Плотномер жидкостей Советский патент 1993 года по МПК G01N9/00 

у

Ё

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к автоматическим плотномерам жидкости, предназначенным для непрерывного измерения плотности контролируемой жидкости и преобразования результатов измерения в стандартный выходной сигнал. Предлагаемый плотномер может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности для контроля плотности жидких технологических сред.

Целью изобретения является повышение точности определения.

На чертеже приведена схема предложенного поплавкового плотномера.

Плотномер содержит два основных бло ка: измерительную кинематическую 1 и блок формирования выходного

сигнала 2. Измерительная кинематическая

система 1 содержит проточную камеру 3, в которой размещен поплавок (жесткий, ци- .линдрической формы) 4, соединенный полым штоком 5, имеющим опору вращения 6 с блоком формирования выходного сигнала 2. Вывод штока 5 из проточной камеры 3 герметизирован разделительным сильфо- ном 7. Проточная камера 3 снабжена входным 8 и выходным 9 штуцерами. Внутри поплавка 4 размещен блок температурной . компенсации, содержащий компенсационную полость 10, размещенную на переднем торце поплавка и узел компенсационного сильфона 11, размещенный на заднем торце поплавка. Полость компенсационного сильфона 11 капилляром 12 сообщена с компенсационной полостью 10. Узел компенсационного сильфона 11 содержит компенсационный сильфон 13, подвижный бурт которого соеди00

о

О) 00

го

ней штоком 14 с траверсой 15, с которой посредством шпилек 16 с гайками 17 связан компенсационный груз 18. Груз 18 перемещается по направляющей 19, через пазы в которой проходит траверса 15. Направляющая 19 закреплена на внутренней стенке 20 компенсационной полости 10 и на торце полости компенсационного сильфона 11. На переднем торце поплавка 4, внутри компенсационной полости 10 размещен регулировочный сильфон 21, подвижный бурт которого соединен регулировочной шпилькой 22 с наружным торцем полого штока 5 с помощью П-обрэзного кронштейна 23 и гаек 24. Проточная камера плотномера 3 заполнена контролируемой жидкостью 25, а компенсационная полость 10 и полость узла компенсационного сильфона 11 заполнены компенсационной жидкостью 26.

Блок формирования выходного сигнала 2 содержит рычаг 27, закрепленный на штоке 5. С рычагом 27 соединены подвижные бурты сильфонов обратной связи 28 и 29 и заслонка 30, прикрывающая сопло 31. В блок 2 входит также узел корректирования нуля с пружинами 32 и 33 и винтом настройки нуля 34, а также пневмоусилитель 35 и жидкостный демпф.ер 36,. .

Плотномер работает следующим образом. Контролируемая жидкость 25 через входной штуцер 8 входит в проточную камеру 3, омывает поплавок 4 и выходит через выходной штуцер 9. На поплавок 4 со стороны контролируемой жидкости 25 действует выталкивающая сила, поворачивающая кинематическую систему плотномера (рычаг 5 и сильфон 7) на некоторый угол. При этом на блоке формирования выходного сигнала 2 формируется выходной сигнал, пропорциональный плотности контролируемой жидкости 25: рычаг 27, поворачивается на такой жегугол, как и шток 5 относительно опоры 6. При этом изменяется зазор между заслонкой 30 и соплом 31, и изменяется давление, отрабатываемое узлом сопло-заслонка, Это давление, усиленное пневмоусилите- лем 35, является выходным сигналом плотномера Рвых. Это же давление Рвых вводится в полости сильфонов обратной связи 28 и 29, формируя усилие силовой компенсации и обеспечивая тем самым высокую точность измерений. Начальное значение выходного сигнала настраивается винтом корректора нуля 22. В установившемся режиме (при постоянной плотности контролируемой жидкости и постоянной ее -температуре) выходной сигнал плотномера устанавливается равным какому-то постоянному значению.

При изменении плотности контролируемой жидкости устанавливается новое соотношение между выталкивающей и погружающей силами, действующими на поплавок, и устанавливается новое значение выходного сигнала.

При неизменной собственной (физической) плотности контролируемой жидкости, но при изменении ее температуры, изменится действительное значение плотности жидкости: при повышении температуры - плотность уменьшится, при понижении температуры - плотность увеличится. Соответственно изменится и величина выталкивающей

силы Рвыт., действующей на поплавок, а значит и выходной сигнал изменится в соответствующую сторону. Для исключения влияния изменения температуры контролируемой жидкости на

результаты измерения плотности этой жидкости необходимо такое компенсирующее воздействие на измерительную кинематическую систему плотномера со стороны блока температурной компенсации, при котором

при любых значениях температуры контролируемой жидкости (при неизменной собсту венной плотности жидкости) выходной сигнал плотномера оставался бы неизменным.

Условие равновесия кинематической системы плотномера при любых температурах (но постоянной плотности) контролируемой жидкости имеет вид:

35ДМР ДМк

где ДМр А Рвыт U,

О) (2)

. ДМр - изменение рабочего крутящего момента плотномера относительно опоры вращения 6;

ДРвыт - изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, от изменения температуры на величину At;

Ln - расстояние от оси опоры вращения 6 до геометрического центра поплавка;

ДМК - изменение компенсационного крутящего момента относительно оси опоры вращения 6.

Изменение компенсационного крутящего момента зависит только от изменения положения груза 18 относительно опоры вращения 6, т.к. центр масс остальных частей поплавка остается неизменным.

Положение же груза 18 относительно опоры 6 (величина плеча Цр) зависит от объема компенсационной жидкости 26 в компенсационной полости поплавка. При увеличении температуры контролируемой

жидкости 25 увеличивается и температура компенсационной жидкости 26. Объем компенсационной жидкости увеличивается, компенсационный сильфон 13 сжимается и перемещает компенсационный груз 18 в сторону опоры вращения 6. При понижении температуры контролируемой жидкости понизится и температура компенсационной жидкости, объем ее уменьшится и компенсационный груз переместится в противоположную сторону. Изменение компенсационного усилия, вызванное изменением температуры контролируемой и компенсационной жидкости определяется выражением

ДМ

Jrp

ALrp,

где Grp - масса компенсационного груза;

ALrp - температурное изменение плеча- положения груза относительно опоры 4.

Изменение рабочего крутящего момента, вызванное изменением температуры контролируемой жидкости на величину At определяется выражением

ДМр-Vn -p-fa :At- Ln, (4)

где Vn - наружный объем поплавка;

р- плотность контролируемой жидкости;

/Зи - коэффициент температурного объемного расширения измеряемой (контролируемой) жидкости.

Температурное изменение плеча груза AUp зависит от изменения объема компен- с ационной жидкости:

i - . лл

Lrp--s(5)

где А /к.ж. - температурное изменение объ- е;ма компенсационной жидкости от изменения температуры на величину At;

SK эффективная плбщадь компенсационного сильфона.

Температурное изменение объема компенсационной жидкости определяется выражением:

АУк.ж. VK.x. At,

(6)

где Ук.ж. - объем компенсационной жидкости в компенсационной полости,

- коэффициент температурного объемного расширения компенсационной жидкости.

Подставив (6) в (5), а затем (5) - в (3), получим

VK

-At

SK

(7)

Подставив (4) и (7) в (1) получим:

..о А I Г К.Ж. Рк At ,m

Vn р ри At Ln Grp . (8)

Уравнение (8) выражает условие обеспе10 чения температурной компенсации плотномера для принятых конструктивных характеристик плотномера (объема поплавка, веса компенсационного груза, объема жидкости в компенсационной полости, эф15 фективной площади компенсационного сильфона, длины плеча от оси опоры вращения до геометрического центра поплавка), от плотности контролируемой жидкости и от коэффициента объемного расширения кон20 тролируемой и компенсационной жидкостей.

Из (8) получаем выражение для определения необходимого объема компенсационной жидкости (при известных остальных

25 параметрах плотномера):

VK

Уп р Ai -SK Ln

Grp /Зк

(9)

Если же задаться количеством компенсационной жидкости Ук.ж., то из (8) можно определить массу компенсационного груза, необходимого для обеспечения темлератур- ной компенсации плотномера;

Уп /о -Зк Ln

Grp --у г . /j--- .

«.ж. РК

(10)

Оперируя выражениями (8), (9) и (10), можно выбрать оптимальные конструктивные параметры плотномера..

Из выражений (6) и (5) видно, что при уже выбранных остальных конструктивных параметрах плотномера, наибольшее изменение плеча установки компенсационного груза обратно пропорционально эффективной площади компенсационного сильфона SK. Т.е. чем меньше эффективная площадь этого сильфона, тем эффективней температурная компенсация.

Следует также указать, что начальное равенство моментов относительно опоры вращения от воздействия на поплавок выталкивающей и погружающей сил имеет

вид:

Ln См.п. LM.D. + G

Ф

-гр

(11)

где GM.H. - вес металлоконструкции поплавка (без массы компенсационного груза);

1-м.п. - величина плеча от оси опоры вращения до центра масс GM.n.;

Lrp - величина плеча от оси опоры вращения до оси балансировочного груза.

Из (11) следует, что чем больше плечо Lrp (т.е. чем дальше компенсационный груз размещен от опоры вращения), тем меньше масса компенсационного груза по абсолютной величине, а значит и меньше суммарная масса поплавка.

Минимальная температурная инерционность системы термокомпёнсации плотномера достигается размещением максимального количества компенсационной жидкости в зоне интенсивного теплообмена с контролируемой жидкостью - на торцах поплавка; С этой же целью ограничен до минимума объем компенсационной жидкости внутри компенсационной полости.

-Для обеспечения соблюдения условий равенства (8) в реальных условиях, когда все конструктивные элементы плотномера имеют естественные отклонения от номинальных величин (за счет поля допусков на размеры, за счет разброса эффективных площадей сильфонов, которые достигают 25 - 40% от номинала) в предлагаемом плотномере имеется механизм регулирования объема компенсационной жидкости: изменяя деформацию регулировочного сильфона 21. (вращением гаек 24), при зафиксированном донышке сильфона 13, изменяют в большую или меньшую сторону объем компенсационной полости (до ее герметизации), а следовательно, и объем компенсационной жидкости.

Узел регулирования выполняет еще одну функцию: вращением гаек 24, при незафиксированном положении донышка сильфона 13, изменяют деформацию регулировочного сильфона 21 (при герметизированной компенсационной полости), что

приводит к перемещению донышка компенсационного сильфона 13, а следовательно, и к перемещению компенсационного груза 18 в ту или иную сторону. Таким образом устанавливается оптимальное исходное положение груза, что обеспечивает усреднение (оптимизацию)температурной погрешности плотномера. При этом очень важным отличием предлагаемого плотномера от плотномера-прототипа является возможность регулирования положения компенсационного груза .снаружи (вращением гаек 24) на работающем плотномере.

Таким образом, предлагаемая конструкция плотномера с блоком термокомпенсации, имеющим устройство регулирования количества компенсационной жидкости и оптимального положения компенсационного груза снаружи (при работающем плотномере)

обладает существенными преимуществами перед плотномером-прототипом, значительно улучшая эксплуатационные характеристики плотномера.

Формула и зобретения

Плотномер жидкостей, содержащий проточную камеру с упругим гермовыво- дом, измерительную кинематическую систему с поплавком, штоком и опорой вращения, соединенную с блоком-формирования выходного сигнала, и размещенг ный внутри поплавка жидкостно-грузовой блок температурной компенсации с°компенсационным и регулировочным сильфо- нами, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности определения, шток выполнен полым, внутри штока дополнительно установлена регулировочная шпилька, компенсационный и регулировочный силь- фоны блока температурной компенсации

размещены на противоположных торцах поплавка, а подвижный бурт регулировочного сильфона регулировочной шпилькой соединен с наружным торцом полого штока 1/1зме- рительной кинематической системы.