Результат интеллектуальной деятельности: Имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа для жидкостей с большой плотностью

В настоящее время известно множество устройств для измерений плотности жидкости в резервуарах - плотномеров. Широкое распространение получили плотномеры поплавкового типа. Наиболее точными плотномерами из этого класса являются магнитострикционные поплавковые плотномеры. Известно два основных вида таких плотномеров:

1 - с частичным погружением поплавка для измерений плотности в поверхностном слое жидкости (поверхностные двухпоплавковые плотномеры: поплавки уровня и плотности), например, описанные в патентах RU №2138028 G01F 23/68, G01N 9/10 от 05.08.1998 г., US 7,278,311 G01F 23/76 от 24.05.2006 г., RU №2351903 G01F 23/28 от 17.12.2007 г., РФ RU №2710008 G01F 23/68 от 17.05.2019 г.;

2 - с полным погружением поплавка для измерений плотности в любом слое жидкости по высоте резервуара (погружные однопоплавковые цепочные плотномеры), например, описанные в патентах RU №2273838 G01N 9/12, G01F 23/62 от 19.05.2005 г., RU №2308019 G01N 9/12 от 20.04.2006 г.

Так как плотномер является средством измерений, то существует задача определения качества измерений, главной характеристикой которого является погрешность измерений - отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Определение погрешности измерений осуществляется в процессе поверки средств измерений после их изготовления или ремонта - первичная поверка и в процессе эксплуатации - периодическая поверка.

При поверке плотномеров используются следующие основные способы:

1 - прямое измерение поверяемым плотномером плотности стандартного образца жидкости с известной плотностью, находящейся в диапазоне измерений плотности поверяемого плотномера;

2 - сличение показаний поверяемого плотномера и эталонного плотномера, при измерении плотности жидкости - компаратора, причем плотность компаратора должна находиться в диапазоне измерений плотности поверяемого и эталонного плотномеров.

Известные способы поверки плотномеров обладают существенными недостатками.

Первый способ:

- стандартные образцы компараторов имеют высокую стоимость и ограниченный срок службы из-за загрязнения в процессе проведения поверок;

- набор стандартных образцов ограничен по значениям плотности.

Второй способ:

- при поверке плотномеров для вредных, взрывоопасных и горючих жидкостей необходимо соблюдать установленные требования техники безопасности и охраны труда, что существенно усложняет и удорожает поверку плотномеров, после поверки необходимо очищать средства измерений от опасных жидкостей и проводить утилизацию этих жидкостей.

Наиболее распространенным способом поверки плотномеров поплавкового типа является способ сличения показаний поверяемого плотномера с показаниями эталонного плотномера при измерении плотности жидкости (компаратора), недостатки которого описаны выше. Указанный способ изложен в Государственной поверочной схеме для средств измерений плотности, утвержденной приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 ноября 2019 г. №2603. Согласно этому способу (п. 7.2) «Рабочие эталоны применяют для передачи плотности средствам измерений плотности сличением при помощи компаратора… В качестве компаратора применяют воду, жидкости углеродного состава, растворы кислот, растворы Туле, сжиженные углеводородные газы».

Известен имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей и сжиженных газов, описанный в патенте РФ №2730403 G01N 9/10 от 12.03.2020 г., который является наиболее близким к заявляемомому способу, и заключающийся в измерениях плотности компаратора (жидкости) с помощью поверяемого поплавкового плотномера и эталонного плотномера, и определении абсолютной погрешности измерений плотности, при этом в качестве компаратора используется вода или другая жидкость без вредных, взрывоопасных и горючих свойств с плотностью выше диапазона измерений поверяемого плотномера, перед измерением плотности на поплавок поверяемого плотномера в нижней его части закрепляются симметрично в диаметрально противоположных точках два груза определенной массы, обеспечивающие сдвиг шкалы диапазона измерений плотности поверяемого плотномера до значения плотности компаратора, поверка проводится при нормальном атмосферном давлении, после проведения поверки грузы с поплавка плотности снимаются.

Сущность известного имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа для ядовитых, взрывоопасных, горючих жидкостей и сжиженных газов заключается в следующем. При поверке плотномеров на поплавок плотности плотномера в нижней его части закрепляются симметрично в диаметрально противоположных точках два груза определенной массы для сдвига диапазона измерений плотности и плотномер помещается в жидкость (компаратор), в качестве которого, например, применяется вода. При этом плотность компаратора выше диапазона измерений плотности поверяемого плотномера. Плотность компаратора измеряется с помощью эталонного плотномера и поверяемого плотномера, при этом определяется абсолютная погрешность измерений плотности поверяемого плотномера по формуле:

где ρ_изм. - значение плотности компаратора, измеренное поверяемым плотномером с учетом сдвига шкалы диапазона измерений;

ρ_эт. - значение плотности компаратора, измеренное с помощью эталонного плотномера.

Суммарная масса грузов выбирается такой, чтобы обеспечить сдвиг шкалы диапазона измерений поверяемого плотномера на величину ρ_сдв., после чего плотномер может измерять плотность компаратора (воды) с грузом и плотность жидкости в резервуаре без груза.

где ρ_пл. - значение плотности жидкости в диапазоне измерений плотномера.

Таким образом, можно поверять плотномеры в любом диапазоне измерений плотности, имеющем ограничение:

где ρ_к - плотность компаратора.

Как видно из описания, известный имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа позволяет производить поверку плотномеров для жидкостей, плотность которых меньше или равна плотности воды.

Однако часто возникает необходимость поверки плотномеров, работающих в жидкостях с плотностью больше плотности воды.

Задачей, для решения которой предназначен заявляемый имитационный способ поверки плотномеров поплавкового типа для жидкостей с большой плотностью, является создание имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа используемых в резервуарах для жидкостей с большой плотностью, в том числе для вредных, взрывоопасных, горючих жидкостей с применением в качестве компаратора воды или другой жидкости без вредных, взрывоопасных и горючих свойств и поверки плотномеров при атмосферном давлении, что позволит значительно уменьшить затраты на проведение поверки и создать безопасные условия поверки.

Поставленная задача достигается созданием имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа для жидкостей с большой плотностью, используемых для вредных, взрывоопасных и горючих жидкостей, заключающийся в измерениях плотности компаратора (жидкости) с помощью поверяемого поплавкового плотномера и эталонного плотномера и определении абсолютной погрешности измерений плотности, при этом в качестве компаратора используется вода или другая жидкость без вредных, взрывоопасных и горючих свойств с плотностью ниже диапазона измерений поверяемого плотномера, на поплавке поверяемого плотномера имеется приспособление для крепления груза определенной массы, при этом масса поплавка без груза рассчитывается для плотности используемого компаратора, например, дистиллированной воды, поверка проводится в компараторе без подвески груза при нормальном атмосферном давлении, после проведения поверки груз подвешивается к поплавку и обеспечивается сдвиг шкалы диапазона измерений плотности поверяемого плотномера до значения плотности жидкости в резервуаре, вес груза определяется величиной плотности жидкости в резервуаре.

Рекомендации для правильного выбора компаратора приведены в книге «Артемьев Б.Г., Лукашов Ю.К. Справочное пособие для специалистов метрологических служб. - М.: ИПК - Издательство стандартов, 2004. - 840 с.», на стр. 187 «К четвертой группе относятся компарирующие факторы (в том числе... естественные среды). Для этих факторов требуется лишь стабильность во времени и однородность в объеме, достаточном для размещения сличаемых средств измерений.… Абсолютное значение величин, характеризующих эти факторы, не так существенно. Необходимо лишь, чтобы они обеспечивали функционирование сличаемых средств в их диапазонах измерений. Достаточно контролировать их стабильность».

Из выше приведенного следует, что, например, вода полностью соответствует требованиям, предъявляемым к компараторам.

Математические вычисления, используемые при реализации заявляемого имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа приведены ниже для двух видов поплавковых плотномеров: двухпоплавковых (поверхностных) с частичным погружением поплавка плотности в жидкость и однопоплавковых (погружных) с полным погружением поплавка плотности в жидкость.

Поверхностный плотномер (двухпоплавковый) с частичным погружением поплавка плотности.

Уравнение равновесия поплавка плотности в рабочем диапазоне измерений (с грузом):

где ρ₁ - плотность жидкости;

М_П - масса поплавка плотности;

М_Г - масса груза;

V_П1 - объем погруженной части поплавка плотности в жидкость с плотностью, равной ρ₁;

V_Г - объем груза, который равен

где ρ_Г - плотность материала груза.

Уравнение равновесия поплавка уровня в рабочем диапазоне измерений

где М_У - масса поплавка уровня;

V_У1 - объем погруженной части поплавка уровня при плотности, равной ρ₁.

После сложения уравнений (4) и (6) получим:

отсюда

Уравнение равновесия поплавка плотности при поверке с применением компаратора с плотностью, равной ρ₂ (без груза):

где V_П2 - объем погруженной части поплавка плотности в жидкость с плотностью, равной ρ₂ (компаратор).

Уравнение равновесия поплавка уровня при поверке с применением компаратора с плотностью равной ρ₂:

где М_У - масса поплавка уровня;

V_У2 - объем погруженной части поплавка уровня в жидкость с плотностью ρ₂.

После сложения уравнений (9) и (10) получим:

отсюда

Сдвиг шкалы диапазона измерений плотномера при поверке без груза

причем

После подстановки в формулу (13) значений ρ₁ и ρ₂ из формул (8) и (12) получим

Таким образом, изменяя массу груза можно провести поверку поверхностного поплавкового плотномера в компараторе (например, в воде) в любой точке диапазона измерений плотности поверяемого плотномера (определить погрешность измерений плотности, измеряя плотность компаратора эталонным плотномером) при условии соблюдения условия (14).

Погружной плотномер (однопоплавковый цепочный с полным погружением поплавка плотности).

Уравнение равновесия поплавка плотности в рабочем диапазоне измерений плотности (с грузом):

отсюда

где ρ₁ - плотность жидкости;

М_П - масса поплавка плотности;

М_Ц - масса цепочной подвески;

М_Г - масса груза при поверке;

V_П - объем поплавка плотности;

V_Ц - объем цепочной подвески;

V_Г - объем груза.

где ρ_Г - плотность материала груза.

Уравнение равновесия поплавка плотности при поверке с применением компаратора с плотностью, равной ρ₂ (без груза):

отсюда

где ρ₂ - плотность компаратора;

в свою очередь

где L_Ц - длина цепочной подвески;

М_ЦП - погонная масса цепочной подвески;

где ρ_Ц - плотность материала цепочной подвески.

Сдвиг шкалы диапазона измерений плотномера при поверке с грузом

причем

После подстановки в формулу (23) формул (17) и (20) получим

Таким образом, изменяя массу груза можно провести поверку погружного плотномера в компараторе (например, в воде) в любой точке диапазона измерений плотности поверяемого плотномера (определить погрешность измерений плотности, измеряя плотность компаратора эталонным плотномером) при условии соблюдения условия (24).

На предприятии были проведены испытания по определению погрешности измерений плотности плотномеров для измерения плотности тосола сначала на компараторе, в качестве которого была применена дистиллированная вода, и затем непосредственно в тосоле. Результаты определения погрешности измерений плотности совпали в обоих случаях с учетом погрешности эталонных средств измерений.

Испытания были проведены как на поверхностных (двухпоплавковых) плотномерах, так и на погружных (однопоплавковых цепочных) плотномерах. Полученные результаты полностью подтвердили точность предлагаемого имитационного способа поверки плотномеров поплавкового типа для жидкостей с большой плотностью.