ПЛОТНОМЕР ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ С НИЗКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ

Изобретение относится к устройствам для измерения плотности жидкостей, в том числе расслаивающихся по высоте, например нефтепродуктов.

Известно множество устройств поплавкового типа для измерения плотности жидкостей, обзор которых хорошо представлен в книге С.С.Кивилиса «Плотномеры», изд. «Энергия», М., 1980 г. Все эти плотномеры классифицируются по двум функциональным принципам - с частичным погружением поплавка и с полным погружением поплавка.

Показания плотномеров с частичным погружением поплавка, т.е. находящегося на поверхности, зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Это приводит к снижению точности измерений.

Исключить влияние поверхностного натяжения позволяют плотномеры с поплавками полного погружения (поплавково-весовые плотномеры). К числу плотномеров полного погружения относятся так называемые цепочные плотномеры, принцип работы которых изложен в книге С.С.Кивилиса «Плотномеры». Использование цепочек позволяет уравновешивать поплавок в широком диапазоне плотности.

Техническое описание погружного плотномера представлено в патенте Великобритании GB №2013900 A G01N 9/18, опубл. 15.08.1979 г., содержащего поплавок с цепочкой и систему электродов, связанной с мостовой схемой, для оценки электрической проводимости жидкости и определения положения поплавка путем измерения сопротивления зон жидкости. Однако это устройство пригодно только для измерения плотности электропроводящих жидкостей, например электролитов, и не позволяет измерять плотность непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов.

Интересным техническим решением является устройство для измерения уровня и плотности по патенту RU 2188400. (G01N 9/10, опубл. 27.08.2002 г.). Устройство содержит блок преобразователя, включающий усилитель-формирователь, генератор импульсов, счетчик, регистр памяти, регистр с параллельным вводом и последовательным сдвигом информации, два формирователя импульсов запуска, дешифратор адреса, формирователь сигнала готовности, формирователь блокировки, два ключа, шину обмена, четыре мультиплексора, дешифратор адреса датчика и k датчиков уровня и плотности. Каждый из датчиков содержит установленные в защитном кожухе звукопровод в виде струны из магнитострикционного материала, катушку считывания и два поплавка с расположенными на них магнитами. Датчики установлены в два ряда и смещены по высоте относительно друг друга для обеспечения перекрытия рабочих зон. В верхней части всех датчиков, кроме верхнего, установлены жестко прикрепленные и герметично закрытые в верхней части кожухи из немагнитного материала в форме колокола, внутрь которых с нижней стороны в процессе работы могут заходить поплавки датчиков с закрепленными на них магнитами. Устройство позволяет измерять плотность на разных уровнях в резервуаре, однако оно обладает рядом недостатков:

1. Измерение плотности осуществляется под колпаком, где искусственно создана граница раздела сред (воздух-жидкость). Поплавки плотномера работают на этой границе раздела сред, и в связи с этим имеются дополнительные погрешности, которые зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое в свою очередь определяется рядом факторов (смачиваемости поплавков, наличия мениска, изменения давления, температуры и т.д.) и, как правило, является переменной величиной.

2. Наличие колпака с воздушной подушкой ограничивает давление, в котором можно измерять плотность (например, совершенно непригодно для сжиженного газа).

3. Преобразователь перемещения измеряет относительное расстояние между поплавками (уровня и плотности), а не положение одного поплавка, что приводит к дополнительным погрешностям.

Интересное техническое решение представлено в плотномере, описанном в авторском свидетельстве СССР №397813 G01N 9/10, опубл. 17.09.1972 г. Указанный плотномер содержит погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок с установленным на нем магнитом, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, причем поплавок выполнен в виде тороида, охватывающего размещенный в трубчатом корпусе из немагнитного материала преобразователь перемещения поплавка, выполненный в виде феррито-полупроводникового распределителя, подключенного к выходу генератора тактовых импульсов.

Указанный выше плотномер обладает высокой помехоустойчивостью. Однако его разрешающая способность определяется размерами одного элемента феррито-полупроводникового распределителя и расстоянием между соседними элементами, т.е. его показания носят дискретный характер, и увеличение его точности и чувствительности требует увеличения количества феррито-полупроводниковых элементов и уменьшения их геометрических размеров (например, для относительной погрешности 0,1% и перемещении поплавка 10 см необходимо 1000 шт. феррито-полупроводниковых элементов, а размер их должен быть 0,1 мм, на практике сейчас такие феррито-полупроводниковые распределители не реализуемы). Кроме этого, с помощью одного плотномера нельзя производить одновременные измерения на разных уровнях, что бывает необходимым требованием при измерении плотности расслаивающихся жидкостей, например нефтепродуктов. Поэтому решение задачи по измерению плотности на разных уровнях требует установки нескольких плотномеров, а это при использовании феррито-полупроводникового распределителя прямопропорционально удорожает измерительную систему, которая будет состоять из нескольких плотномеров. Обращает на себя внимание также конструктивная особенность крепления цепей в известном плотномере: одним концом они прикрепляются к поплавку снизу, а вторым концом укреплены в основании трубы, т.е. на условной границе разделе сред (воздух - жидкость), при этом измерение на большой глубине не реализуемо из-за слишком большой длины цепей. Кроме этого, следует отметить, что недостатком данного плотномера, также как и других известных цепочковых плотномеров, является ограниченная рабочая зона, определяемая протяженностью измерительного элемента (в данном случае феррито-полупроводникового). Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на цепочки и поплавки, которые приходится изготавливать либо крупногабаритными с большим количеством цепочек или цепочки должны изготавливаться из тяжелых металлов, например из платиноиридиевых сплавов, что делает их весьма дорогостоящими. Но наиболее серьезным недостатком феррито-полупроводникового преобразователя является узкий температурный диапазон, связанный с потерей магнитных свойств используемых материалов как при низких (ниже минус 60°), так и при высоких температурах (выше 100°С). Это существенно ограничивает область использования указанных плотномеров, например для измерения плотности сжиженных газов и высокотемпературных расплавов (в химической промышленности).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому плотномеру является плотномер, описанный в патенте РФ №2273838, опубл. 10.04.2006 г. Указанный плотномер для жидкости, содержит погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок в виде тороида с размещенными в нем магнитами, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, помещенный в трубчатый корпус из немагнитного материала, охватываемый тороидольным поплавком, при этом преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде магнитострикционного волновода с расположенной на нем катушкой считывания и подключенным к нему формирователем импульсов, катушка считывания подключена к входу усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, уравновешивающие цепочки поплавков прикреплены одним концом к поплавку, а другим концом к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя перемещения, а количество поплавков и элементов их крепления составляет n штук с расположением их на разной высоте в зависимости от необходимого числа точек измерения плотности жидкости.

Указанный плотномер обладает непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном рабочих температур и хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на разных уровнях без привязки к границе условного раздела сред, без увеличения сложности измерителя перемещения поплавка при достаточно большой длине плотномера (несколько метров).

Однако для измерения низкой плотности жидкостей, например сжиженного газа, в указанном плотномере требуется использование поплавка с подвеской цепочки выше поплавка, при которой в нижнем рабочем положении поплавка, т.е. при самой низкой измеряемой плотности жидкости, вес цепочки перемещается на подвеску. Такое техническое решение требует увеличенного размера (диаметра) люка резервуара, что затрудняет установку плотномеров на существующем резервуарном парке, особенно старой конструкции. Использование поплавков с подвеской цепочки ниже поплавка рассчитано на более высокую плотность жидкости, так как к весу поплавка даже в нижней рабочей точке добавляется вес части цепочки.

Предметом изобретения является плотномер для жидкости с низкой плотностью, содержащий погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок в виде тороида с размещенными в нем магнитами, средство для уравновешивания поплавка в виде цепочек, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, помещенный в трубчатый корпус из немагнитного материала, охватываемый тороидольным поплавком, выполненный в виде магнитострикционного волновода с расположенной на нем катушкой считывания и подключенным к нему формирователем импульсов, катушка считывания подключена к входу усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, уравновешивающие цепочки поплавков прикреплены одним концом к поплавку, а другим концом к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя перемещения, а количество поплавков и элементов их крепления составляет n штук с расположением их на разной высоте в зависимости от необходимого числа точек измерения плотности жидкости, при этом цепочки выполнены составными и состоят из тяжелой и легкой частей, соединенных последовательно, причем тяжелая часть прикрепляется к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя, а легкая часть прикрепляется к поплавку.

Техническим результатом является создание нового плотномера для жидкости с низкой плотностью, обладающего непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном рабочих температур и хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на разных уровнях без привязки к границе условного раздела сред, без увеличения сложности измерителя перемещения поплавка при достаточно большой длине плотномера (несколько метров), возможностью использовать разнообразные материалы для уравновешивающих цепочек, возможностью установки плотномера в резервуары с малым диаметром люка, что дает экономию материалов за счет уменьшенных размеров люка и уменьшения размеров крепежных фланцев плотномера. Указанные технические улучшения дают возможность получить дешевые многоканальные плотномеры для измерения низких значений плотности жидкостей.

Указанные свойства получены благодаря использованию в качестве противовеса к поплавкам составных цепочек состоящих из тяжелой и легкой частей, соединенных последовательно, причем тяжелая часть прикрепляется к фиксатору, жестко закрепленному на корпусе преобразователя, а легкая часть прикрепляется к поплавку.

На чертеже схематично представлено устройство плотномера.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - первый поплавок;

2 - второй поплавок;

3 - n-ый поплавок;

4 - постоянный магнит внутри поплавка;

5 - магнитострикционный волновод;

6 - катушка считывания;

7 - корпус из немагнитного материала;

8 - формирователь импульсов;

9 - усилитель-формирователь;

10 - блок обработки сигнала;

11 - тяжелая часть уравновешивающей цепочки;

12 - легкая часть уравновешивающей цепочки;

13 - фиксаторы для поплавков.

Первый, второй и n-ый поплавки 1, 2 и 3 тороидальной формы с находящимися внутри них магнитами 4 и прикрепленными к ним легкими частями уравновешивающих цепочек 11, тяжелые части уравновешивающих цепочек 12 прикрепляются к фиксаторам 13, жестко закрепленным на корпусе из немагнитного материала 7 преобразователя перемещения, поплавки располагаются снаружи корпуса из немагнитного материала 7, внутри которого находятся магнитострикционный волновод 5 и катушка считывания 6. Вся конструкция помещена в резервуар с исследуемой жидкостью. Формирователь импульсов 8 выполнен с возможностью формирования ультразвуковых импульсов прямоугольной формы с длительностью не более 10 мкс, амплитудой 12 В и частотой 10 Гц, необходимых для создания ультразвуковой волны вокруг волновода 5. Усилитель-формирователь 8 выполнен с возможностью усиления сигнала, снимаемого с катушки считывания 6 и формирования одиночных прямоугольных импульсов длительностью не более 10 мкс и амплитудой 5 В, необходимых для последующей обработки сигнала в блоке обработки сигнала 10, выполненного с возможностью анализа временных интервалов между импульсами, поступающими в формирователь импульсов 8, и импульсами, приходящими из усилителя-формирователя 9, с последующим преобразованием полученной информации в цифровую величину плотности исследуемой жидкости.

Работа плотномера осуществляется следующим образом.

Измерение плотности основано на измерениях времени распространения ультразвука в магнитострикционном волноводе. Скорость распространения ультразвука в волноводе практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.

По команде из блока обработки сигналов 10 с помощью формирователя импульсов 8 генерация ультразвуковой волны происходит по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе 5, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала 7.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе 5, и полем постоянных магнитов 4 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в местах расположения магнитов 4 распространяется по волноводу 5 в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковые волны вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания 6 в электрические импульсы и затем гасятся демпфером. Указанные импульсы поступают в усилитель-формирователь 9, где преобразуются в прямоугольную форму, и затем поступают в блок обработки сигналов 10. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т.е. положению поплавка 1, 2 или 3, и, соответственно, плотности жидкости на данном уровне. При наличии нескольких поплавков с размещенными в них магнитами, возникает несколько ультразвуковых волн, равное числу поплавков. При этом моменты преобразования ультразвуковых волн в электрические импульсы разнесены по времени, и анализ количества импульсов и соответствующих промежутков времени позволят определить положение каждого поплавка и таким образом измерить плотность жидкости на соответствующем уровне. Следует отметить, что благодаря использованию магнитострикционного волновода в качестве датчика перемещения возможно использование стальных уравновешивающих цепочек, отказавшись от более тяжелых и дорогих материалов, т.к. не накладывается жестких требований к ограничению перемещений поплавка в процессе измерения плотности, при этом цепочки выполнены составными и состоят из легкой 11 и из тяжелой 12 частей, соединенных последовательно, причем тяжелая часть 12 прикрепляется к фиксатору 13, жестко закрепленному на корпусе преобразователя, а легкая часть 11 прикрепляется к поплавку, что обеспечивает распределение большей части веса цепочки (ее тяжелой части 12) в нижнем положении поплавка на фиксатор, а это позволяет снизить нижний предел измерения плотности. При увеличении плотности жидкости в резервуаре поплавок будет всплывать, при этом вес тяжелой части цепочки постепенно, по мере всплытия поплавка, будет перераспределяться между фиксатором и поплавком, что позволяет расширить рабочий диапазон измерения плотности в сторону увеличения. При выходе поплавка из рабочей зоны из-за понижения уровня жидкости в резервуаре поплавок ложится на фиксатор 13, что исключает запутывание уравновешивающих цепочек.

Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых токов описываемый плотномер легко реализуем во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерении плотности во взрывоопасных средах, например при работе с нефтепродуктами или сжиженными газами.

На предприятии-заявителе был изготовлен макет, а затем опытный образец описанного плотномера и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого решения.