Устройство для измерения плотности и уровня жидкости в резервуарах (плотномер-уровнемер)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности и уровня сточных вод в бассейнах очистных сооружениий. Сущность: устройство реализовано на двух разноуровневых поплавках, выполненных герметичными, в виде двух труб, помещенных свободно одним концом в жидкую среду, а вторым - жестко закрепленных на индивидуальные тензометрированные балки, основания которых жестко соединены с основанием прибора. Выходы тензомостов соединены через тензоусилители с входом стандартного контроллера, кроме того, выходы их связаны с входом дополнительного, дифференциального усилителя, выход которого также подключен к третьему входу контроллера. Контроллер вычисляет уровень согласно делению результата преобразования тензосигналов на плотность, информацию о которой несет выходной сигнал дифференциального усилителя. Разность уровней поплавков h выбрана из условия где ΔU_max - максимальное напряжение на выходе дифференциального усилителя, а ρ_max - максимальная измеряемая плотность, S - сечение поплавков, a g - ускорение свободного падения. Технический результат: уменьшается постоянная времени измерения и тем самым расширяется диапазон применения плотномера-уровнемера. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения плотности и уровня сточных вод в бассейнах очистных сооружений.

Для одновременного измерения уровня и плотности сточных вод в резервуарах могут быть применены n датчиков гидростатического давления, как это осуществлено, например, в устройстве измерения массы, объема, плотности и уровня жидких продуктов по патенту RU 2158418 от 2000.10.27.

Указанное устройство выбрано за прототип. Оно содержит n датчиков гидростатического давления, расположенных на различной высоте, устройство отображения, измерительную трубу, расположенную в резервуаре, n датчиков - сигнализаторов уровня, расположенных на различной высоте резервуара, устройство автоматической корректировки вычислений и дрейфа нуля датчиков гидростатического давления. Датчики сигнализаторы уровня расположены в измерительной трубке и соединены своими входами с измеряемой средой, а выходами - с входами устройства вычисления и корректировки. Датчики гидростатического давления подключены выходами к входам устройства отображения.

Измерительная трубка выполнена вертикально подвижной.

Данное устройство измеряет плотность среды путем пересчета показаний двух гидростатических давлений, измеренных двумя датчиками давлений, расположенными на различной высоте измерительной трубки. Расширение чувствительности достигнуто применением n таких датчиков и регулировкой вертикального перемещения измерительной трубки. Такой путь повышения чувствительности считается самым неэкономичным.

Существенными признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- применение вычислителя показаний двух датчиков и корректора показаний плотности в зависимости от уровня, а также применение первичных преобразователей плотности жидкости в гидростатическое давление.

Главным недостатком устройства-прототипа считается необходимость применения n датчиков, расположенных на разной высоте, вызванная изменением уровня жидкости в резервуаре. Измерение плотности жидкости при изменяемом уровне, который также несет необходимую информацию для управления технологическим процессом, с применением плотномера-расходомера, выполненного подобным прототипу, приведет к большой потере времени на измерение. Таким образом, область возможного применения его снижена большой инерционностью.

Между тем, здесь ставится задача измерения плотности и уровня жидкости в резервуаре - бассейне, выполняющем роль фильтра, когда требуется информация о плотности и уровне в режиме реального времени с целью управления его исполнительными механизмами.

Предлагаемым решением уменьшается постоянная времени измерителя и тем самым расширяется диапазон применения плотномера-уровнемера.

Для достижения указанного технического результата в устройство для измерения плотности и уровня жидкости в резервуарах, содержащее как минимум два преобразователя уровня в гидростатическое давление и корректор плотности на базе вычислителя, введены два герметичных поплавка, выполненных в виде труб разной длины, жестко закрепленных на индивидуальной упругой балке, каждая из которых тензометрирована, входы тензомостов подключены к источнику питания, а выходы к соответствующим аналоговым входам вычислителя, содержащего индикаторное табло, причем разность длин поплавковых труб h выбрана из условия:

где S - сечение поплавка, g - ускорение свободного падения.

Отличительными признаками предлагаемого плотномера-уровнемера является следующее:

1. Преобразование плотности в гидростатическое давление применением не мембран датчиков давлений, а герметичных поплавков разной длины, выполненных в виде цилиндров.

2. Закрепление поплавков с одной стороны на жесткое основание через тензометрированные упругие балки, причем каждая из них измеряет давление на свой поплавок.

3. Длины поплавков выполнены согласно уравнению

где L₁-L₂=h, L₁ равно максимальному уровню, - чувствительность прибора, S - сечение поплавка, g - ускорение свободного падения на данной широте (вычислитель имеет возможность корректировать показания в зависимости от местности применения), ρ_max - максимальная измеряемая плотность.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы изобретения, достигается следующий технический результат.

1. Поплавки измеряют уровень в бассейне путем преобразования веса вытесненной поплавком воды в напряжение упругой балки, на которой закреплен поплавок, с дальнейшим преобразованием напряжения балки с помощью тензомоста в напряжение, несущее информацию о плотности и уровне жидкости.

В вычислителе-корректоре данная информация с двух поплавков может быть путем простых арифметических преобразований приведена к плотности и уровню жидкости согласно следующим формулам:

и

При этом в показания уровня и плотности не входит температура, за счет чего исключаются температурные погрешности плотномера-уровнемера.

2. Частотные характеристики такого датчика очень высокие, благодаря высокой демпфирующей способности. Практически такая система представляет собой классический гидростатический демпфер, и поэтому допускается работа на частотах, превышающих собственные частоты упругих колебаний балок с массой поплавка. За счет этого предлагаемый плотномер-уровнемер может быть применен в замкнутых системах регулирования уровня сточных вод в резервуарах-фильтрах очистных сооружений и других технологических процессах, где требуется одновременное измерение плотности и уровня жидкости.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая плотномер-уровнемер, выполненный по предлагаемой схеме, не была обнаружена.

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций, и достигаемых целей наблюдается неочевидная причинно-следственная связь.

На основании изложенного можно утверждать, что предложенный плотномер-уровнемер не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенное устройство разработано применительно к системам регулирования бассейнов очистных сооружений, но может найти широкое применение благодаря высоким частотным характеристикам, простоте и надежности его, что достигнуто вынесением чувствительного элемента из контакта с жидкостью. Последнее качество позволяет использовать его для измерения плотности и уровня агрессивных жидкостей. Поэтому решение промышленно применимо.

На чертеже изображена схема предложенного устройства и дан схематический его вид.

Изображенное на чертеже соответствует:

1 - короткий поплавок, 2 - длинный поплавок, 3 и 4 - упругие балки, 5 и 6 - тензорезисторные мосты из наклеенных тензорезисторов, 7 и 8 - усилитель сигналов тензомостов, 9 - дифференциальный усилитель, 10 - вычислитель-корректор, выполненный на базе стандартного контроллера.

Работа контроллера заключается в преобразовании плотности и уровня жидкости в гидростатическое давление на поплавки, погруженные в жидкость на разный уровень. При этом каждый из них вытесняет разные объемы жидкости, которые согласно закону Архимеда оказывают на поплавки гидростатическое давление, пропорциональное плотности жидкости и сечению поплавков. Если поплавки жестко закреплены на основание через упругие тензометрированные балки, то фактически происходит измерение веса вытесненной среды каждым из поплавков. Разность показаний тензомостов будет равна ΔU=ρ·S·H·g-ρ·S·g·(H-h), где Н - уровень жидкости, h - разность в уровнях поплавков или разность из длин. Откуда ΔU=ρ·S·h·g, где S и h - постоянные величины, a g - ускорение свободного падения, зависит от места применения, которое можно скорректировать за счет применения контроллера.

Применение дифференциального усилителя 9 позволяет повысить чувствительность плотномера, поскольку напряжение на его выходе не зависит от уровня измеряемой жидкости, и это напряжение, поданное на свой вход контроллера, может быть преобразовано в цифровой вид уже как физическая величина плотности, а не уровня. А пораздельные сигналы с тензомостов несут информацию и о плотности, и об уровне и могут быть разделены в вычислителе делением на значение плотности. Так исключается из показаний уровнемера плотность.

Согласно данной методике в показания плотности и уровня не входит температура, что исключает погрешности от нее.

Устройство для измерения плотности и уровня жидкости, содержащее как минимум два преобразователя уровня и плотности в гидростатическое давление и вычислитель, разделяющий связанную информацию об уровне и плотности на раздельную об уровне и плотности, отличающееся тем, что преобразователь гидростатического давления выполнен в виде двух разноуровневых поплавков, выполненных в виде герметичных труб, первые концы которых свободно погружены в измеряемую жидкость, а вторые жестко закреплены на индивидуальных упругих балках, основания которых жестко заделаны в основание прибора, упругие балки тензометрированы и выходы тензомостов подключены ко входам индивидуальных усилителей, выходы которых связаны с двумя входами вычислителя, третий вход которого подключен к дифференциальному усилителю, разнополярные входы которого подключены к выходам усилителей тензосигналов, причем разность уровней поплавков выбрана из условия

где ΔU_max - максимальное напряжение выхода дифференциального усилителя, ρ_max - максимальная плотность измеряемой среды, S - площадь сечения поплавка, g - ускорение свободного падения, значение которого в вычислителе может быть скорректировано в зависимости от места применения прибора.