Устройство для измерения плотности

 

Сущность изобретения: устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде герметичные камеры, одна стенка которых выполнена в виде эластичной мембраны. К герметичным камерам через гибкие соединительные трубки подключен общий измеритель с датчиком измерителя и регистратором. Герметичные камеры и их соединительные трубки заполнены несмешивающимися рабочими средствами. Измеритель выполнен в виде измерительной трубки с находящимся внутри нее поплавком. Измерительная трубка установлена вне контролируемой среды на вертикальной мерной рейке с нанесенными на ней делениями, шаг которых совпадает с шагом делений на измерительной трубке. Условная плотность поплавка составляет полусумму плотностей двух несмешивающихся рабочих сред, заполняющих герметичные камеры, соединительные трубки и измерительную трубку. Устройство имеет высокую точность измерений за счет повышения чувствительности в требуемом диапазоне, а также позволяет упростить процесс перенастройки прибора на необходимый диапазон измерения путем вертикального перемещения измерительной трубки по мерной рейке. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различного рода суспензий гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора.

Известны устройства для измерения плотности суспензий [1], в основе которых используется принцип уравновешивания веса столба суспензии определенной высоты и давления воздуха, подаваемого в пьезотрубки из коллектора.

Эти устройства содержат коллектор, пьезотрубки, пневматические сопротивления. При изменении плотности суспензии изменяется сопротивление пьезотрубок, вызывая уменьшение или увеличение расхода воздуха, протекаемого по пьезотрубкам. Разность давлений измеряется дифманометром, а автоматическая следящая система путем изменения сопротивления уменьшает или увеличивает расход воздуха до тех пор, пока разность давления в камерах дифманометра не станет равна нулю.

Недостатком подобных устройств является сравнительно узкий диапазон измерения из-за недостаточной помехоустойчивости к воздействию внешних факторов, например, внешнего давления.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является "Устройство для измерения плотности" [2].

Данное устройство содержит расположенные на разных уровнях в контролируемой среде герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, общий измеритель, соединительные трубки, датчик измерителя и регистратор.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности в требуемом диапазоне и упрощение процесса перенастройки на требуемый диапазон.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения плотности, содержащем расположенные на разных уровнях в контролируемой среде герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, общий измеритель, подключенный через соединительные трубки к герметичным камерам, датчик измерителя и регистратор, герметичные камеры и их соединительные трубки заполнены несмешивающимися рабочими средами, соединительные трубки выполнены гибкими, измеритель выполнен в виде измерительной трубки с находящимся внутри нее на границе несмешивающихся сред поплавком и установленной вне контролируемой среды на вертикальной мерной рейке с нанесенными на ней делениями, шаг которых совпадает с шагом делений на измерительной трубке, а условная плотность поплавка составляет полусумму плотностей двух несмешивающихся рабочих сред, заполняющих герметичные камеры, соединительные трубки и измерительную трубку.

Достижимость технического результата обусловлена тем, что устройство позволяет повысить чувствительность за счет заполнения верхней герметичной камеры и ее соединительной трубки до поплавка более легкой жидкостью, не смешивающейся со второй, более тяжелой жидкостью, заполняющей нижнюю герметичную камеру, ее соединительную трубку до поплавка; легко перенастраивать прибор на требуемый диапазон измерения плотности исследуемой суспензии путем простого перемещения измерительной трубки вверх и вниз по мерной рейке, при этом перемещение вниз понижает минимальный предел контролируемой плотности, а перемещение вверх - соответственно его повышает.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено заявляемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - схема принципа работы устройства; на фиг. 3 - график зависимости перемещения поплавка от плотности контролируемой суспензии.

Устройство измерения плотности содержит герметичные камеры 1 и 2 с эластичными мембранами 3 и 4, отделяющими камеры 1 и 2 от исследуемой суспензии 5, датчик 6, регистратор 7. Устройство снабжено гибкими соединительными трубками 8 и 9, измерительной трубкой 10, содержащей поплавок 11. Герметичные камеры 1 и 2, предварительно заполненные несмешивающимися рабочими средами 12 и 13 соответственно, подсоединены с помощью гибких трубок 8 и 9 к измерительной трубке 10, расположенной вне исследуемой суспензии 5 и закрепленной на вертикальной мерной рейке 14, на которой нанесены деления с шагом, совпадающим с шагом делений на измерительной трубке 10. Условная плотность поплавка 11 где Q₁ и Q₂ - плотность несмешивающихся рабочих сред 12 и 13.

Для пояснения принципа действия и порядка работы заявляемого устройства необходимо обратиться к решению соответствующих уровней гидростатики в соответствующих гибких трубках 8 и 9, соединяющих герметичные камеры 1 и 2 (фиг. 2). Обозначим: h - база измерений, м; Δh - величина погружения первой (нулевой) герметичной камеры 1; h₁ - расстояние по вертикали от нулевой линии до нижнего среза измерительной трубки 10; h₂ - расстояние по вертикали от уровня исследуемой суспензии 5 до верхнего среза измерительной трубки 10; Δh₁ - превышение верхнего перегиба шланга 9 герметичной камеры 2 над уровнем исследуемой суспензии 5; X - искомая величина, расстояние по вертикали от нулевой линии до границы раздела несмешивающихся рабочих сред 12 и 13, т.е. поплавка 11;
Q_x, Q₁, Q₂ - соответственно плотности исследуемой суспензии 5 и несмешивающихся рабочих сред 12 и 13, кг/м³;
l - длина измерительной трубки 1, м;
P_в - внешнее давление, Па.

Уравнение гидростатического равновесия соответствующих столбов несмешивающихся сред по отношению к давлению на среде герметичной камеры 2 запишется в следующем виде:

Учитывая, что l = h₂+Δh+h+h₁, и, произведя соответствующие сокращения, получим
h · Q_x = (Q₁ - Q₂) · X + Q₂ · h.

Откуда

В результате имеет линейную зависимость перемещений X от значения плотности исследуемой суспензии Q_x, представленную на фиг. 3 прямой А, и независимость перемещения от влияния внешнего давления. При этом чувствительность устройства определяется тангенсом угла наклона прямой А, т.е. первой производной функции X = X(Q_x), обозначаемой через K.

Если в качестве искомого принять Q_x, получим из (2)

Полученные зависимости (2), (3) и (4) позволяют выявить преимущества данного устройства.

Расширение пределов измерения плотности исследуемой суспензии Q_x требуют существенного увеличения размеров измерительной трубки (а следовательно, и габаритов всего устройства) из-за многократного повышения чувствительности K.

Однако, как видно из приведенных чертежей фиг. 2 и 3, пределы измерения Q_x можно легко менять простым перемещением по вертикали измерительной трубки.

Длина измерительной трубки l определяет диапазон измерения в каждом конкретном случае ее фиксации на мерной рейке. При этом справедливы следующие соотношения:

где

Формула расчета плотности исследуемой суспензии путем подсчета числа импульсов N, равных числу секций измерительной катушки от "нулевой" до экранированной короткозамкнутым витком поплавка, имеет вид (6):

где
L - межкатушечный шаг, равный шагу делений на измерительной трубке и мерной рейке.

Из формулы (6) вытекает еще одно важное преимущество данного устройства: поочередно помещая герметичные камеры в рабочие среды (жидкости) с плотностями Q₂ и Q₁, можно легко получить метки (положение поплавка в измерительной трубке), соответствующие нулевому и рабочему уровню камер, что фактически служит основой градуировки и поверки измерительного тракта.

Таким образом, процесс перенастройки пределов измерения заявленного устройства заключается в простом перемещении измерительной трубки по вертикали мерной рейки.

Проиллюстрируем сказанное на конкретном примере (фиг. 3). Зависимость X = X (Q_x), представленная прямой А, рассчитана для случая, когда Q₁ = 1000 кг/м³; Q₂ = 800 кг/м³; h = 0,5 м.

Для длины измерительной трубки l = 0,25 м получим в соответствии с (5) следующий диапазон измерения плотности

Это относится небольшой диапазон измерений можно легко перестроить на любые интересующие пределы.

В частности, размеров начало измерительной трубки на уровне верхней герметичной камеры, когда Q_{x min} = Q₁, получим пределы измерения от Q_{x min} = 1000 кг/м³ до Q_{x max} = 1100 кг/м³.

Опустив измерительную трубку вниз на 1 м, получим пределы плотности от 600 кг/м³ до 700 кг/м³. И напротив, подняв пьезотрубку вверх на 1 м, получим диапазон плотности исследуемой суспензии от 1400 кг/м³ до 1500 кг/м³.

Измерительная трубка, закрепленная на мерной рейке, может быть расположена вблизи исследуемой суспензии или на некотором расстоянии от нее, в зависимости от удобства эксплуатации или особенностей технологической линии.

Изменять пределы и диапазон измерения плотности исследуемой суспензии можно изменяя плотности несмешивающихся сред. Так в конкретном случае такими средами были выбраны вода и воздух, плотность которого ≈ в 1000 раз меньше плотности воды, т.е. Q₂ ≈ 0 (практически). Этот случай изображен на фиг. 3 прямой Б и, естественно, имеет впятеро меньшую чувствительность и впятеро больший диапазон измерения плотности.

Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность за счет повышения чувствительности в требуемом диапазоне, упростить процесс перенастройки прибора на необходимый диапазон измерения путем вертикального перемещения измерительной трубки по мерной рейке.

Формула изобретения

Устройство для измерения плотности, содержащее расположенные на разных уровнях в контролируемой среде герметичные камеры, одна стенка у которых выполнена в виде эластичной мембраны, общий измеритель, подключенный через соединительные трубки к герметичным камерам, датчики измерителя, регистратор, отличающееся тем, что герметичные камеры и их соединительные трубки заполнены несмешивающимися рабочими средами, соединительные трубки выполнены гибкими, измеритель выполнен в виде измерительной трубки с находящимся внутри нее поплавком и установленной вне контролируемой среды на вертикальной мерной рейке с нанесенными на ней делениями, шаг которых совпадает с шагом делений на измерительной трубке, а условная плотность поплавка составляет полусумму плотностей двух несмешивающихся рабочих сред, заполняющих герметичные камеры, соединительные трубки и измерительную трубку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3