Способ определения плотности жидкости

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения плотности жидких сред.Цель изобретения - повьпцение точности и упрощение определения плотности эа счет исключения операций перемещения трубки компенсатора балластного давления и измерения его величины. 10На фиг. 1 изображена структурная схема пневмометрического плотномера реализующего предлагаемый способ; на фиг,2 - управляюще-вычислительный блок; на фиг. 3 - временная диаграмма 15 работы плотномера.Способ заключается в том, что воздух продувают за два такта через длинную и короткую измерительные трубки, помещенные в исследуемую жид кость, и компенсатор давления, причем в первом такте продувают воздух через компенсатор и короткую трубку, регулируют давление в компенсаторе так, чтобы перепад давлений между компенсатором и короткой трубкой стал равен нулю, во втором такте продувают воздух через компенсатор и длинную измерительную трубку, измеряют перепад давления между ними, по которому су 30 дят о плотности жидкости.Способ реализуется с помощью пневмометрического плотномера.Плотномер содержит блок 1 питания воздухом, питающий плюсовую 2 и мину совую 3 независимые пневмолинии, между которыми включен дифманометр 4, Ппюсовая пневмолиния 2 через нормально закрытый пневмоклапан 5 эапнтывает . основную измерительную трубку 6, по груженную в контролируемую жидкость на глубину Н, а через нормально открытый пневмоклапан 7 - дополнительную трубку 8, погруженную в жидкость на глубину Н + 11. Минусовая пневмо линия 3 через нормально закрытый пневмоклапан 9 запитывает пневмоемкость 10 и последовательно соединенный с ней пневмодроссель 11, связанный с атмосферой через нормально закрытый пневмоклапан 12. Иинусовая ка" мера дифманометра 4 связана с минусовой пневмолинией 3 в месте соединения пневмоемкости 10 с пневмодросселем 11, выход дифманометра 4 соединен 55 с входом управляюще-вычислительного блока 13, первый выход которого связан с входами управления пневмоклапанов 5 и 7, а второй и третий - с входами управления пневмоклапанов 9 и12 соответственно,Управпяюще-вычислительный блок 13состоит из компаратора 4, первыйвход которого связан с выходом дифманометра 4, а второй - с выходом блока 15 уставки, триггера 16 с установочными входами, первый вход которого (вход сброса) соединен с выходомкомпаратора 14, а выход - с входомуправления пневмоклапана 12, генератора 17, триггера 18 со счетным входом, вход которого связан с выходомгенератора 17, а первый выход - свходами управления пневмоклапапов 5и 7, первым входом схемы 19 совпадения и входом одновибратора 20, выходкоторого связан с входом управленияпневмоклапана 9, вторым входом 1"Установка") триггера 16, входом инвертора 21 и вторым входом "Разрешениеприема") регистра 22, преобразователя напряжение - частота 23, вход которого соединен с выходом дифманометра 4, схем 24 и 25 совпадения, пер -вые входы которых связаны соответственно с первым и вторым выходамитриггера 18, а третьи - с выходомпреобразователя 23, и реверсивногосчетчика 26, первый, второй и третийи 11входы которого (входы Сложение"Вычитание" и "Сброс" ) соответственно соединены с выходами схем 25, 24и 19 совпадения, а выход - с первымвходом регистра 22, Второй и третийвходы схемы 19 совпадения соответственно связаны с выходом инвертора 21и выходом генератора 17, а вторыевходы схем 24 и 25 совпадения - с вы -ходом инвертора 2 7, вход которогосоединен с выходом генератора 17.Способ осуществляют с помощьюплотномера следующим образом.В первом такте в плюсовую пневмолинию 2 подключают основную измерительную трубку 6 и регулируемым ком -пенсатором балластного давления, реализованным в минусовой пневмолинии 3с помощью пневмоемкости 10, пневмодросселя 11 и пневмоклапанов 9 и 12,добиваются нулевого или близкого кнулевому показания дифманометра 4.Это показание запоминают и фиксируют для этого состояния давление вкомпенсаторе,Во втором такте при фиксированномзначении давления в компенсаторе увеличивают глубину погружения иэмери 1434330тельной трубки - подключают н плюсовую пненмолинию 2 измерительную труб.ку 8 и запоминают показания дифманометра 4. Искомая плотность пропор 5 циональна разности показаний дифманометра 4 во втором и первом тактах.В -м такте измерения (1. = ,3, 5. ) и плюсовую камеру дифманометра 4 действует давление 10Р = (3 дн + Р, л Р 6 + Ргде и - измеряемая плотность;я - 9,81 м/с - ускорение силы тяжести; 15Р - потери давления на участке/ (пневмолинии от места подключения дифманометра до нижнегосреза барботажной трубки,обусловленные трением воздухао стенки пневмолинии и трубкив 1.-м такте;Р - избыточное давление воздуха,обусловленное силами поверхностного натяжения, необходи мое для отрыва пузырька отнижнего конца трубки в х-омтакте;Р - давление, обусловленное скоростным напором жидкости,изменяющим условие отрыва пузырька воздуха от нижнегоконца трубки в 1.-м такте.Пусть в момент компенсации давление в компенсаторе (в пневматическойемкости 10) равно Р; .Если модель статической характеристики дифманометра 4 имеет ниду =а,+а,(Р, - Р,),где у - выходной сигнал (ток, напряжение и пр.);а а - номинальные коэффициенты моодели;а, - смещение статической характеристики, обусловленноедрейфом нуля дифманометра 4;а - коэффициент чувствительности(дифманометра 4,то в 1-м такте н момент компенсациисигнал на выходе дифманометра 4 равен у, = а,+ а,; (8 Н+йР; - Р;),(1) где а . а - значения коэффициентово 1модели статической ха 55рактеристики в д-м такте.ЛР, = Р; + Р 6; + Р. В (1+1)-м такте на плюсоную камеру дифманометра действует давлениеР(+ " К(Н + Ь)+ РЧ,+Р 6(;1+Р;1Так как длительность такта измерения всегда можно сделать достаточно малой, то:а(1+ ПЪР(, = РЗначения давления н компенсатореи коэффициентов модели также не могут измениться за время одного такта,следовательно:л(,.а 1 о 1 юа(= аТаким образом, в (1+1)-м тактесигнал на выходе дифманометра 4 ранен- а, + а,р а(Н + Ь) а Ы;- Р.-1 (2) Из (2) и (1) имеемУ У - а цЬ Отсюда искомая плотность находится по алгоритмуу+ у(3)а дЬПри полной компенсации у; = 0 иизмерительный алгоритм принимает виду(4)а, я 11Значение Ь выбирается из следующего соображения.Для заданного предела измеренияР дифманометра 4 при максимальнойизмеряемой плотности бмо значениеперепада давления на дифманометре 4во втором такте не должно выходитьза предел измерения,Для= макс в первом такте имеемР, Р, р,аН+ аР, Р, О, (5)во втором тактеРй Р 11 маис 8(Н+11)+ ЬР, - РР( (6)Отсюда найдемРоЬ =- -- (7)(мас БКак видно из (3) и (4), значение плотности контролируемой жидкости независит от условий работы плотномераи дрейфа нуля дифманометра, а опре 1434330деляется результатами двух соседних тактов измерения и величиной 11.Таким образом, определение текущей плотности жидкости производится по результатам двух тактов измерения. В первом такте открыт пневмоклапан 5, а плевмоклапан 7 закрыт и работает измерительная трубка 6. Ком,пенсация перепада давления на дифманометре 4 осуществляется в минусовой ,лневмоликил 3 регулированием давле,ния в пневмоемкости 10. Для этого, в ,течение короткого времени открывают ,пневмоклапан 9 и закрывают пневмокла:пан 12. Давление в пневмоемкости 1 О начинает возрастать и в некоторый мо,мент превысит давление в плюсовой ка,мере дифмалометра 4, Сигнал на его выходе становится отрицательным. За - тем закрывают пневмоклапал 9 и открывают пневмоклалан 12. Давление в ем;кости начинает монотонно падать, так как она разряжается в атмосферу через пневмодроссель 11 и сигнал на выходе дифманометра 4 возрастает.Как только достигается нулевое значение сигнала на выходе дифманометра 4, пневмоклапан 12 закрывается и производится съем информации (сигнал на выходе дифманометра может быть немного больше нуля, так как быстродействие пне-;: - моклапанов ограничено и за время переключения давление в пневмоемкости 10 может уменьшиться).Во втором такте пневмоклапан 5 закрыт, а пневмоклапан 7 открыт, Состояние элементов в минусовой пневмолинии 3 остается неизменным. Так как рабогает дополнительная трубка 8, то давление в плюсовой камере дифманометра возрастает и производится съем информации о результате второго такта измерения. Вычисление плотности а также все манипуляции с пневмоклапанами производит улравляюще-вычислительный блок 13, работающий следующим образом (см. фиг.3, где временные диаграммы 28-36 иллюстрируют работу соответственно генератора 17, триггера 18, одновибратора 20, схемы 19 совпадения, схем 24 и 25 совпадения, дифманометра 4, компаратора 14, триггера 16).В исходном состоянии пневмоклапаноткрыт, пневмоклапаны 5, 9 и 12 за крыты, триггеры 16 и 18 находятся в состоянии "Ол. Длительность тактовравна Т и определяется генераторомра 17 триггер 18 устанавливается всостояние "1" и открывает пневмоклапан 5, а пневмоклапан 7 закрывает иработает трубка 6. По переднему фронту импульса с первого (прямого) выхода О 5 20 25 ЗО 35 40 триггера 18 запускается одновибратор 20,вырабатывающий положительный импульсдлительностью Я , открывающий пневмоклапан 9 на это время, За это времядавление в пкевмоемкости 10 превыситдавление в плюсовой камере дифмакометра 4, на его выходе сигнал будетиметь отрицательный знак. Комларатор14 совместно с блоком 15 уставки настраивается таким образом, что онсрабатывает при небольном отрицательном сигнале, а отключается при кулевом сигнале на его входе, Следова";тельно, в течение времени, не превыпающего величину Г , компаратор 4сработает и будет находиться в состоянии "1", Задним фронтом импульсас одновибратора 20 триггер 16 устанавливается в состояние лл и откры -вает пневмоклапан 12. ПневмоемкостьО начинает разряжаться через лневмодроссель 11 в атмосферу, давление вней падает, сигнал на выходе дифмакометра 4 увеличивается и когда достигает нулевого значения, компаратср 14отключается и переходит в состояние0. Задний фронт импульса компаратора 14 сбрасывает триггер 16, лневмоклапан 12 закрывается фиксируя такоедавление в пкевмоемкости 10, чтопоказания дифманометра равны илиблизки к нулю. Объем пневмоемкости 10, величина пневмосопротивления пневмодросселя 11, длительность импульсов Т, и с. выбираются таким образом, чтобы за время 3 с давление в пневмоемкости О превысило давление в плюсовой камере дифманометра 4, за время Т -сравнялось с ним. Этого легко добиться. варьируя величинами Г и Е , - лкев- мосопротивление лневмодросселя 11.Таким образом, к моменту окончания импульса с генератора 17 дифманометр, 4 показывает нулевое или близкое к нулю значение, которое, преобразованное в частоту на преобразователе 23, в течение времени Т-Т формируемого схемой 24 совпадения,45 50 55 17, формирющим положительные импульсы длительностью Т с периодом Т. Попереднему фронту импульса с генерато1434330 поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 26.Пусть характеристика преобразователя 23 имеет вид Г=1+Ку1где Г - начальная частота, соот ветствующая нулевому сигналу с дифманометра,К - чувствительность преобразователя.Тогда за время первого такта измерения иэ счетчика 26 спишется число Ы, = Е,(Т - Т) = (Г +1,у)(Т -- Т,),Второй импульс с генератора 17 передним фронтом сбрасывает триггер 18, пневмоклапан 5 закрывается, а пневмоклапан 7 открывается и начинает работать трубка 8. Давление в плюсовой камере дифманометра 4 возрастает,на его выходе появляется сигнал, который в течение времени Т-Т, формируемого схемой 25 совпадения, поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 26 и в него записывается 11 импуль сов:(т - т,) = (г + ку )(т- Т,),Таким образом, к концу второго такта в реверсивном счетчике 26 будет число Н = И, - Н, = К(Т - Т,)(у, - у,) == К(Т - Т, )а, е 11, (8) прямо пропорциональное измеряемой плотности.В третьем такте это число по сигналу импульса с одновибратора 20 перепишется н регистр 22, а импульсом длительностью Т- , формируемым схемой 19 совпадения, сбрасывается реверсивный счетчик 26, и далее работа схемы повторяется.Таким образом, в регистре 22 всегда находится число, пропорциональное плотности жидкости, определенной в предыдущем цикле измерения. Иэ (8) видно, что дрейф нуля преобразователя 23 также не влияет на результат измерения и,:варьируя величиной К или Т, всегда можйо"добиться условия К(Т - Т,)а,я 11 = 1 и сразу получить резулы ат в единицах плотности,Способ обладает повышенной точностью, не зависит от таких влияющихфакторов, как уровень контролируемойжидкости, избыточное давление, скорость потока, расход воздуха в пневмолинии, температура, дрейф нуля измерительного преобразователя, падение давления н компенсаторе. Плотно меры, реализующие предлагаемый способ, могут длительно эксплуатиро-,ваться в реальных условиях без настройки и коррекции.Положительный эффект от использо вания изобретения достигается за счеттого; что параметры компенсатора иперепад давления на нем не входят врезультат измерения и не влияют нанего, в качестве компенсатора можно 20 использовать не только гидравлическийзатвор с регулируемой пьезометричес 1 кой .трубкой, но и более простые игрубые устройства, например, регулируемый дроссель, пневмоемкость с от секающими клапанами и пр.В то же время аддитивные погрешности в предлагаемом способе компенсируются в результате взятия разности показаний во втором и первом так- ЗО тах а мультипликативные (изменениекоэффициента чувствительности и погрешность нелинейности, вызванная отличием реальной статической характеристики от принятой линейной модели)ослабляются за счет сужения динамического диапазона измерения дифманометра и входят в результат измеренияне напрямую, а ослабленные в и раз,где и - отношение динамического диа О пазона изменения давления на трубкек пределу измерения дифманометра. При увеличении и мультипликативную погрешность можно довести до за данного уровня. Следовательно, в способе отсутствует дополнительная температурная погрешность (при такой жеосновной) и он проще реализуется,так как не требует сложного регулируемого компенсатора давления или нетребуется измерителя перемещения пьезометрической трубкиформула изобретения 55Способ определения плотности жидкости, заключающийся в продувке воздуха за два такта через длинную и короткую измерительные трубки, помещен 1 34330 Оные в исследуемую жидкость, и компенсатор давления, регулировании давления в компенсаторе, измерении разности давлений в компенсаторе и измерительных трубках с последующим определением плотности, о т л и ч а ю - ,щ и Й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения определения, в первом такте продувают воздух черезкомпенсатор и короткую трубкч, регулируют давление в компепсаторе так, чтобы перепад давления между компен 5 сатором и короткой трубкой стал равен нулю, во втором такте продувают воздух через компенсатор и длинную измерительную трубку, измеряют перепад давления и по нему судят о плот 10 ности жидкости,1434330 Составитель В.ПересадькТехред А.Кравчук едактор М,Петрова Кравцова орре аказ 5549/4 писное В 11 ИИП 113035, М Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная Тираж 847Государствеелам иэобресква, Ж,ого комитета СССний и открытийаушская наб., д.