Плотномер жидкостей

(56) Кузьмин С. Г, Промышленные"приборы исредства автоматизации в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, М.: Химия, 1987, с. 69.Авторское свидетельство СССР Ь 1693460, кл. 6 01 й 9/00, 1989. (54) ПЛОТНОМЕР ЖИДКОСТЕЙ (57) Использование, непрерывйое измере. ние плотности контролируемой жидкости в химической, нефтехимической и др. отраслях промышленности, Сущность изобретеИзобретение относится к области приборостроения, а именно к автоматическим плотномерам жидкости, предназначенным для непрерывного измерения плотности контролируемой жидкости и преобразования результатов измерения в стандартный выходной сигнал, Предлагаемый плотномер может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности для контроля плотности жидких технологических сред. симмеции,атурной комленс ичности те иреЦелью изобретения является рас ие области применения и повышени ости определения.На фиг, 1 представлена схема кон ии плотномера; на фиг, 2 - узел креп омпенсационного груза; на фиг. 3 - г еточтрукения афик ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР. - К АВТОРСКОМУ 2ния: плотйомер содержйтпроточную камеру с упругим гермовмводом, измерительнуюкинематйческую систему с поплавком, штоком и опдрой вращения;соедйненную с блоком формированйя выходного сигнала и размещейный внутри поплавка жидкостно- грузовой:блок температурной компенсации . с компенсационным сильфоном, компенсационным грузоми пружиной возврата груза, Поплавок снабжен распорной трубой, закрепленной на.противоположных торцах поплавка; компенсационный груз соединен .с компейсационным сильфоном посредством штока., размещенного внутри распорной трубы и подвешен на упругих направляющих, опорйые ступицы которых закреплены на распорной трубе, а пружина возврата груза выполнена в виде упругих направляющих с опорными ступицами, 3, ил. Плотномер содержит два основных блока: измерительную кинематическую систему 1 и блок Формирования выходного сигнала 2, Измерительная кинематическая система 1 содержит проточную камеру 3, в которой размещен поплавок (жесткий, цилиндрической формы) 4, соединенный полым штоком 5, имеющим опору вращения 6, с блоком формированиявыходного сигнала 2. Вывод штока 5 из проточной камеры 3 герметизирован разделительным сильфоном 7. Проточная камера 3 снабжена входным 8 и выходным 9 штуцерами, Внутри поплавка 4 размещен блок температурной компенсации, содержащий компенсационную полость 10, размещенную на переднем. сильфона 11, размещенный на заднем торце. поплавка, Полость компенсационногосил ьфона 11 капилляром 12 сообщена с компенсационной полостью 10, Узел компенсационного сильфона 11 содержит компенсационный сильфон 13, подвижный бурт которого соединен штоком 14 с помощью трехвинтов 15 с компенсационным грузом 16,Винты 15 проходят через продольные пазыв распорной трубе 17, закрепленной на переднем торце 18 поплавка 4 и узле компенсационного сильфона 11.На распорной трубе винтами 19 закреплены опорные ступицы 20, к которым винтами 21 прикреплены упругие направляющие. 22, к которым винтами 23 прикреплен (подвешен) компенсационный груз 16, Внутрикомпенсационной полости 10 поплавка 4размещен регулировочный сильфон 24, подвижный бурт которого регулировочнойшпилькой 25 соединен с наружным торцемполости штока 5 с помощью П-.образногокронштейна 26 и гаек 27, Проточная камера3 заполнена контролируемой жидкостью 28,а компенсационная полость 10 и полостькомпенсационного сильфона 11 поплавка 4заполнены компенсационной жидкостью, 29,Блок формирования выходного сигнала2 содержит рычаг 30, закрепленный на полом штоке 5, с рычагом 30 соединены подвижные бурты сильфонов обратной связи31 и 32 и заслонка 33, перекрывающая сопла 34,В блок формирования вйходного сигнала 2 входят также узел корректировки нуляс пружинами 35 и 36 и винтом настройкинуля 37; а также пневмоусилитель 38 и жидкостный демпфер 39,Плотномер работает следующим образом. Контролируемая жидкость 28 черезвходной штуцер 8 входит в проточную камеру 3, омывает поплавок 4 и выходит черезвыходной штуцер 9. На поплавок 4 со стороны контролируемой жидкости 28 действуетвыталкивающая сила, поворачивающая кинематическую систему плотномера (рычаг 5и сильфон 7) на некоторый угол, При этом наблоке формирования выходного сигнала 2,формируется выходной сигнал, пропорциональный плотности контролируемой жидкости 28, так как рычаг 30 поворачиваетсяна такой же угол, как и шток 5 относительно опоры 6. При этом изменяется зазор между заслонкой 34 и соплом ЗЗ, и изменитсядавление, обрабатываемое узлом сопло-заслонка. Это давление, усиленное пневмоусилителем 38, является выходным сигналомплотномера Рв,. Это.же давление Рвво 30 результаты измерения плотности этой жидкости необходимо такое компенсирующее воздействие на измерительную кинематическую систему плотномера со стороны блока 35 температурной компенсации, при которомпри любых значениях температуры контролируемой жидкости (при неизменной собственной плотности жидкости) выходной сигнал плотномера оставался бы неизмен 40 ным Условие равновесия кинематическойсистемы плотномера при любых температурах (но постоянной плотности) контролируемой жидкости имеет вид45 ЛМ = ЛМ.ЛМр = Л Рвыт 1.и,(1) (2) 50 55 5 10 15 20 25 дится в полости сильфонов обратной связи 31 и 32, формируя усилие силовой компенсации и обеспечивая тем самым высокую точность измерений. Начальное значение выходного сигнала настраивается винтом корректора нуля 37. В установившемся режиме (при постоянной плотности контролируемой жидкости и постоянной ее температуре) выходной сигнал плотномера устанавливается равным какому-то постоянному значению,При изменении плотности контролируемой жидкости устанавливается новое соотношение между выталкивающей и погружающей силами, действующими на поплавок, и устанавливается новое значение выходного сигнала,При неизменной собственной (физической) плотности контролируемой жидкости, но при изменении ее температуры, изменится действительное значение плотности жидкости: при повышении температуры плотность уменьшится, при понижении температуры - плотность увеличится. Соответственно изменится и величина выталкивающей силы. Гвыт., действующей на поплавок, а значит и выходной сигнал изменится в соответствующую сторону,Для исключения влияния изменения температуры контролируемой жидкости на где ЛМр - изменение рабочего крутящего момента плотномера относительно опоры вращения 6, .Л Ев, - изменение выталкивающей си лы, действующей на поплавок, от изменения температуры на величину Л ,- расстояние от оси опоры вращения б до геометрического центра поплавка;Л М - изменение компенсационного крутящего момента относительно оси опоры вращения б.(4) Если же задаться иОннОЙ жидкости еделить массу ком бходимогодля обес компенсации плот количество кж то из енсацион печения те номера: м компен- (8) можно ного груза,мператур 40 сацОпР нео ъ- .Ной и 45 вка;емой жид турного о й (контро плеча грузаема компен(5 е изменение обдкости от изменеину Ьт;щадь компенсаци ение объема ком определяется вы Изменение компенсационного крутящего момента зависит только от изменения положения груза 16 относительно опоры вращения 6, т. к. центр масс остальных частей поплавка остается неизменным. Поло жение же груза 16 относительно опоры 6 (величина плеча Ьр,) зависит от объема компенсационной жидкости 29 в компенсационной полости поплавка, При увеличении температуры контролируемой жидкости 28 10 увеличивается и температура компенсационной жидкости 29..Объем компенсационной жидкости увеличится, компенсационныйсильфон 13 сожмется и переместит компенсационный 15 груз 16 в сторону опоры вращения 6, При понижении температуры контролируемой жидкости понизится и температура компенсационной жидкости, объем ее уменьшится : и компенсационный груз переместится в 20 противоположную сторону. Изменение компенсационного усилия, вызванное изменением температуры контролируемой и компенсационной жидкости, определяется выражением; 25 где Сгп. - масса компенсационного груза,Ь гр, - температурное изменение плеча - положения груза относительно опоры 4,Изменение рабочего крутящего момента, вызванное изменением температурыконтролируемой жидкости на величину, определяется выражением где Чп - наружный объем поплар - плотность контролирусти;ф - коэффициент темпераемного расширения измеряеморуемой) жидкости,Температурное изменениеЬ Ьр, зависит от изменения объсационной жидкости: Ь , ЬЧкж,гргде Ь Чк.ж, - температурнема компенсационной жиния температуры на велиЗк - эффективная плоонного сильфона,Температурное измепенсационной жидкостираже нием где Рк - коэффициент температурного рас. ширения компенсационной жидкости;Чк,ж, - объем компенсационной жидкости в компенсационной полости.Подставив (6) в (5), а затем (5) - в (3), получим Подставив (4) и (7) в (1), получим Уравнение (8) выражает условие обеспечения температурной компенсации плот- номера для принятых конструктивных характеристик плотномера (объема поплавка, веса. компенсационного груза, объема жидкости в компенсационной полости, эффективной площади компенсационного сильфона, длины плеча от оси опоры вращения до геометрического центра поплавка), от плотности контролируемой жидкости и от коэффициента объемного расширения контролируемой и компенсационной жидко стей.Из (8 получаем выражение для определения необходимого объема компенсационной жидкости (при известных остальных параметрах плотномера): Оперируя выражениями (8), (9) и (10), можно выбрать оптимальные конструктивные параметры плотномера,Из выражений (6) и (5) видно, что, при уже выбранных остальных конструктивных параметрах плотномера, наибольшее изменение плеча установки компенсационного груза обратно пропорционально эффективной площади компенсационного сильфона Зк. Т, е, чем меньше эффективная площадь этого сильфона. тем эффективней температурная компенсация.5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Следует также указать, что начальное равенство моментов относительно опоры вращения от воздействия на поплавок выталкивающей и погружающей сил имеет вид;Рвыт. 1 и = См.п. 1 м.п, + СГр. 1 гр., (11) где С,п, - вес металлоконструкций поплавка (беэ массы компенсационного груза),м,п. - величина плеча от оси опоры вращения до центра масс См,пЬр. - величина плеча от оси опоры вращения до оси балансировочного груза,Иэ (11) следует, что чем больше плечо Ьр. (т. е. чем дальше компенсационный груз размещен от опоры вращения), тем меньше масса компенсационного груза по абсолютной величине, а значит и меньше суммарная масса поплавка.Из выражений (3) и (11) видно, что температурная компенсация может быть обеспечена для довольно широкого диапазона плотностей контролируембй жидкости; чем больше возможность изменения плеча установки груза Ьр, тем больший диапазон плотностей охватывает плотномер. В предложенном плотномере, эа счет наличия распорной трубы между внутренними торцами сильфона, обеспечено размещение компенсационного груза практически по всей длине поплавка, что расширяет область измерений плотномера: при начальном раз-. мещении компенсационного груза ближе к опоре вращения обеспечивается возможность контроля жидкости с меньшей плотностью, при начальном размещении груза вблизи дальнего (от опоры вращения) торца поплавка обеспечивается контроль жидкости с большей плотностью.Минимальная температурная инерционность системь 1 термокомпенсации плот- номера достигается размещением максимального количества компенсационной жидкости в зоне интенсивного теплообмена с контролируемой жидкостью - на торцах поплавка, С этой же целью ограничен до минимума объем компенсационной жидкости внутри компенсационной полости,Для обеспечения соблюдения условий равенства(8) в реальных условиях, когда все конструктивные элементы плотномера имеют естественные отклонения от номинальных величин (эа счет поля допусков на размеры, эа счет разброса эффективных площадей сильфонов, которые достигают 2,5 - 4,0от номинала) в предлагаемом плотномере имеется механизм регулирования объема компенсационной жидкости: изменяя деформацио регулировочного сильфона 24 (вращением гаек 27), при зафиксированном донышке сильфона 13, изменяют в большую или меньшую сторону объем компенсационной полости (до ее герметизации), а следовательно, и объем компенса- ционной жидкости,Узел регулирования выполняет еще одну функцию; вращением гаек 27, при незафиксированном положении донышка сильфона 13, изменяют деформацию регулировочного сильфона 24,(при герметизированной компенсационной полости), что приводит к перемещению донышка кОмпенсационного сильфона 13, а следовательно, и к перемещению компенсационного груза 16 в ту или иную сторону, Таким образом устанавливается оптимальное исходное положение груза, что обеспечивает усреднение (оптимизацию) температурной погрешности плотномера,Важным отличительным признаком предложенного плотномера является крепление компенсационного груза 16 на упругих направляющих 22. Подвешенный на упругих направляющих 22 груз 16 перемещается вдоль оси поплавка без трения - только за счет прогиба упругих направляющих, Это обеспечивает стабилизацию температурной компенсации плотномера при изменении знака изменения температуры контролируемой жидкости, На графике фиг.3 видно, что при изменении, например температуры контролируемой жидкости от 190 ОС до 210 С и обратно до 190 С выходной сигнал плотномера изменяется закономерно: и при изменении температуры от меньшей к большей, и при изменении температуры от большего значения к меньшему величина температурной погрешности имеет одинаковую величину Ь Р 1 и одинаковый знак (график "а"),У плотномера же прототипа, у которого компенсационный груз перемещался непосредственно по направляющей, из-за влияния сил трения при обратном знаке изменения температуры контролируемой жидкости (от 210 С к 190 С) выходной сигнал плотномера не возвращался к значениям прямого хода температур (от 190 С к 210 С),а оказывался завешенным на 5 - 8 7;, что очень много для точных плотномеров (график 3 б),Таким образом, упругая подвеска компенсационного груза в предложенном плотномере позволяет стабилизировать температурную компенсацию плотномера. Кроме того, установка компенсационного груза на упругих подвесках позволяет отказаться от пружины возврэа груза рольэтой пружины выполняют сами упругие направляющие; при уменьшении температуры контролируемой и компенсационной жидкостей они возвращают груз в исходное положение.Формула изобретения Плотномер жидкостей, содержащий проточную камеру с упругим гермовыводом, измерительную кинематическую систему с поплавком, штоком и опорой вращения, соединенную с блоком формирования выходного сигнала, и размещенный внутри поплавка жидкостно-грузовой блок температурной компенсации с компенсационным сильфоном, компенсационным грузом и пружиной возврата груза, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью расширения области применения и повышения точности опреде ления, пружина возврата груза выполнена ввиде упругих направляющих с опорными ступицами, поплавок снабжен распорной трубкой, закрепленной на противоположных торцах поплавка, компенсационный 10 груз соединен с компенсационным сильфоном посредством штока, размещенного в распорной трубе, и подвешен на упругих направляющих, опорные ступицы которых закреплены на распорной трубе,1798660 Рг гю Составитель Е,ШполянскийедакторТехред М,Моргентал Корректор Л, филь Заказ 767 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при Г 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101