Денситометр Советский патент 1982 года по МПК G01J1/04 

. 1 . :

Изобретение относится к технике . измерения парак((етров жидкости, содержаций твердые частицы, и может найти применение в денситометрах с для измерения концентрации таких твердых частиц в жидкости, у который диаметры способны изменяться в за- j висимости от работы эг-1ульсификатора|

Известны денситометры для измёре о ния концентрации твердых частиц в жидкой среде, содержащие источник света, фотоприемник и регистрации 1.:

, Однако поскольку частицы пробы jg жидкой среды распределяются в ней по случайному закону, то трудно точ-г но измерить концентрацию или мутность пробы.

Для устранения указанного недос- 20 татка пробу жидкой среды взбалтывают с помощью ультразвукового эмульсификатора так, чтобы получить равномерное распределение частиц и затем оптически измери;ть концентрацию 25 или мутность пробы жидкой среды.

, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности яв1ляется денситометр, содержащий оптически связанные источник света,

ячейку с ультразвуковым эмульсифика:тором, фотоприемник, а также первую вычислительную схему с двумя входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемой 2J.

Известный денситометр обладает низкой точностью, так как в нем отсутствуют средства для нормирования измеряемой величины мутности или концентрации.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в известный денситометр, содержащий оптически связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмульсификатором, фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную ; схему с двумя входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель;, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемой, введены схема синхронизации, с переключателем, содержащая схемы формирования импульсов, инвертор, по две релейных, стробирую щих к одноходных схеглы, и вторая вы числительная схема, содержащая по две стробирукяцих, блокирующих схемы сумматор, на выходе которого устано лен делитель, при этом в схеме синх ронизации выход схемы формирования импульсов соединен со входом одной релейной схемы через инвертор, -а. со входом другой - непосредственно, выходы релейных схем соединеныс пер выми входами стробирующих схем и вхо дами одноходовых схем, вторые вХоды стробируюадах схем соединены с выходом фильтра, а выходы стробирующих схем соединены со входами первой вычислительной схемы, а выходы одно ходовых схем соединены с первыгвд входами стробирующих схем второй вычислительной схемы, вторые входы стробирующих схем второй вычислитель ной схемы.соединены с выходом первой вычислительной схемы, выходы стробирующих схем второй вычислительной схемы соединены со входами блокирующих схем второй вычислительной схемы выходы которых соединены со входами сумматора второй вычислительной схемы, а выход делителя сумматора соеди нен со входом схемы преобразования. На фиг, 1 представлена блок-схема денситометра .с проточной ячейкой и ультразвуковым эмульсификатором; на фиг, 2 - блок-схема электронной части денситометра) на фиг. 3 - некоторые характерные сигналы при рабо те денситометра на фиг, 4 и 5 блок-схемы вариантов первой вычислительиой схемы, на фиг. 6 - рабочие характеристические кривые денситомет ра; на фиг. 7 и 8 - прочие ячейки (кюветы), которые могут использовать ся в денситометре. Денситометр содержит цилиндрическую оптическую ячейку 1, выполненную .из стекла (фиГ,), через которую проходит эмульгированная проба жидкости. Одна проба жидкости содержит нефтепродукты, диаметр частиц которых мал, тогда как другая проба жидкости содержит нефтепродукты, диамет частиц которых велик. Свет, излучаемый источником 2, представляющем собой ксеоиовую лампу, падает на коллиматор 3, который предназначен для преобразования пучка света впараллельный пучок, который проходит через оптическую ячейку 1, и детектируется фотоэлектрическим приемником 4, К эмульсификатору 5 ультразвукового типа подводят электрическую Энергию двух величин, при этом созда ют два потока жидкости А и В, сдвинутые по времени, Причем проба жидкости А содержит частицы небольшого диаметра, а проба жидкости В содержит частицы большего диаметра. Электрическая энергия прикладывается к ультразвуковому эмульсификатору 5 периодически через переключатель 6 от источников 7 и 8 электрической энергии. Переключатель б срабатывает от сигналов генератора 9 , который включается и выключается с постоянной частотой. Источники 7 и 8 высокой и низкой электрической энергии возбуждают магнитостриктор 10. Ультразвуковой эмульсификатор 5 снабжен каналом. 11 охлаждения, через который подается охлаждающая вода к магнитостриктору 10 для предотвращения перегрева последнего. Колебания, создаваег/пле магнитостриктором 10, передаются на излучающее тело 12, которое находится в ; контакте с жидкостью, смешанной с нефтью. Испытуемая жидкость (вода) подается через трубопровод 13 и зазор между наклонным трубопроводом 14 для конвергенции про.бы жидкости и излучающим телом 12 в полость 15, в которой проба воды подвергается вторичному эмульгированию и затем непрерывно подается в оптическую ячейку 1. Между излучающим телом 12 и полостью 15 вставлена тонкая мембрана 16, которая служит для предварительного эмульгирования пробы жидкости. По трубке 17 подачи пробы с nqcТоянной скоростью с помощью ножа 18 подается нефтесод ржащая жидкость, взятая из основного трубопровода (не показан). Эта жидкость затем подается по трубопроводу к эмульсификатору 5, в результате действия которого возникает проба жидкости А, возбужденная электрической энергией высокого уровня и проба жидкости В, возбужденная электрической энергией низкого уровня Pfj, которые поочередно проходят через оптическую ячейку 1. Пробы жидкости Л и В освещают монохроматическим светом, проходящим через оптическую ячейку 1, и попада ют на электровакуумный фотоприемник 4, выходной сигнал которого усиливается усилителем 19 и затем подается на первую вычислительную схему 20, на которую также поступает синхронизирующий сигнал с переключателя, б через синхронный переключатель 21 и схему 22 обработки синхронизирукяцего сигнала. Синхронный переключатель 21 и перекидной переключатель 6 приводятся в действие от выходных сигналов генератора 9. Первая вычислительная схема 20 вычисляет логарифм изменения двух сигналов мутности, полученных с помощью электрических энергий различных уровней. Для того, чтобы знать истинную концентрацию нефти, выходной сигнал первой вычислительной схемы 20 подается на вторую вычислительную схему- 23, которая вычисляет среднее значение выходных сигналов с первой вычислительной схемы 20, Выходной сигнал, пропорциональный концентрации частиц в жидкости, подч1ется через схему 24 преобразования сигнала на устройство. 25 записи (самописец), который записывает измеряемый сигнал концентрации. На фиг. 2 показаны усилитель 26, фильтр 27, вычислительная схема 20, состоящая из схем 28 и 29 блокировку схемы деления 30, схемы 31 логарифмического преобразования и схег/щ 32 умножения. Во вторую вычислительную схему 23 входят стробирукяцая схема 33, первые .входы которой соединены с выходом первой вычислительной схе:мы 20, а выходы - со схемами 34 и 35 блокировки, выходы KOTOpfcJx соединена через сопротивления с сумматором 36 Выход сумматора 36 соединен через делитель 37 со входом схемы 24 преобразования, состоящей из суммирующей схемы 38 и схемы 39 преобразования напряжение-ток. Схема 22 синхронизации состоит из переключателя 21 расположенного перед входом схемы 40 формирования импульса j, работакщий от переключателя 21. Выход схег/ы 40 формирования импульса соединен со входами двух релейных схем 41 и 42, при этом к одной из них соединение осуществлено через инвертор 43, а к другой непосрЗдственно. Выхода релейных схем 41 и 42 соединены с первы1«1и входами стробирующих схем 44 и 45, вторые входы которых связаны с выходом фильтра 27. Б свою очередь, выходы релейньк схем дополн тельно соединены со входс1ми одноходовыэс схем 46 47, выходы которых соединены со в- орыми входами стробирующих схем 33 второй вычислительно схемы 2-3. На фиг., 4 и 5 изображены различные варианты первой вы-1ислительной схемы 20, где соответственно 48 схема отношения логарифмов, 49 и iSO - предусилители, 5. и 52 - логЭ рифмические преобразователи. На фиг. 7 и 8 представлены вариан ты проточных ячеек 53 и 54 для двухлучевых оптических измерительных схем, враадакадееся эоркало 55, играющее роль делителя и модулятора, зеркало 56-59 и ячейки 60 и 61. Денситометр работает следующим образом. Если на нефтесодержащую жидкость подаваемую насосом 18 под постоянным давлением, воздействовать электрической энергией с большим уровнем P-t , то в течение начального периода частица Нефти разделяется на большое число мелких частиц. При этом свет, проходящий через оптическую ггчейку, будет пересекать большое количество частиц. В результате этого интенсивность передаваемого света, воспринимаемого фотоприемником 4, через t. секунд уменьшается от первого состояния It (1) до следующего устойчивого состояния It (1). Затем перекидным переключателем 6 подается электрическая энергия низкого уровня Р от источника 8 к эмульсификатору 5. В результате, этого частица нефти диспергируется в. виде частиц, имеющих относительно больший диаметр по сравнению с частицей нефти, диспергированной в жидкости при действии электрической энергии высокого уровня Р от источника 7. В результате через t «2 секунд интенсивность передаваемого света становится боль-, ше и достигает следукяцего устойчиво- го состояния It (2). В этом случае создается временная задержка между сигналами, при этом сохраняется соотношение t.,, ti2 to. При изме эениях используется условие равенства периодов переключения уровней энергии 5 5(2 S, которые равны 3с. Если концентраций нефти в воде известна, то интенсивность света изменяется волнообразно между It и It . Пусть величина концентрации нефти составляет X, а концентрация сус- i пензированных твердых составляет у, тогда интенсивность It(x) и lt(x) света, прошедшего через кювету,- cor ставляют-(Лд.р:,, . It(x) К-1о-г-10 , (1) . ItCx) K-IO- -IO- : (2). где d и oi - коэффициенты пропорцисг- нальности, оценивающие степень эмульгирования проб А и В/ К и К параметры, определяемые загрязнением ячейки (кюветы) или окраской пробы жидкости, (i и ,р - коэффициенты пропорциональности, определяемые конфигурациягли суспензированных твердых частиц; IQ интенсивность падакяцего света. Параметры К и К зависят от качества оптической ячейки 1, через которую проходят пробы жидкости А и В. Коэффициенты пропорциональности ft я ftV определяигася .суспензированными твердыми частицами у, по существу К К , Э Э . Коэффициенты пропорциональности и ct указывают :на разницу между эмульгированием соответственно при воздействии электрической энергии высокого и низкого уровней Р , Pij. Соотношение между двумя значенияI4K интенсивностей светового излучения It(x) и It(x) может быть определено из уравнений (1) и (2): |..t(x) 10 Tt{xy . Таким образом, где ло1 d. - oL . Если степень эмульгирования нефти достигаемая с помощью электрической энергии, подаваемой на эмульсификатор 5, задается и корректируется по известной величине заранее, то-коэффициенты пропорциональности,.ука. занные выше, становятся известными величинами. В этом случае дйя двух проб, эмульгированные состояния .которых .различаются между собой, соотг ношение между двумя измеренными интенсивностями световых излучений It(у) и It(х) может быть определено и концентрация нефти может быть легко измерена. -:. Когда переключатель 21 замкнут, возбуждается синхронизирующий сигнал в схеме 39 (фиг.2). Этот сигнал.поступает на схемы 41 и 42 формирования импульсов, приЭТОМ на схему 41 сигнал синхронизации поступает чере инвертор 43, а на схему 42 непосред ственно, Схемы 41 и 42 генерируют импульсы заданной длительности с за держкой S t. Принятые световые сигналы интенсивностью It, It проходят через усилитель 26 и фильтр 2 на стробирующие схемы 44 и 45 соответственно одновременно с синхронизирующими импульсами со схем 41 и 4 Сигналы синхронизации поступают так же через .одноходовые схемы 46 и 47 на входы стробирующих схем 33 второ вычислительной схемы 23. Сформированные схема1ми 44 и 45 импульсные сигналы поступают на вхо ды схем 28 и 29 блокировки первой вычислительной схемы 20. Одноходовы схемы 46 и 47 задерживают электрические сигналы, пропорциональные It It 5 на 50 мс. Первая вычислительная схема 20 анализирует оба сигнала, несущих информацию о концентрации пробы и возникающих в результате эмульсификации пробы двумя уровнями электрической энергии. Эти сигналы поступаю далыие на делительную cxer/iy 30, сигнал с которой поступает на логарифмический преобразователь 31 и далее а-схему 32 умножения. Схему уг/вдожения 32 умножает сигнал в 1/до1 по уравнению (3) и приводит шкапу концентраций с делениям от О до 200 В сгоответствие со шкалой напряжений ,фт О до 4 В. Таким образом, эта схема осуществляет операцию масштабирования. Сигналы с первой вычислительной схемы 20 поступают на входы стробИрующих схем 33. На вторые входы этих схем поступают периодические импульс ные сигналы синхронизации со схемы 2-2., С выходов стробирующих схем 33 (сигналы поступают на схемы 34 и 35 блокировки. Поочередность работы схем 34 и 35 осуществляется схемой 22 синхронизации, которая вводит в рабочий синхронный режим вычислительные схемы 20 и 23. Выходные сигналы со схем 34 и .35 подаются через ре- зисторы (не обозначены) на вход суммирукидей схемы 36, работающей в качестве фильтра. Выходной сигнал суммирующей схемы делится делителем 37пополам. Сумг 1ирующая схема 38 снабжена усилителем, на который подается выходной сигнал в диапазоне ; от О до 4 В и напряжение смещения со схемы смещения (не показаны). Выходной сигнал с суммирующей схемы 38 подается на схему 39 преобразования напряжение-ток и преобразуется в сигнал, от 4 до 20 мА. JUiH лучшего понимания работы схемы обработки параметр К, коэффициент и интенсивность света IQ принимаются соответственно К 1, t 1, 1(3 - 10. На фиг. б показаны характеристические кривые различных участков схем обработки сигнала мутности в случае, когда концентрация пробы жидкости, изменяется в функции времени. Если концентрация пробы жидкости увеличивается, то фотоэлектрический ток, имеет форму, показанную на фиг.ба. На фиг.ба форма огибающей It соответствует воспринимаемой интенсивности в тот момент, когд-. эмульсификатор 5 возбуждён электрической энергией низкого уровня, а форма огибающей It соответствует интенсивности, когда эмульсификатср 5 возбуждается электрической энергией высокого уровня. Величина измеренного сигнала усиливается усилителем 26. Если электрическая энергия высокого уровня, возбуждающая эмульсификатор-5, изменяется на электрическую энергию низкого уровня, возбуждение происходит через промежуток времени задержки пиковой величины It (1) соответствующей концентрации. Поскольку эмульсификатор. 5 возбуждается электрической энергией низкого уровня, интенсивность падающего света достигает величины огибающей It . Чере:з промежуток S с интенсивность воспринимаемого света достигает величины огибающей It . В этот момент схема переходит в проводящее состояние и пиковая величина It (1) задерживается конденсатором схемы 29 блокировки. Затем змульсификатор 5 возбуждается вновь электрической энергией высокого уровня, интенсивность поступающего света достигает величины It (2), и схема вновь становится проводящей, а пиковое значение велдчины It (2) испытывает задержку.Эти операции в процессе p iботы повторяются. Как показано на фиг.бв, схема 28 блокировки осущест ляет выборку пиковых величин It (1) It Г), It (3).., каждаае 2S с, и сх ма 29 блокировки сигнала It задерживает пиковые значения It (1), It С2) , It (3)... Выходные сигналы со схем 28 и 29 блокировки подаются через делительную схему 30 и схему логарифмическо го преобразования на умножительную схему 32. В результате этого на выходе первой вычислительной схемы 20 возникает сигнал концентрации х неф ти в функции временного интервала S с, (Фиг.бс). . . -. , jf 40 Х10ЬО, JLgdcs t Ad jiia) , f 3V(g) (Хщ5)...... (4) Фиг,бс показывает изменения концентрации пробы жидкости. С-гупенчатое быстрое изменение сигнала приво дит к прямоугольной форме сигнала с большой аьшлитудой, что затрудняет выделение истинной концентрации. В случае измерен я медленно меняющего ся сигнала пробы жидкости выходной сигнал первой вычислительной схемы 20 может быть тгод;ан через схему 24 преобразования Ъигйала, минуя вторую вычислительную схему 3 к регкс .ратору 25, который показывает иди .записывает измеряемую концентрацию. Вообще при измерении быстро или cty пенчато изменяющейся копцентрацик пробы жидкости,- выходной сигнал пер вой Еычислительной схемы 20 подаётся на вторую вычислительную.схему 23, которая усередняет сигнал кондёнтрации, полученный первой вычислительнсй схемой 20, что связано с тем, что харгистерпстика фильтра сумматора подобрана таким образом чтобы получать путем вычисления истинный сигнал концёнтрадии. Стробирующая схема 33 второй вычислительной схемы 23 поочередно подает выходной сигнал с первой вычислительной схемы 20 через каждые S с на схемы блокировки. В этом слу чае стробирующий импульс вентильных схем составляет около 10 мс и выход ной сигнал одноходовых схем составляет величину по длительности порядка 50 мс. Эти стробирующие сигна лы и выходные импульсы одновременно возникают и подаются на первую и j вторую вычислительную схемы 20 и 23 соответственно. В результате этого, концентрация х нефти, определяемая уравнением (4),распределяется на каждую из схем 34 и 35 блокировки второй схемы вычисления каждые 2 с: схема блокировки сигнала ), x{3), х(5), x(7)v..;,схема блокировки сигнала (2) ,хС4) , х(6) , х(8). ... В суммирующей схеме 36 два выходных сигнала со схем 34 и 35 ; блокировки сунФетруются, В этом случае выходной сигнал суммирующей схё-г мы подается обратно через резистор : и конденсатор на инверсный вход усилителя, переводит суммирующую схему 36 в режим фильтра, имеющего постоянную времени ( , которая равна приблизительно 3 с. Таким образом завершается операция усреднения сигнала второй вычислительной схемой 23. Такая операция усреднения вызывает появление выходных сигналов на выходе второй вычислительной схемы 23, которые следуют за быстрыми изменениями кон- центрации нефти (фнг.6d). Кроме того, поскольку суммирующая схема 36 действует как фильтр, то регистри«руется истинное значение концентрации нефти. Для того, чтобы согласовать передачу выходного сигнала первой и второй вычислительной cxei-i 20 и 23 на индикатор, к суммирующей схеме схемы 24 преобразования сигнала добавлены опорное напряжение со схемы смещения и схема преобразования напряжение-ток (не показаны). . Схемы обработки сигнала мутность концентрация (вычислительные схемы) могут быть различны. Например, на фиг.,4 показан другой вариант выпал- г нения первой вычислительной схемы 20;. Выходной сигнал -с фотоприемника 4 i прикладалвается через усилитель 19 к схеме 31 логарифмического преобразования, которая преобразовывает входной сигнал в сигнал пропорциональной логарифму. Схема 22 обработки сигна-, ла синхронизации приводится в действие перекидным переключателем 21, i который управляет схемами 34 и 35 блокировки. Дальше оба логарифма log It и log It подаются на схему вычитания (не показана), выходной сигнал с которой прикладывается ко второй вычислительной схеме. 23. На фиг. 7 и 8 показаны два видоизмененных варианта конструкции оптической ячейки f на фиг. 7 - оптические ячейки, соединенные параллель.но, а на фиг. 8 - оптические ячейки, соединённые последовательно. На фиг, 7 обе оптические ячейки : 53 и 54 снабжены отводящими трубками 13. Эти отводящие трубки соединены С трубопроводом 17. Передаваемые све товые пучки So и Se, .проше,тггае через эмульгированную пробу жидкостей А и В, измеряются оптической системой. ;В оптической системе свет излученный источником 2, делится вра1вда1ощимся зеркалом 55 на два световых пучка которые направлжотся двумя жестко установленными зеркалами 56 и 57 на оптические ячейки 53 и 54 Световые пучки, прошедаше через оптические ячейки, падают на другие жестко уста новленные смесительные зеркала 58 и 59 и, отражаясь от них, падшэт на /фотоэлемент 4, который детектирует световые скгнгшы Sci и SB. В этом варианте денситометра вычп лительные схемы 20 и 23 управляются синхронизируюьщми сигналами, полученныг/ш с вращакицегося зеркала 55. Если зеркало 55 вращается с высокой скоростью, то можно опустить вторую вычислитеяь ную схему 23. На фиг. 8 показаны эмульсификаторы 5, оптические ячейки 0 и 61/ Соединенные последовательно. Оптичей кие ячейки 60 и 61 расположены параллельно между собой. Световые излу чения, non eittmie от двух источнико а света, падают на оптические ячеЙкиУ а прошедшее через них световое из/лучение So. и. S6 попадае т на фотоэлементы, которые работают автономно. Таким образом, предлагаемый денситометр с различными вариантами вычислительных схем позволяет повысить точность измерений. Формула изобретения Денситометр, содержащий оптически связанные источник света, ячейку с ультразвуковыгл эмульсификатором,. ФотЬприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную схему с двумя i

000

Я входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены схема синхронизации с переключателек4, содержащая схемы формирования импульсов, инвертор, по две релейных, стробирукяоих и одноходових схемы, и вторая вычислительная схема, содержащая по две стробируквдих, блокирующих схемы, сумматор, на выходе которого установлен делитель, при этом а схерле синхронизации выход .схемы формирования импульсов соединен со входом одной- релейной схемы через инвертор, а со входом другой - непосредственно, выходы релейнлх схем соединены с первыми входами стрсбирукидих схем и входаш1 бдноходовых схем, вторые входы . стробирующих схем соединены с выходом фильтра, а выходы стробирующих схем сое;г(инень1 со входами первой вычислительной схемы, выходы одноходовых схем лзоедннены с первьми входами стробирующих схем второй вычислительной схемы, вторые входы стробирующих схем йвторой вычислительной схемы со-; единены с выходом первой вычислительной схемы, выходы стробарующих схем второй вычислительной схемы соединена со входами блокирующих схем второй | вычислительной схемы, выходы которых соединены со входами сумматора второй вычислительной схемы, а выход делите ля сумматора соединён со входом схемы преобразования. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США №3704950, кл, 356-73, опублик. 1972. 2,Патент США.№5704950, ;кл. G 01 J 1/04, опублик. 1975 (прототип) .

-и-11и Jи

. рГ 3 JJ T7

Jtd) Л(г) Jfd) lifs) ltY3} jif«)

фигЗ

li

К

yf

JP

0uf.S

fffOPPm

L

.«

Ш1

ffPPm fBOPPm

Xfj)

x(o) xft) х(г)

Й

OPPr

-.Tri

JO

fOV

je(x)

n(x)

383

0 10

70Ц

ifM

3fO

, toy I

wго

еЧ.5гfO5.959J3

1

gg ШЗ -

It{X)

JtM

( 3.4 Ъ.Ш г.№

1 гм

-T-i.

r.m

СЖ

t f J ь I

fi/JJ

If

W

фиг.В