциональное измеряемой плотности.

В третьем такте это число по сигналу импульса с одновибратора 20 перепишется в регистр 22, а импульсом длительностью Т- Г, формируемым схемой 19 совпадения, сбрасывается реверсивный счетчик 26, и далее работа схемы повторяется.

Таким образом, в регистре 22 всегда находится число, пропорциональное плотности жидкости, определенной в предыдущем цикле измерения.

Из (8) видно, что дрейф нуля преобразователя 23 также не влияет на результат измерения и, :варьируя величиной К или Т, всегда можно добиться условия К(Т - T,) 1 и сразу получить результат в единицах плотности.

30 В

СпосоГ) обладает повышенной точностью, не зависит от таких влияющих факторов, как уровень контролируемой жидкости, избыточное давление, скорость потока, расход воздуха в пнев- ьюлинии, температура, дрейф нуля измерительного преобразователя, падение давления в компенсаторе. Плотномеры, реализующие предлагаемьо способ, могут длительно эксплуатиро- ваться в реальных условиях без настройки и коррекции.

Положительный эффект от использовалил изобретения достигается за того; что параметры компенсатора и п зрепад давления на нем не входят в результат измерения и не влияют на него, в качестве компенсатора можно

использовать не только гидравлический затвор с регулируемой пьезометричес- кой .трубкой, но и более простые и грубые устройства, например, регулируемый дроссель, пневмоемкость с от-

секакхцими клапанами и пр.

В то же время аддитивные погрешности в предлагаемом способе компенсируются в результате взятия разнос- ти показаний во втором и первом тактах а мультипликативные (изменение коэффициента чувствительности и погрешность нелинейности, вызванная от- Л1-гчием реальной статической характеристики от принятой линейной модели)

ослабляются за счет сужения динамического диапазона измерения днфмано- метра и входят в результат измерения не напрямую, а ослабленные в п раз, где п - отношение динамиче ского диапазона изменения давления на трубке к пределу измерения дифманометра.

При увеличении п мультипликативную погрешность можно довести до заданного уровня. Следовательно, в способе отсутствует дополнительная температурная погреш цость (при такой же основной) и он проще реализуется, так как не требует сложного регулируемого компенсатора давления или не требуется измерителя перемещения пьезометрической трубки.

55

Формула изобретения

Способ определения плотности жидкости, заключающийся в продувке воздуха за два такта через длинную и короткую измерительные трубки, помещениые в исследуемую жидкость, и кокшен- сатор давления, регулировании давления в компенсаторе, измерении разности давлений в компенсаторе и измерительных трубках с последующим определением плотности, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения определения, в первом такте продувают воздух через

От ди нанометрег. Ц

компенсатор и короткую трубку, регулируют давление в компенсаторе так, чтобы, перепад давления между сатором и короткой трубкой стал равен нулю, во втором такте продувают воздух через кo lпeнcaтop н даинпую измерктельную трубку, измерякгг перепад давления и по нему судят о плотности жидкости.

КпневмокА 2

,u 7

Г

ueJ

Тиг.з