Меню

Ультразвуковой метод измерения плотности



Измерение плотности нефтепродуктов и концентрации компонент технологических жидкостей ультразвуковым методом

УДК 621.389:681.121.89.082.4

Р. И. СОЛОМИЧЕВ — к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО — ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

При осуществлении контроля над технологическими процессами и при организации системы количественного учета жидких углеводородов и продуктов их переработки, когда масса вещества не может быть измерена непосредственным взвешиванием, а применение других методов имеет ограничения – возрастает роль автоматизированных плотномеров, обеспечивающих измерения в реальном времени. На современном производстве зачастую оказывается недостаточным периодическое измерение плотности жидких продуктов, так как их состав с течением времени может значительно изменяться в зависимости от условий, обусловленных технологическими процессами от добычи до переработки. В таких случаях необходимо применять потоковые автоматические контрольно-измерительные устройства, которые измеряют и сохраняют в памяти значения измеряемой величины. В работе приводится обзор методов измерения плотности жидкостей, указываются их преимущества и недостатки. Обоснован выбор универсального метода измерения массового расхода, через измерения объемного расхода и плотности жидкости ультразвуковыми расходомерами. Приведена классификация погрешностей измерения плотности жидкости ультразвуковым методом, обозначены метрологически значимые условия, при соблюдении которых обеспечивается абсолютная погрешность измерения плотности нефтепродуктов до 1,5 кг/м 3 . Описаны достоинства, присущие ультразвуковым расходомерам нефтепродуктов и технологических жидкостей Turbo Flow UFL (ООО НПО «Турбулентность-ДОН») и пути дальнейшего развития систем измерения на их базе.

Ключевые слова: жидкость, плотность, акустический способ, система диагностики, скорость звука, температура, концентрация.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Плотность является одной из основных физических величин, характеризующих свойства вещества. При осуществлении контроля над технологическими процессами и качеством продукции измерение плотности веществ играет существенную роль. Необходимо отметить, что в последние годы уделяется все больше внимания разработке и исследованию новых принципов измерения, созданию конструкций приборов для автоматического измерения плотности, которые являются весьма важным элементом комплексной автоматизации производственных процессов во многих отраслях промышленности от добычи до переработки, транспортировки и реализации конечному потребителю. Весьма велика роль измерения плотности и в организации системы количественного учета жидких углеводородов, когда масса вещества не может быть измерена непосредственным взвешиванием на весах, а другие методы имеют ограничения, и ее приходится определять по результатам измерений объемного расхода и плотности [1].

Каждое современное производство требует соблюдения определенных технологических условий, в противном случае возникают потери, проявляющиеся в виде ухудшения качества продукции, увеличения удельного расхода сырья и энергии или снижения производительности. При управлении производственным процессом зачастую оказывается недостаточным периодическое измерение плотности энергоносителей, так как их состав с течением времени может значительно изменяться, следовательно, и теплотворная способность и другие физико-химические параметры. Так, плотность нефти, добываемой на территории России, существенно колеблется в пределах каждого нефтегазоносного района, ее значение может составлять от 750 до 950 кг/м 3 [2]. В таких случаях необходимо применять потоковые автоматические контрольно-измерительные устройства, которые указывают, регистрируют или записывают значения измеряемой величины, являющиеся постоянным документом, и могут служить основанием для составления баланса производства, для возвратного контроля и других воздействий в процессах управления и контроля.

Эти автоматически действующие приборы позволяют получать непрерывную информацию об изменениях в ходе производственного процесса, что существенно облегчает управление производством [3].

Тем не менее, на предприятиях переработки нефтепродуктов и нефтяной промышленности внедрение подобных систем происходит не достаточно интенсивно, что вызвано в основном применением измерительных приборов, предназначенных для проведения дискретных или лабораторных измерений [3]. Использование данных приборов в автоматизированных системах сбора информации невозможно, чего нельзя сказать о зарубежных средствах измерения, которые более полно удовлетворяют требованиям подобных систем. Однако приборы зарубежных производителей не всегда доступны по причине высокой цены и дорогостоящего обслуживания, а также не соответствуют политике импортозамещения, реализуемой государством для обеспечения полноценного парка отечественных средств измерения.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью исследования является анализ, выбор методов и средств поточного измерения плотности нефтепродуктов и концентраций технологических жидкостей в реальном времени, и применение их при автоматическом контроле массового расхода. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • выполнить анализ и выбор методов, пригодных для автоматического режима измерения плотности нефтепродуктов и технологических жидкостей;
  • на основе анализа нормативной документации установить пределы относительной погрешности измерения плотности жидкостей ультразвуковым методом.

ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Для определения характеристик плотностей жидкостей и газов существует большое количество методов (рис. 1), которые отличаются по своему конструктивному исполнению и принципу действия [4]. Большую группу составляют поплавково-весовые методы (ООО «Союзцветметавтоматика», Россия; Атом, Россия; Lemis-Baltic, Латвия; Tobias Associates, США), среди которых измерение ареометром, метод гидростатического взвешивания, поплавковый, и гидростатические методы определения плотности (Lemis-Baltic, Латвия; Mettler-Toledo, Швейцария), которые определяют зависимость статического давления столба жидкости постоянной высоты от их плотности. К отдельной группе можно отнести гидродинамические методы, зависимые от плотности других физических величин, например, времени истечения жидкости из отверстия, степени удара струи о барьер, энергии потока жидкости, динамического давления. Данные плотномеры просты в эксплуатации, но практически не поддаются автоматизации. Действие радиоизотопных плотномеров (SAIP, Франция; Ohmart, США; НПП «Тетра», Украина) основано на определении ослабления пучка излучения в результате его поглощения или рассеяния слоем жидкости, которое связано с плотностью среды. Их достоинством является отсутствие контакта с исследуемой жидкостью, а недостатком – необходимость защиты персонала и сложность эксплуатации.

Плотномеры на основе вибрационного принципа (Mettler-Toledo, Швейцария; Термэкс, Россия; Пьезоэлектрик, Россия; Lemis-Baltic, Латвия) на сегодняшний день являются одними из самых точных и чувствительных в линейке приборов для измерения плотности жидкостей, оснащены электромеханическим генератором, который состоит из приемных катушек и катушек возбуждения.

На выходе происходит сравнение частоты колебаний усилителя с частотой кварцевого генератора. Частотомер измеряет разность частот этих колебаний, которые в конечном итоге и замеряют плотность жидкости [5].

Рис. 1. Методы определения плотности жидкостей

Несмотря на наличие разнообразных методов измерения физико-химических параметров, требование сохранения работоспособности и точностных характеристик средств измерений при их использовании непосредственно в технологическом процессе существенно сужает круг подходящих первичных преобразователей из-за необходимости выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, агрессивности, переменности состава объектов контроля и т. д. Как известно, именно в таких ситуациях применение ультразвуковых преобразователей в качестве первичных датчиков контроля качества технических жидкостей оказывается достаточно эффективным.

Физической основой промышленного применения ультразвуковых методов для измерения характеристик жидких сред (Геотрон, Россия; Haffinans B.V, Нидерланды; Flixim, Германия) является функциональная зависимость параметров ультразвуковых волн, распространяющиеся в жидкостях (скорость распространения, коэффициент затухания, продольный и сдвиговый акустические импедансы), от свойств жидкости [6]. В настоящее время применяются в основном измерения скорости звука.

Для измерения непосредственно скорости звука применяют время-импульсный метод, который основан на измерении времени распространения УЗ волн в контролируемой среде в зависимости от изменения плотности среды. Зондирующие импульсы пропускают через среду с определенным периодом T с помощью УЗ передатчика и принимают эхо-импульсы приемником. Импульсы запуска устанавливают в логическую единицу измерительный триггер, который разрешает работу измерителя временных интервалов. Эхо-импульс после усиления и преобразования в цифровой вид сбрасывает в ноль измерительный триггер, в результате чего на выходе формируется импульс длительностью t, пропорциональный плотности среды. Цифровой код, пропорциональный длительности импульса поступает в блок обработки, где вычисляется скорость звука в среде и ее плотность.

Не менее значимым аспектом при автоматизированном учете веществ в технологическом цикле производства является измерение расхода. Основными серийно выпускаемыми приборами для коммерческого учета нефтепродуктов, обеспечивающие высокую точность (до 0,15%) и воспроизводимость (0,1%) результатов измерения, широкий динамический диапазон (1:180), возможность установки на трубопроводы от 15 до 1800 мм, способность работать с реверсивными потоками, отсутствие движущихся элементов и деталей, отсутствие потери давления, широкий температурный диапазон среды измерения (-200. +200°С), измерение при избыточном давлении от 0 до 50 МПа являются ультразвуковые расходомеры.

Весьма существенно, что частотный диапазон измерения (1. 10 МГц) акустических параметров контролируемых жидкостей совпадает с основным частотным диапазоном ультразвуковых преобразователей расхода Turbo Flow UFL (ООО НПО «Турбулентность-ДОН»), что позволяет существенно снизить стоимость приборов контроля свойств жидкости за счет унификации электронного тракта. В этом плане наибольший интерес представляют вискозиметры и ультразвуковые плотномеры в составе объемных расходомеров. Таким образом, основными преимуществами такого прибора является:

  • автоматизированный коммерческий учет нефтепродуктов по массе с высокой точностью до 1,5 кг/м 3 [7, 8]
  • отслеживание качества нефтепродуктов в реальном времени и концентраций компонент технологических жидкостей;
  • оперативность получения информации, передача ее на центральный пункт управления технологическим процессом;
  • надежность и долговечность работы измерительных преобразователей в жестких климатических и технологических условиях и взрывоопасной зоне контроля;
  • возможность автоматического пересчета объема, приведенного к стандартным условиям через рабочую плотность напрямую.
Читайте также:  Абсолютная погрешность измерения объема жидкости

Такой комплекс измерений только тогда представляет интерес для практических приложений, если он в состоянии реализовать измерения с высокой точностью, – относительная погрешность измерений каждого из выше перечисленных параметров должна соответствовать современным требованиям метрологического обеспечения в сфере учета углеводородов [9].

На рис. 2 приведена классификация погрешностей измерения плотности жидкости УЗ методом, которая состоит из систематической и случайной составляющей [3]. Если случайные погрешности обычно исключаются при помощи математического аппарата путем полной или частичной компенсации, то систематическая погрешность в свою очередь определяется погрешностями измерительных каналов.

Рис. 2. Классификация погрешностей измерения плотности

Из классификации погрешностей измерения плотности жидкостей можно заметить наличие такой составляющей, как погрешность от влияния скорости потока среды на результат измерения скорости звука. Однако в большинстве случаев скорость потока при транспортировке нефти и нефтепродуктов не превышает нескольких метров в секунду и практически не влияет на точность измерения скорости ультразвука (рис. 3), в то время как в ультразвуковых преобразователей расхода (УЗПР) природного газа применяются особые схемы коррекции значения измеренного потока при изменении скорости звука [10].

Рис. 3. Зависимость погрешности измерения плотности жидкости от скорости потока

Таким образом, измерение плотности нефти и нефтепродуктов УЗ методом с погрешностью, не превышающей 1,5 кг/м 3 возможно при соблюдении следующих условий:

1. Погрешность измерения скорости распространения ультразвука в нефтепродукте не более 2,5 м/с:

а. Погрешность измерения акустической базы не превышает 30 мкм во всем диапазоне температур работы прибора;
б. Погрешность измерения времени распространения ультразвука не превышает 25 нс во всем диапазоне температур работы прибора;
в. Скорость потока нефтепродукта в трубопроводе не превышает 10 м/сек.

2. Погрешность измерения температуры нефтепродукта не более 0,5°К во всем диапазоне температур работы прибора;

3. Предварительная калибровка выполнена образцовыми средствами измерения плотности;

4. В имеющемся наборе пересчетных зависимостей имеется зависимость для контролируемого нефтепродукта или нескольких нефтепродуктов из его семейства;

5. Уровень случайных погрешностей не превышает порога, который устраняется в приборе методом проверки статистических гипотез;

6. При повышенном давлении в трубопроводе для точного перевода плотности при измеренной температуре к 20°С (15°С) известна величина этого давления, либо перевод осуществляется при давлении не более 5 кгс/см 2 .

Для реализации измерителя концентрации бинарных растворов, пульп, смесей жидкостей в составе УЗПР применяются методики расчета, основанные на правилах смешения нескольких веществ, согласно которым рассчитывается их концентрация в вычислителе прибора по измеренной скорости звука:

где:
М1 – молекулярный вес первого вещества;
М2 – молекулярный вес второго вещества;
СР1, CV1 – удельная изобарная и удельная изохорная теплоемкость первого вещества;
СР2, CV2 – удельная изобарная и удельная изохорная теплоемкость второго вещества;
x – концентрация первого вещества в долях.

Развитию направления по оценке плотности нефтепродуктов и других технологических жидкостей ультразвуковым методом способствует такие главные его преимущества как высокая чувствительность, безынерционность и бесконтактность измерения, отсутствие подвижных частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах, возможность применения для измерения плотности и расхода загрязненных и агрессивных сред. Основным недостатком метода является восприимчивость к изменению температуры и пузырькам газа в жидкой среде, которые значительно влияют на поглощение звука. Для исключения данной зависимости применяют как механизмы подготовки измеряемой среды, так и механизмы выделения полезного сигнала первичными преобразователями и температурных поправок.

ВЫВОДЫ

  1. Проведен обзор методов измерения плотности жидкостей, указаны их преимущества и недостатки. Обоснован выбор акустического время-импульсного метода измерения объемного расхода и плотности, который является универсальным.
  2. Раскрыта проблематика измерения плотности нефтепродуктов и технологических жидкостей, связанная с проведением периодических измерений зачастую не автоматизированными способами, а также с необходимостью обеспечить парк отечественных средств измерений в условиях политики импортозамещения.
  3. Приведена классификация погрешностей измерения плотности жидкости УЗ методом, которая состоит из систематической и случайной составляющей, обозначены метрологически значимые условия, при соблюдении которых обеспечивается абсолютная погрешность измерения плотности нефтепродуктов до 1,5 кг/м 3 .
  4. Описаны уникальные достоинства, присущие только ультразвуковым расходомерам нефтепродуктов и технологических жидкостей Turbo Flow UFL (ООО НПО «Турбулентность-ДОН»). Существенной особенностью данных расходомеров является совпадение частотных диапазонов измерения акустических параметров контролируемых жидкостей с основным частотным диапазоном ультразвуковых плотномеров, что позволяет объединить их в одном устройстве за счет унификации электронного тракта и существенно снизить его стоимость.

Источник

Ультразвуковой метод измерения плотности

В данный момент актуальной является задача измерения плотности пожароопасных жидкостей, а именно продуктов нефтедобычи и нефтепереработки с целью контроля качества сырья и готовой продукции [1]. Это позволяет сократить потери, а также повысить качество выпускаемой продукции в соответствии с международными стандартами. Соответственно, возникает проблема достижения высокой точности и достоверности процесса контроля, разработки принципиально новых первичных преобразователей (датчиков), с помощью которых осуществляется преобразование физических величин удобных для обработки, передачи и отображения полученной информации.

Возможности современной элементной базы, достижений науки и техники, использующие качественно новые принципы преобразования, позволяют создавать измерительные устройства, обладающие широким спектром их применения, высокой точностью, помехозащищенностью и стабильностью полученных результатов.

Трудности создания методов и средств контроля плотности веществ во многом определяются особенностями этой области измерительной техники, основные из которых сводятся к большой номенклатуре контролируемых веществ (жидкости, газы, многофазные потоки, сжиженные газы), широкому диапазону изменений параметров состояния (давление, температура) [2]. Следствием этого является большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в рассматриваемой области.

В современных измерительных системах применяется несколько способов измерения плотности жидкостных сред, которые приведены в данном исследовании. Целью исследования является изучение существующих принципов измерения плотности жидких веществ, особенностей конструкции плотномеров, а также их достоинств и недостатков для выявления перспектив улучшения характеристик систем измерения плотности, так как современная промышленность предъявляет повышенные требования к точности измерения, работоспособности в жёстких условиях эксплуатации и обеспечению безопасности производства.

Преимуществами вибрационных приборов являются сравнительная простота, высокая точность и частотный выход сигнала.

В плотномере для жидкостей [3] чувствительный элемент представляет собой трубку, концы которой неподвижно закреплены и соединены при помощи эластичных переходных муфт с подводящей и отводящей магистралями. Под трубкой находятся три поляризованных электромагнита с П-образными сердечниками. Средняя катушка используется для возбуждения колебаний трубки. Крайние катушки соединены последовательно и подключены к входу усилителя. Усиленный сигнал подается на среднюю катушку, а также на частотомер, отградуированный в единицах плотности. Усилитель обеспечивает необходимый сдвиг по фазе второй гармоники напряженности поля средней катушки относительно полей двух других катушек. Для исключения удвоения частоты между полюсами сердечника катушки, возбуждающей колебания, помещена перемычка в виде постоянного магнита [4]. Такие перемычки имеются и у сердечников двух других катушек. Верхний предел измерения таких приборов 3 г/см3. Плотномеры такого типа производятся фирмой Solarton Schlumberger (Франция). Согласно исследованиям в различных средах, данные плотномеры дают воспроизводимость показаний ± 0,01 %, а влияние вязкости пренебрежимо мало.

Фирмой J. Agar (Великобритания) выпускается плотномер с вибратором в виде пустотелого цилиндра, установленного в контролируемом потоке и совершающем колебания на резонансной частоте, которая зависит от плотности окружающей среды [5, 6]. Колебания возбуждаются с помощью цепи обратной связи, образованной приемной катушкой, усилителем и катушкой возбуждения. Диапазон измерения 0–100 г/л. погрешность не превышает ± 0,1 % диапазона. Во избежание турбулентных шумов поток должен быть ламинарным, имеющим скорость не более 1 м/с для жидкостей и 3 м/с для газов.

Плотномер, выпускаемый фирмой Barton (США), применяется для измерения плотности жидкостей, пульп, газов и паров в диапазоне температур от –254 до +120 °С с погрешностью не более ± 0,25 %. Прибор содержит в качестве вибратора тонкую прямоугольную пластину, закрепленную в узловых точках [7]. Пластина совершает незатухающие колебания на резонансной частоте, возбуждаемой соленоидной катушкой с помощью схемы положительной обратной связи с электронным усилителем. Частота или период колебания служат мерой плотности. В измерительной схеме осуществляется линеаризация выходного сигнала. Градуировка производится путем определения трех коэффициентов уравнения второго порядка на образцовых жидкостях (например, вода, керосин и газолин) или газах.

Читайте также:  Прибор для измерения натуры зерна это

Другой плотномер этого же типа вводится на гибком держателе в горизонтальный трубопровод с контролируемой средой (жидкость, газ) через патрубок, выступающий из трубопровода сверху. Вибратором является прямоугольная металлическая пластинка, зажатая между двумя полуцилиндрами, запрессованными в цилиндрический корпус [8]. К внешней поверхности последнего присоединена перпендикулярно к плоскости вибратора трубка из магнитострикционного материала.

В месте стыка вибратора с полуцилиндрами установлен пьезоэлемент. Его выводы проложены в пазах полуцилиндров и проведены через внутреннюю трубку к дифференциальному усилителю, который размещен в головке датчика, полностью защищены от наводок со стороны подводящих проводов. Выходной сигнал подается на задающую катушку в фазе с колебаниями вибратора и образует положительную обратную связь электромагнитного генератора, колеблющегося на резонансной частоте. Последняя зависит от плотности среды, окружающей вибратор. Линеаризатор вырабатывает напряжение, прямо пропорциональное плотности. Оно измеряется вольтметром, отградуированным в единицах плотности. Погрешность не превышает ± 0,1 % в диапазоне измерения 0,0014–1,4 г/см3.

Важное направление разработки вибрационных плотномеров связано с созданием бесконтактных приборов, в которых датчик размещается снаружи трубопровода. Получают дальнейшее развитие плотномеры с камертонным вибратором. Среди них наиболее чувствительны датчики в виде камертонных механических резонаторов [9]. Высокая добротность колебательной системы достигается за счет применения сдвоенного камертона, образованного двумя параллельными трубками, соединенными на концах. Сдвоенный камертон приводится в автоколебательный режим системой возбуждения, состоящей из электромагнитного возбудителя, приемника колебаний и усилителя. Выходным сигналом является частота собственных колебаний камертона, определяемая плотностью измеряемой среды. Пределы измерения 0,69–1,05 г/см3. Основная погрешность ± 1,5 г/см3.

Аналогично выполнен плотномер фирмы Solartron Schlumbergr (Франция). Частота на выходе сравнивается с частотой, задаваемой кварцевым генератором [10]. Сравнение осуществляется в цифровом виде электронной схемой на интегральных элементах. Прибор нечувствителен к внешним вибрациям и к колебаниям питающего напряжения. Погрешность определяется в основном первичной градуировкой и практически бывает менее 0,1 мг/см3 в диапазоне плотностей 0,6–1,6 г/см3. Модификация электронной схемы позволяет приводить к стандартным условиям плотность нефтепродуктов вязкостью 0,5–200 сСт. В этом случае погрешность измерения в пределах 0,64– 0,94 г/см3 (с учетом коррекции по температуре и давлению) не превышает ± 0,5 мг/см3 при 5–25 °С и ± 1 мг/см3 при 0–75 °С.

Разновидностью плотномеров с наружным возбуждением является прибор, выполненный как U-образная труба из магнитного материала с концами, жестко закрепленными в неподвижном цоколе [10]. Вблизи трубы расположены два электромагнита, создающие крутящий момент, который стремится вызвать закручивание трубы относительно ее продольной оси. При подаче в обмотки электромагнитов переменного тока возникают крутильные колебания трубы. В цоколь встроены пьезоэлектрический или магнитострикционный датчики колебаний. Его выходной сигнал поступает на вход усилителя. Усиленный сигнал частоты переменного тока подается в обмотки электромагнитов и на частотомер. При протекании жидкости труба колеблется с резонансной частотой, зависящей от плотности жидкости.

Усовершенствование схем вибрационных плотномеров позволило улучшить технологические и метрологические характеристики приборов. Следует указать на производимые изыскания новых видов чувствительных элементов вибрационных плотномеров.

Вибратором может быть тонкий диск из магнитного материала, закрепленный в трех точках, лежащих на узловой окружности диска [11]. Колебания возбуждаются сердечником соленоида, установленного под центром диска. Резонансная частота определяется при плавном изменении частоты генератора, питающего соленоид, по максимуму сигнала индуктивного датчика, расположенного у края диска. Конструкция плотномера обеспечивает работу его при высоких температурах, в частности в ядерных реакторах.

Возможно выполнение чувствительного элемента в виде лопатки, зафиксированной на конце упругого стержня, перпендикулярно которому крест-накрест прикреплены четыре стержня, используемые для возбуждения и приема колебаний в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи индуктивных катушек. Колебания могут возбуждаться на резонансных частотах посредством генераторов с обратной связью или на постоянной частоте с изменением амплитуды колебаний [11].

Датчик во взрывобезопасном исполнении представляет собой две вертикальные трубы, верхние концы которых включают в разрыв трубопровода, а нижние соединены друг с другом горизонтальным участком, в который вводится термодатчик схемы температурной компенсации [12]. Верхние и нижние концы труб закреплены, а в средней части они охвачены полем постоянного магнита. Одна из труб помещена в сердечник трансформатора и является как бы его вторичной обмоткой. Когда на первичную обмотку подан ток с выхода усилителя, через трубы тоже протекает переменный ток и они отклоняются в магнитном поле, начиная вибрировать. Частотный сигнал с выхода усилителя смешивается с частотным сигналом стандартного генератора, и частота биений преобразуется в напряжение постоянного тока 0–10 мВ. Пределы измерения 0,5– 1,5 г/см3, чувствительность 0,05–0,20 г/см3, воспроизводимость ± 1 % по всей шкале, нелинейность ± 0,5 %, влияние температуры жидкости ± 0,5 % на 10 °С.

Весовой плотномер для жидкостей состоит из подвижного патрубка, жестко связанного с уравновешивающим рычагом элементами, соединенными с входным и выходным неподвижными патрубками дифференциально-трансформаторного датчика перемещения усилителя счетчика импульсов, дешифратора, цепи электромагнитов, показывающего и регистрирующего приборов [13]. Выходной конец входного неподвижного и выходной конец подвижного патрубков снабжены соплами, а уравновешивающий рычаг – калиброванными грузами, замыкающими цепь электромагнитов. Выход генератора импульсов соединен со входом счетчика ключом, управляемая цепь которого через пороговый элемент связана с выходом фазочувствительного усилителя.

Плотномер для пульп выполнен в виде уравновешивающего механизма, пневмоусилителя, входного и выходного участков трубопровода [13]. В разрыв последнего вставлены две прямые трубы, расположенные на одной лини и гибко соединенные между собой и с выходными участками трубопровода. Уравновешивающий механизм содержит коромысло с грузом, цилиндр с поршнем, сопло с заслонкой и демпфер. Коромысло шарнирно связано с заслонкой и тягой, прикрепленной к трубам. Пневмоусилитель соединен с соплом, цилиндром и типовым пневморегистратором. Часть массы прямых труб и поршень измерительного цилиндра действует на одно плечо коромысла, на противоположное плечо которого оказывает действие груз. Выходное давление пневмоусилителя пропорционально плотности жидкости.

Аналогичный плотномер в другой модификации имеет шарнирно подведенную трубу, закрытую с одного конца; другой ее конец шарнирной опоры соединен с патрубком для подвода жидкости. Входной и выходной потоки образуются посредством разделительной лопасти, расположенной внутри трубы в осевой плоскости. Закрытый конец трубы подвешен при помощи упругих металлических пластин к короткому плечу рычага весов. Перемещая по рычагу противовес, производят грубое взвешивание. Точное взвешивание выполняется пневматическим датчиком с клапаном, шток которого связан с закрытым концом трубы, и устройством для уравновешивания трубы в месте, близком к шарнирной подвеске. Мерой плотности служит давление в датчике.

Поплавковый плотномер состоит из проточной части с кюветой, наполненной эталонной жидкостью, и чувствительной системы. Последняя представляет собой два утопленных поплавка одинаковой массы и объема, которые соединены с рычагом измерительной пневматической схемы, основанной на принципе силовой компенсации [14]. Погрешность не превышает ± 2 %.

В двухпоплавковом плотномере жидкостей, содержащем поплавки в виде цилиндрических секторов (укрепленных с помощью подшипников на оси вращения) и компенсационные грузы (установленные в торцевой части поплавков и смещенные относительно точек приложения выталкивающей силы), узел регистрации перемещения поплавков собран из двух постоянных магнитов (укрепленных на поплавках) и двух индукционных катушек с якорями из магнитного материала, расположенными на оси вращения [14].

В ряде конструкций поплавковых плотномеров используются магнитные поплавки. Фиксацию положения поплавка можно осуществить посредством ферритового стержня, закрепленного на поплавке и расположенного в поле катушки высокочастотного генератора. Подъемная сила поплавка уравновешивается воздействием магнитного поля соленоида. При определенном положении поплавка сила тока в соленоиде служит мерой плотности жидкости.

Плотномер для жидкостей под давлением представляет собой вертикально расположенный герметичный корпус, состоящий из двух соосных цилиндров: более широкого верхнего и суженного нижнего [15]. В верхнем цилиндре размещен цилиндрический поплавок из немагнитной нержавеющей стали, в нижней – прикрепленный к нему стержень с сердечником дифференциального индуктивного датчика, сердечника соленоида и сменными грузами, определяющими диапазон измерения. Внутри верхней части имеются кольцеобразные выступы, поддерживающие вертикальное положение поплавка и горизонтальное направление вектора скорости потока благодаря чему на поплавок практически не действуют вертикальные силы. Вокруг нижней части корпуса расположены катушки индуктивного датчика соленоида. Сила тока в соленоиде является мерой плотности. Плотномер жидкостей, обеспечивающий повышенную точность (погрешность ± 0,1 % в пределах 0,65–1 г/см3), характеризуется тем, что жидкость проходит через камеру, гарантирующую постоянное полное погружение поплавка и минимальное возмущающее действие движения жидкости на поплавок.

Читайте также:  Измерение массы тела человека алгоритм

В настоящее время применяются поплавковые плотномеры с плавающим поплавком, представляющим собой ареометр постоянной массы, и с полностью погруженным поплавком, который является ареометром постоянного объема. Поплавковые плотномеры применяются для контроля плотности однородных довольно чистых капельных жидкостей.

Следует отметить группу приборов для измерения плотности жидкости, использующих принцип плавающего поплавка – денсиметры или ареометры постоянной массы. Денсиметры подразделяются на денсиметры общего назначения (для измерения плотности различных жидкостей, водных растворов кислот, щелочей, солей и т.д.), нефтеденсиметры для измерения плотности нефтепродуктов, лактоденсиметры, денсиметры морской воды и аккумуляторные денсиметры для измерения плотности раствора электролита.

Ареометры постоянной массы по их метрологическому назначению делятся на рабочие, образцовые и эталонные [16]. В настоящее время имеется много разновидностей конструкций автоматических плотномеров с плавающим поплавком, отличающихся типом (механические, электрические, пневматические) и устройством (индуктивные, потенциометрические) преобразователей для дистанционной передачи показаний. Такие плотномеры можно применять при работе с агрессивными жидкостями при изготовлении его из стойких к коррозии материалов.

Гидростатический плотномер включает в себя датчик, выполненный в виде цилиндра с мембранами, расположенными в его верхней и нижней частях [17, 18]. Внутри датчика находятся дифференциальный трансформатор и два соленоида. Сердечники последних кинематически связаны с нижней мембраной. Изменение плотности жидкости обусловливает изменение перепада давления между мембранами и соответствующее перемещение нижней мембраны. Дифференциальный трансформатор преобразует перемещение в электрический сигнал, поступающий на усилитель и преобразуемый затем в соответствующее изменение тока компенсационного соленоида. Изменение усилия, создаваемое соленоидом, компенсирует возникшее изменение давления на нижнюю мембрану. Измеряемая плотность оценивается по току в компенсационном соленоиде.

Ультразвуковые плотномеры относятся к приборам, обеспечивающим бесконтактное измерение плотности любых жидкостей. Показания прибора не зависят ни от свойств, ни от состава жидкости. Приборы характеризуются высокой чувствительностью и безынерционностью.

Ультразвуковой плотномер для жидкостей основан на измерении кинетического импеданса преобразователя, помещенного в жидкость [19, 20]. Изменения импеданса при небольших изменениях плотности носят линейный характер. Для измерения импеданса служит дифференциальный измерительный мост, одно плечо которого образовано магнитострикционным преобразователем, являющимся измерительным элементом, скомпенсированным емкостью. В другое плечо моста включен переменный резистор. Сигнал с выходного трансформатора моста через полосовой фильтр поступает на вход транзисторного милливольтметра. Излучающая поверхность преобразователя погружена в измеряемую жидкость.

Постоянство заданной частоты и уровня сигнала, питающего мост, обеспечивается акустической обратной связью. С этой целью на тыльной стороне преобразователя прикреплен датчик из титаната бария, сигнал с которого поступает на резонансный усилитель – ограничитель напряжения, питающий мост. С помощью переменного резистора устанавливается начало шкалы, а коэффициент усиления милливольтметра определяет пределы измерения. Диапазон измерения 1,3–1,7 г/см³, погрешность не более ±0,005 г/см³. Путем отказа от измерения скорости звука в среде достигнуто значительное упрощение электронной и акустической схем прибора [21].

Фирма Ronald Trist Controls (Великобритания) выпускает ультразвуковой плотнометр для измерения плотности шлама при осаждении сточных вод. Пьезоэлектрический преобразователь, акустически контактирующий с измеряемой средой, возбуждают на резонансной частоте и получают выходной сигнал, являющийся функцией акустического сопротивления, а следовательно, и мерой плотности [22].

Силовой датчик плотности жидкости представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе с контролируемым потоком. Плоскость диска параллельна направлению потока. Диск в центре привинчен к торцу тонкого стержня, расположенного перпендикулярно потоку и через боковой патрубок выходящего наружу, на преобразователь, присоединяемый к патрубку на фланце. Преобразователь отделен мембраной, сквозь которую проходит стержень. Полость преобразователя вплоть до мембраны заполнена рабочей жидкостью, компенсирующей влияние статического давления.

Датчик воспринимает статическое усилие, зависящее от давления и плотности, и динамическое усилие, определяемое скоростью потока и твердыми включениями. Для повышения точности измерений доля второго усилия сведена к минимуму, благодаря малой площади лобового сечения датчика, поэтому изменения скорости потока почти не влияют на результат измерения. В то же время гидростатическое давление, пропорциональное плотности, воспринимается всей поверхностью датчика, т.е. зависит в основном от площади диска, но так как последняя достаточно велика, то даже для малых плотностей выходной сигнал тоже достаточно велик. Путем насаживания на тот же стержень с некоторым интервалом двух и более параллельных потоку дисков можно во много раз увеличить чувствительность датчика. Дисковая форма датчика обеспечивает простоту и точность его крепления центральным винтом, а также удобство замены.

Датчик вихревого плотномера жидкостей имеет форму вертикально установленного прямоугольного параллелепипеда. Внутри датчик разделен вертикальными герметичными стенками и симметрично расположенными полуцилиндрами с горизонтальной продольной осью на три камеры: две внешние и внутреннюю. Стенки полуцилиндров пористые. Две жидкости различной плотности поступают во внешние камеры через штуцеры, перпендикулярные оси, проходят через стенки полуцилиндров во внутреннюю камеру, смешиваются в ней и выходят через осевой штуцер. Ввиду различия плотностей под действием силы тяжести образуется вихрь; угол наклона вихря, зависящий от геометрических размеров датчика, расхода и плотностей жидкостей, измеряется чувствительным элементом обтекаемой формы в виде крыла. При известной плотности жидкости выходной сигнал является мерой плотности другой жидкости. Чувствительность прибора ограничена шумами электронной измерительной схемы и составляет (по плотности) несколько миллионных долей грамма на кубический сантиметр.

Радиоактивный метод измерения относится к бесконтактным методам измерения, так как чувствительный элемент прибора не вводится внутрь измеряемой среды. В связи с этим радиоактивные плотномеры целесо- образно применять в тех случаях, когда измеряется плотность агрессивных или весьма вязких жидкостей, пульп и жидкостей, находящихся под высоким давлением или имеющих высокую температуру, и когда другие приборы практически неприменимы [23].

Существенным недостатком таких приборов является зависимость показаний от природы жидкости, что требует индивидуальной градуировки прибора для определенной жидкости.

В радиоактивных плотномерах, использующих источник с гамма-излучением, измерение плотности измеряемой среды возможно по поглощению излучения измеряемой средой. Определяется изменение интенсивности прямого пучка гамма-лучей после прохождения через исследуемую жидкость [24]. Радиоактивный источник и приемник излучения располагаются так, что прямой пучок гамма-лучей, пройдя через стенки трубопровода и исследуемую среду, попадает в приемник излучения или по рассеянию излучения исследуемой средой. Источник и приемник излучения размещают по одну сторону трубопровода и экранируют так, что в приемник поступают лишь те гамма-лучи, которые претерпели рассеяние в жидкости; прямой пучок гамма-лучей улавливается свинцовым экраном [25].

В настоящее время а промышленных приборах используется первый способ, т.е. измерение падения интенсивности прямого пучка гамма-излучения. В качестве источника последнего применяют радиокобальт (кобальт-60) и радиоцезий (цезий-137).

Гамма-лучи от радиоактивного источника проходят через контролируемую среду и воспринимаются приемником – сцинтилляционным счетчиком. Одновременно с этим от второго источника (контролируемого) гамма-лучи попадают на счетчик, минуя контролируемую среду. Усиленные сигналы счетчиков сравниваются между собой, и по их разности определяется степень поглощения гамма-лучей и, соответственно, плотность контролируемой среды [26, 27].

Величина измерительного диапазона может быть выбрана в пределах 0,3– 2,5 г/см3; точность ± 2 % от диапазона измерения; быстродействие не превышает 1,5 мин.

Выводы

В распоряжении разработчиков имеется широкая номенклатура промышленных плотномеров, позволяющих успешно решать, пусть и не всегда на желаемом или требуемом уровне, значительное число возникающих задач. Тем не менее массовому промышленному применению плотномеров препятствуют их недостатки, которые заключаются в особенностях метрологических характеристик, сложности монтажа и обслуживания, больших габаритах, недостаточной надежности и высокой стоимости. Сложно выделить хотя бы один серийно выпускаемый плотномер, способный обеспечить высокую точность измерений при успешной эксплуатации в промышленных условиях.

Достаточно высокие требования, предъявляемые к плотномерам, ставят перед исследователями задачи по разработке новых и совершенствованию существующих методов и средств измерения плотности. Однако существующие образцы плотномеров или сложны в обслуживании и эксплуатации, или имеют высокую стоимость, в особенности образцы зарубежного производства. Поэтому задача разработки новых методов и средств измерения плотности остается достаточно актуальной.

Источник