Устройство для измерения плотности жидкости

(5 ПЛ по Бюл,минов,В,В,Рыое наение пл с. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИ САНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(21) 3586652/18-25 (22) 05.05.83 (46) 07.06.84. М 21 (72) А.П.Кузь Р.Э.Капланов, Ю.И.Сипунов и баков (71 Гроз ненск учно-производственное объедин Промавтоматикаф (53) 532 137 (0888) (56) 1. Авторское. свидетельство СССР 9 561893, кл. Й 01 й 9/20, 1977.2. Глйбин И.Б. Автоматические плотномеры и концентратомеры в пищевой промышленности. М., Пищевая проьыаленность, 1975, с.35-36.3. Глыбин И.Б. Автоматические отномеры. Киев, Техни196544 (прототип) . РОЙСТВО ДЛЯ ИЭМЕРЕНИЯ ДКОСТИ, содержащее два ных объемов, связанных рычагом, опирающимся на опору, силовой преобраторичный прибор, о т " е е с я тем, что, с ння точности измеренийобласти применения устощади наружных поверхносв и нх проекций на плосндикулярную направлению, яемой жидкости, вйполнен 4) (57) УСТОТНОСТИ жиплавка разс двуплечимнеподвижнуюзователь и вличающцелью повщаеи расширенияройства, плтей поплавкокость, перпепотока измерравными, 10965321 О Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-зовано преимущественно в нефтянойи газовой промышленности для контроля плотности промывочной жидкостипри бурении нефтяных и газовых скважин, а также для контроля плотности различных жидкостей и пульп приавтоматизации процессов обогащения,катализаторных и цементных произв оде тв,Известно устройство для контроля.плотности жидкости, содержащее поплавок, полностью погруженный вжидкость и снабженный перфорированным защитным ограждением, корпус стермокомпенсаторами, двуплечий рычаг с горизонтальной осью вращения,соединенный одним концом с поплавком, а другим - с системой регистрации перемещения поплавка, соединенной с показывающим прибором, приэтом двуплечий рычаг закреплен вукрепленной в корпусе разделительноймембране, центр которой совмещен сосю вращения рычага, причем двуплечий рычаг снабжен вилкой с направляющими его вращательного движения,установленными в корпусе и конецрычага соединен с плоской пружинойпеременного сечения (1).Однако при измерении плотностиреологических жидкостей (промывочная жидкость при бурении, цементныеи гелеобразные растворы) поверхность попланка неизбежно покрывается коркой вещества, на основе которого приготавливаются эти жидкости, что вносит большую погрешностьна результат измерений. Аналогичныенедостатки имеет устройство и от воздействия тиксотропных свойстн реологических жидкостей, таких, как статическое и динамическое напряжениясдвига (прилипание поплавка к жидкости), Кроме того, возможно зашлампение твердыми частицами пространства между защитным ограждением и поплавком, что приводит к неработоспособности устройства.Известно также устройство для измерения плотности жидкости, содержащее два погруженных в жидкость цилиндрических поплавка разных объемов, но с одинаковыми поперечнымисечениями, один из которых рабочийа второй компенсационный в виде чаши.Поплавки подвешены к разным концамдвуплечего рычага, опирающегося нанеподвижную призму, снабженного грузом уравновешивания и связанного срамкой ферродинамического преобразователя. При такой конструкции устройства образование твердых осадков на торцовой поверхности рабочего поплавка не влияет на его работу, так как такое же количество твердых осадков об 1 азуется на чаше 2,2 О 25 ЗО Зм 4 О 45 5 О 55 Одн ако из - за неравенства наружных понерхностей поплавков и при работе в реологических жидкостях не компенсируются действующие на них силы, обусловленные весом корок на поплавах, воздействием статического и динамического напряжений сдвигов и вязкостным трением.Величина зависит от тиксотропных свойств жидкости и даже при их средних значениях результаты измерений искажаются до неприемлемых значений эПри работе устройства на потоке различные по величине и гидродинамические силы, приложенные к поплавкам от скоростного напора, Это объясняется тем, что площади проекций поплавков на плоскость, перпендикуляр. ную награвлению потока, различны по величине, так как различны длины поплавков. В случае восходящего потока это также возможно иэ-эа отклонения поплавков от вертикали го причине их собственных колебаний, неравномерности потока и поворота днуплечего рычага, Таким образом, устройство непригодно для измерения плотности реологических жидкостей, а также других жидкостей, имеющих скоростной напор что значительно снижает точность измерений и ограничивает область его применения аНаиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому экономическому эффекту явля". ется устройство дляизмерения плотности жидкости в восходящем потоке., содержащее два погруженных в жидкость поплавка разных объемов, но с одинаковым истинным весом, подвешенных к разным концам неравноплечего рычага, опирающегося на неподвижную опору, снабженного грузом уравновешивания и снязанного со стрелкой, подвижной относительно рпалы. Поплавки выполнены в виде сдвоенных конусов, нижние части которых равны, а верхние имеют разные высоты. Конусы соединены о:нованиями и обращены вершинами в противоположные стороны, при этом диаметры их оснований равны, что необходимо для компенсации гидродинамических сил в восходящем потоке (в горизонтальном потоке они нескомпенсированы), Поплавки могут выполняться также в виде цилиндров разной длины с конусными концами и одинаковых диаметров. При такой конструкции поплавки имеют не только разные объемы, но и разные площади наружных поверхностей (3). Неравенство площадей приводитк неравенству сил, воздействующихна них и обусловленных (при работепоплавков в реологических жидкостях)разным весом корок на поплавках (из-за их разных объемов), воздействием статического и динамичес-. кого напряжений сдвигов вязкостным трением. Кроме того, равенство гидродинамических сил от скоростного напора восходящего потока соблюдается лишь тогда, когда направление потока параллельно продольным осям поплавков, что практически трудно достигнуть. При нарушении 10 этого условия (из-за неравномерности потока и собственных колебаний поплавков) указанные силы также нескомпенсированы в результате неравенства площадей проекций поплавков на плоскость, перпендикулярную направлению потока, так как поплавки по конструкции аналогичные, а длины их разные. При горизонтальном направлении потока гидродинамические силы, действующие на поплавки устройства, всегда неодинаковы.Таким образом, наличие вредных сил, обусловленных реологическими свойствами контролируемых жидкостей, а также гидродинамических сил от ско-ростного напора, не позволяет использовать известные поплавковые устройства для измерения плотности реологических жидкостей на потоке из-за неприемлемо больших погрешностей изме рения, что ограничивает область их применения.Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение области применения устройства. 35Цель достигается тем, что в уст. ройстве, содержащем два поплавка разных объемов, погруженных в поток контролируемой жидкости и подвешенных к разным концам двуплечего рычага, опирающегося на неподвижную опору и жестко связанного с П -образной скобой, симметричной относительно его оси вращения и снабженной подвижным грузом уравновешивания и подвижным контактом для входного рычага силового преобразователя, связанного с вторичным прибором, поплавки имеют одинаковые площади .наружных поверхностей и одинаковые площади их проекций на плоскость, перпендикулярную 50 направлению потока.На чертеже показано предлагаемое устройство.Устройство содержит два поплавка 1 и 2 с разными объемами, погруженных в поток контролируемой .жидкости, направленный перпендикулярно плоскости чертежа. Поплавки 1 и 2 подвешены к разным концам равноплечего рычага 3, имеющего в центре опору 4 60 вращения и П -образную скобу 5, несущую подвижный груз б уравновешивания и контакт 7, связанный с входным рычагом 8 силового преобразователя 9,связанного с вторичным прибором 10. 65 Площади наружных поверхностейпоплавков, а также их проекций наплоскость, перпендикулярную направлению потока, одинаковые, что достигается подбором их форм и размеров,Поплавки изготавливаются из одного материала. Для обеспечения устойчивости поплавков в потоках с большими скоростями и сильными вихревьвждвижениями их необходимо делатьсплошными из мате)нала с плотностьюне менее 7,8 е/смУстройство работает следующим об.разом.Чувствительным элементом устройства являются два поплавка 1 и 2,подвешенные к разным концам равноплечего рычага 3, имеющего в центреопору вращения. При погружении поплавков в воду устройство настраива.ется на начальную отметку шкалы путем перемещения груза б уравновешивания на П -образной скобе 5 и контакта 7, связанного с рычагом силового преобразователя 9. Для этихцелей устройство комплектуетсядополнительной емкостью (не показана), При погружении поплавков в контролируемую жидкость с большей плотностью система оказывается разбалансированной за счет неодинаковых выталкивающих сил, приложенных к поплавкам и обусловленных их разнымиобъемами, В качестве силового преобразователя 9 можно использоватьэлектросиловой преобразователь типа ПЭ 1 ТУ 25,05.1708-74, которыйвоздействует через рычаг 8 и контакт 7 на скобу 5 и компенсируетсилу разбаланса.Момент М ., создаваемый разностьювыталкивающих сил поплавков, в результате изменения плотности контролируемой жидкости определяют уравнениемЯ( (, ,ЯА-(цЧ) 8 (1где 6 и Й к - вес поплавков, Н;и Ч - объема поплавков,м;плотность кон тролируемой жидкости,кг(м 3;А и Ь - расстояние от точекподвеса поплавков доточки опоры рычагов(в нашем случаеЯ =8),Анализируя формулу (1), можно сделать вывод, что момент М зависит только ст плотности жидкости, так как остальные величины постоянны.Момен; М ж компенсируется силовым преобразователем, выходной сигнал которого подается на вторичный прибор со шкалой, проградуированной в единицах плотности, 1096532В качестве вторичного прибора можно применить электронный автоматичес кий патенциометр КСПЗ-П.Если контролируемая жидкость об" ладает реологическими свойствами, то на поплавки действуют дополнительные5 силы, которые однако, не вносят до)полнительных погрешностей н результат измерения по слЕдующим причинам.Моменты от сил ц, обусловленных статическим и динамическим напряже-, 10 ниями сдвига, относительно оси вращения рычага равны,. имеют разные зна ки и, таким образом, взаимно ком" пенсируются) последнее достигается тем, что поплавки имеют равные на ружные площади поверхностей и равные плечи рычага 3.Моменты от снл М, обусловленных нязкостным трением, также взаимно исключ чются по изложенным причинам. Силы (гидродинамические) , обусловленные скоростным напором жидкос" ти, одинаковые и взаимно исключаются по причине равенства проекций площадей поплавков на плоскость,25 перпендикулярную направлению потока и плеч рычага 3. Кроме того, на . поплавки действуют силы Ц , обусловленные весом отложившейся на поплан" ках корки (например, глинистой) .Так как поплавки находятся в оди" наконых услониях и изготовлены из одного материала, то и толщины и корок равные. Тогда объемы корок также раВны и вычисляются по о м леФруф Б, (2) где Б - площадь наружной поверхностикаждого поплавка в отдельности, а по условию они равны, 40Подбор Формы и размеров поплав" ков, имеющих разные объемы при одинаковых наружных поверхностях и равных площадях их проекций на плос, кость, перпендикулярную направлению потока, произ водится следующим образом.Один из поплавков выполнен в виде шара диаметром 6=10 см, а другой в виде сдвоенного конуса, где конусы соединены основаниями и обраще-, 50 ны вершинами в противоположные стороны поперек направления потока. Размеры каждого конуса - радиус основания ) , длина образующей С и высота 1 неизвестны и подлежат подборуаПоверхность сдвоенного конуса Б8 = 2 = 22 гг = 22 г - гг+)11, )3) где М - боковая поверхность одногоконуса;60 г,с и Ь - ,соответственно радиус основания, длина образующейи высота конуса, см.ВНЩЩК Заказ 3816 31Фттал ПЛП Патент" г. Площадь проекции сдвоенного конуса ББ; - 2 Ьг.35(42Задаваясь размером диаметра шар 6- вого поплавка д=10 см, определяем его площадь поверхности Р, смР =.мб = 3,14 10 (5) ) и площадвьего проекции Г)33 , см2Р: Н 2 = 3 14 5 =78,5, (б)2Ргде М - радиус шара, см.Из условия равенста поверхностей и площадей проекций поплавков составляем систему уравнений и определяем размеры конусаБ = Р = 3,14 100 смг25 2 "Я 1 451 )7)Я = 78,5 см = 2 Ьг (8)В уравнении (7) избавляемся от корня, а уравнение (8) возводим в квадрат2,100 г: 4)ГГ 4+ 4 ггд Ь278,5 = 4 Ь 2 г 2Произведя сокращение подобныхчленов и подстанонку, окончательноимеем100 = 4 г 4 + 78,5Откуда определяем радиус основания конуса, см100 -78 51Из Формулы (б) определяем высотуконуса, см78 5 78 521 г 5,612Имея численные значения размеровконуса, производим проверку заданныхвеличин, см8 = 252 "г 114 81 = 2 3,14 5,55 61 + 72 - 314)- 2 Мг = 27546 = 7875Таким образом, наружные поверхности поплавков 5 и Г равны, как равныи площади их проекций Б и Гч наплоскость, перпендикулярную направлению потока (в данном случае перпендикулярно плоскости чертежа),Проверяем неравенство объемонпоплавковс 1 3 14 410б6где Чш - объем шара, смЧ = 2-г= 2 - 5 6 3 14 г 459,7 гг 3где Ч)4 - объем конуса, смИз вычислений видно, чта объемыпоплавков при выбранных размерахне одинаковы,раж 823 ПодписноУжгород, ул. Проектная, 4