Денситометр

(31) 136726/7 2) 12.11,76 осударственный комитет СССР но делам нзобретеннй н отарытнйбликовано 30,0 а опубликовани описания 30.07.8 ДЕНСИТОМЕТ Изобретение относится к технике, измерения параметров жидкости, содержащий твердые частицы, и может найти применение в денситометрах для измерения концентрации таких твердых частиц в жидкости, у который диаметры способны изменяться в зависимости от работы эмульсификатора 1Известны денситометры для измере", ния концентрации твердых частиц в жидкой среде, содержащие источник света, фотоприемник и схему регистрации 1.Однако поскольку частицы пробы жидкой среды распределяются в ней п случайному закону, то трудно точ н измерить концентрацию или мутность пробы.Для устранения укаэанного недос татка пробу жидкой среды взбалтывают с помощью ультразвукового эмульсификатора так, чтобы получить равномерное распределение частиц и затем оптически измерить концентрацию 25 или мутность пробы жидкой среды.аиболее близким агаепо технической и явся денситометр, с й опски связанные исто та ячейку с ультразвуковым эмульсификатором, фотоприемник, а также первую вычислительную схему с двумя входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификато ром и первой вычислительной схемойИзвестный денситометр обладает низкой точностью, так как в нем отсутствуют средства для нормированияизмеряемой величины мутности или концентрации.Цель изобретения - повышение точности измерений.Укаэанная цель достигается тем, что в известный денситометр, содержащий оптически связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмул сификаторогл, фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную; схему с двумя входами, схемы преобразования и регистрации, переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительной схемой, введены схема синхронизации,с переключателем, содержащая схемы формирования импульсов, инвертор, по две релейных, стробирую 5 о о ьк предл сущностодержащи чник све момуляет тиче ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК П АТЕ НТУщих к одноходных схемы, и вторая вычислительная схема, содержащая по две стробирующих, блокирующих схемы, сумматор, на выходе которого установлен делитель, при этом в схеме синх", ронизации выход схемы формирования 5 импульсов соединен со входом одной релейной схемы через инвертор, а со входом другой - непосредственно, выходы релейных схем соединеныс пер- выми входами стробирующих схем и входами одноходовых схем, вторые входы стробирующих схем соединены с выходомфильтра, а выходы стробирующих схем соединены со входами первой вычислительной схемы, а вьиоды одно- ходовых схем соединены с первыми входами стробирующих схем второй вы-; числительной схемы, вторые входы стробирующих схем второй вычислительной схемы, соединены с выходом первой вычислительной схемы, выходы стробирующих схем второй вычислительной схемы соединены со входами блокирующих схем второй вычислительной схемы, выходы которых соединены со входамисумматора второй вычислительной схемы, а выход делителя сумматора соединен со входом схемы преобразования,На Фиг. 1 представлена блок-схе- ма денситометра .с проточной ячейкой и ультразвуковым эмульсификатором, на Фиг. 2 - блок-схема электронной части денситометра на Фиг. 3 - некоторые характерные сигналы при рабо- те денситометра на Фиг. 4 и 5блок-схемы вариантов первой вычис лительной схемы; на Фиг, б " рабочие характеристические кривые денситометра; на Фиг. 7 и 8 - прочие ячейки кюветы), которые могут использоваться в денситометре, 4Денситометр содержит цилиндрическую оптическую ячейку 1, выполненную из стекла фиг,1), через которую проходит эмульгированная проба жидкости, Одна проба жидкости содержит нефтепродукты, диаметр частиц которых мал, тогда как другая проба жидкости содержит нефтепродукты, диаметр частиц которых велик. Свет, излучаемый источником 2, представляющим со бой ксеоновую лампу, падает на коллиматор 3, который предназначен для преобразования пучка света в парал-.лельный пучок, который проходит че" реэ оптическую ячейку 1, и детектируется фотоэлектрическим приемником 4. К эмульсификатору 5 ультразвукового типа подводят электрическую чергию двух величин, при этом создают два потока жидкости А и В, сдвинутые по времени.Причем проба жидкости А содержитчастицы небольшого диаметра, а проба жидкости В содержит частицы большего диаметра. Электрическая энергия прикладывается к ультразвуковому эмульсификатору 5 периодически черезпереключатель б от источников 7 и 8электрической энергии. Переключательб срабатывает от сигналов генератора 9, который включается и выключается с постоянной частотой. Источники 7 и 8 высокой и низкой электрической энергии возбуждают магнитостриктор 10. Ультразвуковой эмульсиФикатор 5 снабжен каналом, 11 охлаж дения, через который подается охлаждающая вода к магнитостриктору 10для предотвращения перегрева послед.него. Колебания, создаваемые магнитостриктаром 10, передаются на излучающее тело 12, которое находится в,контакте с жидкостью, смешанной снефтью, Испытуемая жидкость (вода).подается через трубопровод 13 и зазор между наклонным трубопроводом14 для конвергенции пробы жидкостии излучающим телом 12 в полость 15,в которой проба воды подвергаетсявторичному эмульгированию и затемнепрерывно подается в оптическуюячейку 1. Между излучающим телом 12и полостью 15 вставлена тонкая мембрана 1 б, которая служит для предварительного эмульгирования пробы жидкости.По трубке 17 подачи пробы с постоянной скоростью с помощью ножа 18подается нефтесодержащая жидкость,взятая из основного трубопровода (непоказан). Эта жидкость затем подается по трубопроводу к эмульсификатору 5 5, в результате действия котороговозникает проба жидкости А, возбужденная электрической энергией высокого уровня Р, и проба жидкости В,возбужденная электрической энергиейнизкого уровня Р 1, которые поочередно проходят через оптическую ячейку 1Пробы жидкости А и В освещают монохроматическим светом, проходящимчерез оптическую ячейку 1, и попадают на электровакуумный фотоприемник4, выходной сигнал которого усиливается усилителем 19 и затем подаетсяна первую вычислительную схему 20, О на которую также поступает синхрониэирующий сигнал с перекМючателр, бчерез синхронный переключатель 21 исхему 22 обработки синхронизирующегосигнала. Синхронный переключатель 21и перекидной переключатель б приводятся в действие от выходных сигналовгенератора 9. Первая вычислительнаясхема 20 вычисляет логарифм изменения двух сигналов мутности, полученных с помощью электрических энергий 6 О различных уровйей. Для того, чтобызнать истинную концентрацию нефти,выходной сигнал первой вычислительной схемы 20 подается на вторую вычислительную схему 23, которая вы числяет среднее значение выходныхсигналов с первой вычислительнойсхемы 20. Выходной сигнал, пропорциональный концентрации частчц вжидкости, подается через схему 24преобразования сигнала на устройство.25 записи (самописец), который 5записывает измеряемый сигнал концентрации.На Фиг. 2 показаны усилитель 26,фильтр 27, вычислительная схема 20,.состоящая из схем 28 и 29 блокировкиу 10схемы деления 30, схемы 31 логариф- .мического преобразования и схемы32 умножения,Во вторую вычислительную схему23 входят стробирующая схема 33,первые входы которой соединены свыходомпервой вычислительной схемы20, а выходы " со схемами 34 и 35блокировки, выходы которых соединенычерез сопротивления с сумматором 36.Выход:сумматора 36 соединен черезделитель 37 со входом схемы 24 преобразования, состоящей из суммирующей схемы 38 и схемы 39 преобразова-,ния напряжение-ток. Схема 22.синхронизации состоит из переключателя 21 .расположенного перед входом схемы40 Формирования импульса, работаяаааот переключателя 21. Выход сьхемы 40формирования импульса соединен совходами двух релейных схем 41 и 42,при этом к одной из них соединениеосуществлено через инвертор 43, ак другой непосредственно, Выходырелейных схем 41 и 42 соединены спервыми входами стробирующихсхем .3544 и 45, вторые входы которых связа"ны с выходом фильтра 27. В свою оче-редь, выходы релейных схем дополнительно соединены со входами одноходовых схем 46 й 47, выходы которых 40соединены со вторыми входами строби-.рующих схем 33 второй вычислительнойсхемы 23.На фиг, 4 И 5 изображены различные варианты пеовой вычислительнойсхемы 20, где соответственно 48схема отношения логарифмов, 49 и50 - предусилители, 5"., и 52 - лога.рифмические преобразователи.На Фиг, 7 и 8 представлены вариан-,ты проточных ячеек 53 и 54 для двух:лучевых оптических измерительныхсхем, вращающееся зеркало 55, играющее роль делителя и модулятора, зеркало 56"59 и ячейки 60 и 61Денситометр работает следующимобразом.Если на нефтесодержащую жидкость,:подаваемую насосом 18 под постоянныйдавлением, воздействовать электрической энергией с большим уровнем 60,Р то в течение начального периода,частица йефти разделяется на болЬшоечисло мелких частиц, При этом свет,проходящий через оптическую ячейку,будет пересекать большое количество 65 частиц. В результате этого интенсивность передаваемого света, воспринимаемого фотоприемником 4, черезсекунд уменьшается от первого состояния 1 г (1) до следующего устойчивого состояния 1 г (1) . Затем перекидным переключателем б подается ,электрическая энергия низкого уровня Рув от источника 8 к эмульсификатору 5. В результате этого частица нефти диспергируется в виде частиц, имеющих относительно больший диаметр по сравнению с частицей нефти, диспергированной в жидкости при действии электрической энергии высокого уровня Р от источника 7. В результате через га 1 секунд интенсивность передаваемого света становится боль; ше и достигает следующего устойчивол го состояния 1 г (2), В этом случае создается временная задержка между сигналами, при этом сохраняется со-. отношение г= г уу =. го.При измерениях используется условие равенства периодов переключения уровней энергии Б = 5 = 5, которые равны 3 с. Если концентрация нефти в воде известна, то интенсив-ность света изйеняется волнообразно между 1 г И 1 г .Пусть величина концентрации нефти составляет х, а концентрация суспензированных твердых составляет уу тогда интенсивность 1 г(х) и 1 г(х) света, прошедшего через кювету, со- ставляют-( Х+Р 11 гф (х) К 1 о ч 10 , (2) гдеи о - коэффициенты пропорцио-. нальности, оценивающие степень эмулв- . гирования проб А и В К и К параметры, определяемые загрязнением ячейки (кюветы) или окраской пробы жидкости,и,р - коэффициенты пропор циональности, определяемые конфигурациями суспензированных твердых частиц; 1 - интенсивность падающего света.Параметры К и К зависят от качества оптической ячейки 1, через которую проходят пробы жидкости А и В. Коэффициенты пропорциональности ф иопределяются,суспензированными твердыми частицами у, по существу к= к р=рКоэффициенты пропорциональностии с указывают.:на разницу между эмульгированием соответственно при воздействии электрической энергии высокого и низкого уровней Р, Р.Соотношение между двумя значениями интенсивностей светового излучения 1 г(Х) и 1 г(Х) может быть определено из уравнений (1) и (2):Таким образом,х= 1 а ( )1 (х3Ьагде ьй = Ы - сЕсли степень эмульгирования нефтй 5достигаемая с помощью электрическойэнергии, подаваемой на эмульсификатор 5, задается и корректируется по,известной величине заранее, то коэф-ффициенты пропорциональности, ука" , 0занные выше, становятся известнымивеличинами. В этом случае для .двухпроб, эмульгированные состояния,которых,различаются между собой, соот",ношение между двумя измереннымиинтенсивностями световых; излучений11(у) и 1 й(х) может быть определенои концентрация нефти может быть легко измерена,Когда переключатель 21 замкнут,возбуждается синхронизирующий сигналв схеме 39 (Фиг.2). Этот сигнал по-ступает на схемы 41 и 42 формирова-:ния импульсов, при этом на схему 41сигнал синхронизации поступает черезинвертор 43, а на схему 42 непосредственно. Схемы 41 и 42 генерируютимпульсы заданной длительности с задержкой Б + й, Принятые световыесигналы интенсивностью 11, 11 проходят через усилитель 26 и фильтр 27 30на стробирующие схемы 44 и 45 соответственно одновременно с синхроиизирующими импульсами со схем 41 и 42.Сигналы синхронизации поступают также через .одноходовые схемы 46 и 47 З 5на входы стробирующих схем 33 второйвычислительной схемы 23.Сформированные схемами 44 и 45импульсные сигналы поступают на вхо"ды схем 28 и 29 блокировки первой 40вычислительной схемы 20. Одноходовыесхемы 46 и 47 задерживают электрические сигналы, пропорциональные 1 й,1 й, на 50 мс.Первая вычислительная схема 20 45анализирует оба сигнала, несущихинформацию о концентрации пробы ивозникающих в результате эмульсификации пробы двумя уровнями электрической энергии. Эти сигналы поступаютдальше на делительную схему 30, сигнал с которой поступает на логарифмический преобразователь 31 и далее,йа схему 32 умножения. Схему умножения 32 умножает сигнал в 1/ь поуравнению (3) и приводит шкалу концентраций с делениями от О до 200 Всоответствие со шкалой напряженийт 0 до 4 В. Таким образом, этахема осуществляет операцию масштабирования. 60Сигналы с первой вычислительнойсхемы 20 поступают на входы стробирующих схем 33. На вторые входы этихсхем поступают периодические импульсные сигналы синхронизации со схемы 65 З 2. С выходов стробирующих схем 33 сигналы поступают на схемы 34 и 35 блокировки. Поочередность работы схем 34 и 35 осуществляется схемой 22 синхронизации, которая вводит в рабочий синхронный режим вычислительные схемы 20 и 23. Выходные сигналы со схем 34 и .35 подаются через резисторы (не обозначены) на вход суммирующей схемы 36, работающей в качестве фильтра. Выходной сигнал суммирующей схемы делится делителем 37 пополам. Суммирующая схема 38 снабжена усилителем, на который подается выходной сигнал в диапазоне от 0 до 4 В и напряжение смещения со схемы смещения (не показаны). Выходной сигнал с суммирующей схемы 38 подается на схему 39 преобразования напряжение-ток и преобразуется в сигнал от 4 до 20 мА. Для лучшего понимания работы схемы обработки параметр Х, коэффициенти интенсивность света 1 О принимаются соответственно Н = 3, ф 1 = 1, 10 = 10,На фиг. 6 показаны характеристические красивые различных участков схем обработки сигнала мутности в случае, когда концентрация пробы жидкости. изменяется в функции времени.Если концентрация пробы жидкости увеличивается, то фотоэлектрический ток, имеет форму, показанную на Фиг.ба. На фиг,ба форма огибающей 1 й соответствует воспринимаемой интенсивности в тот момент, когд: эмульсификатор 5 возбужден электрической энергией низкого уровня, а форма огибающей 1 С соответствует интенсивности, когда эмульсификатор 5 возбуждается электрической энергией высокого уровня.Величина измеренного сигнала усиливается усилителем 26, Если электрическая энергия высокого уровня, возбуждающая эмульсификатор 5, изменяется на электрическую энергию ,низкого уровня, возбуждение происходит через промежуток времени задержки пиковой величины 1 й (1) соответ" ствующей концентрации, Поскольку эмульсификатор. 5 возбуждается электрической энергией низкого уровня, интенсивность падающего света достигает величины огибающей 1 й . Через промежуток Б с интенсивность воспринимаемого света достигает величины огибающей 1 й, В этот момент схема переходит в проводящее состояние и пиковая величина 1 С (1) за" держивается конденсатором схемы 29 блокировки. Затем эмульсификатор 5 возбуждается вновь электрической энергией высокого уровня, интенсивность поступающего света достигает величины 1 С (2), и схема вновь становится проводящей, а пиковое значение величины 11 (2) испытывает задержку, Эти операции в процессе рг- лы и выходные импульсы одновременноботы повторяются, Как показано на возникают и подаются на первую ифиг,б В, схема 28 блокировки осуществ- вторую вычислительную схемы 20 и 23ляет выборку пиковыХ. величин 11 (1), соответственно, В результате этого,11 Г), 1 й (3) каждые 25 с, и схе- концентрация х нефти, определяемаяма 29 блокировки сигнала 11 задер уравнением (4), распределяется наживает пиковые значения 1 С (1), каждую из схем 34 и 35 блокировки1 С (2), 1 й (3)второй схемы вычисления каждые 2 с:Выходные сигналы со схем 28 и 29, . схема блокировки сигнала Л - +х(1),блокировки подаются через делитель- х(3),.х(5), х(7); схема блокировную схему 30 и схему логарифмическо-: 10 ки сигнала В в .х(2), х(4), х(б),го преобразования на умножительную х(8) В суммирующей схеме Зб.двасхему 32. В результате этого на вы-:, выходных сигнала со схем 34 и 35ходе первой вычислительной схемы 20 блокировки суммируются, В этом слу- ,возникает сигнал концентрации х неф- .чае выходной сигнал суммирующей схе-,ти в функции временного интервала 15 мы подается обратно через резистоРЯ с, .(Фиг.бс) . и конденсатор на инверсный вход уси-40:лителя, переводит суммирующую схемуЯЯ 36 в режим фильтра, имеющего постоянную времени С , которая равна прибли 4. Э 4, И)ХЙЬ - 90 л - - . зительно 3 с, Таким образом заверша-.Я ь Э 1 Ф 20 ется операция усреднения сигнала втоХЗЬ - , ЕоЗЮа)рой вычислительной схемой 23. Такаяоперация усреднения вызывает появлеее 3 И) .,ние выходных сигналов на выходе вто-Я) рой вычислительной схемы 23, которыеХ Че - 8 В - . следуют эа быстрыми изменениями кон"й. ЖЧ центрации нефти (фиг,бй), Кроме то 4:МИ . го, поскольку суммирующая схема Зб,дсдействует как фильтр, то регистрируется истинное значение концентра )Цй30 ции нефти,Фигебс показывает изменения кон- Для того, чтобы согласовать пецентрации пробы жидкости, Сгупенча-Редачу выходного сигнала первой итое быстрое изменение сигнала приво- .второй вычислительной схем 20 и 23дит к прямоугольной форме сигнала с на индикатор, к суммирующей схемебольшой амплитудой, что затрудняет .;. З 5 схемы 24 преобразования сигнала довыделение истинной концентрации. В бавлены опорное напряжение со схемыслучае измерения медленно меняющего- смещения и схема преобразования нася сигнала пробы жидкости выходной пряжение-ток (не показаны),сигнал первой вычислительной схемы . Схемы обработки сигнала мутность 20 может быть гГодан через схему. 24 40 концентрация (вычислительные схемы)преобразования сигнала, минуя вто- могут быть различны, Например, .нарую вычислительную схему 23 к дегвст;. Фиг.4 показан другой вариант выпол- ..Ратору 25, который показывает,или .: нения первой вычислительной схемы 20 гезаписывает измеряемую концентрацию,Выходной сигнал .с фотоприемника 4Вообще при измерении быстро или сту . 45 прикладывается через усилитель 19 кпенчато изменяющейся концентрации схеме 31 логарифмического преобразо -пробы жидкости,- выходной сигнал пер- вания, которая преобразовывает входвой вычислительной схемы 20 подает- . ной сигнал в сигнал пропорциональнойся на вторую вычислительную схему логарифму. Схема 22 обработки сигна 23, которая усередняет сигнал кон ла синхронизации приводится в дейстцентрации, полученный первой вычис- вие перекидным переключателем 21,лительнсй схемой 20, что связано скоторый управляет схемами 34 и 35тем, что характеристика фильтра блокировки. Дальшеоба логарифмасумматора подобрана таким образом, . . 1 од 11 и 1 оя 1 й подаются на схему.чтобы получать путем вычисления ис- . вычитания (не показана), выходнойтинный сигнал концентрации. сигнал с которой прикладывается коСтробирующая схема 33 второй вы- второй вычислительной схеме. 23.:числительной схемы 23 поочередно ; На Фиг. 7 и 8 показаны два видоподает выходной сигнал с первой вы" измененных варианта конструкции опчислптельной. схемы 20 через каждые : . тической ячейкиф на фиг. 7 - оптиБ с на схеьы. блокировки. В этом слу- бО ческие ячейки, соединенные параллельчае стробирующий импульс вентильиых но, а на фиг. 8 - оптические ячейки,схем составляет около 10 мс и выход- соединенные последовательно,ной сигнал одноходовых схем состав" На фиг. 7 обе оптические ячейкиляет величину по длительности по- ,. 53 и 54 снабжены отводящими трубкамирядка 50 мс. Эти стробирующие сигна-. 65 13. Эти отводящие трубки соединеныс трубопроводом 17. Передаваемые све- товые пучки Яа и Бв, про.ае;чане через эмульгированную пробу жидкостей А и В, измеряются оптической системой. В оптической системе свет, излученный источником 2, делится вращающим ся зеркалом 55 на два световых пучка, которые направляются двумя жестко установленными зеркалами 56 и 57 на оптические ячейки 53 и 54. Световые пучки, прошедшие через оптические О ячейки, падают на другие жестко уста- новленные смесительные зеркала 58 и 59 и, отражаясь от них, падют на ,фотоэлемент 4, который детектирует световые сигналы 80 и ЗВ. В этом ва-, г 5 рианте денситометра вычислительные схемы 20 и 23 управляются.синхрони-, зирующими сигналами, полученными с вращающегося зеркала 55. Если зеркало 55 вращается с высокой скоростью 2 О то можно опустить вторую вычислительную схему 23.На фиг. 8 показаны эмульсификато ры 5, оптические ячейки 60 и 61, соединенные последовательно. Оптичесгкие ячейки 60 и 61 расположены параллельно между собой. Световые излучения, полученные от двух источникой . света, падают на оптические ячейки;а прошедшее через ннх световое из-. /лучение Яс, и, БВ попадает на фотоэле-, И менты, которые рабОтают автономноТаким образом, предлагаемый ден" ситометр с различными вариантами вычислительных схем позволяет повысить точность измерений. 35 Формула изобретенияДенситометр, содержащий оптичес ки связанные источник света, ячейку с ультразвуковым эмульсификатором, фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель, фильтр, первую вычислительную схему с двумя, 45 входами, схемы преобразования ирегистрации переключатель, установленный между ультразвуковым эмульсификатором и первой вычислительнойсхемой, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повыаения точности измерений, в него дополнительно введенысхема синхронизации с переключателей,соцержащая схемы формирования импульсов, инвертор, по две релейных, стробирующих и одноходовых схемы, й вто-рая вычислительная схема, содержащаяпо две стробирующих, блокирующих схеьи, сумматор, на выходе которогоустановлен делитель, при этом в схеме синхронизации выход, схемы формирования импульсов соединен со входомодной релейной схемы через инвертор,а со входом другой - непосредственно,выходы релейн гх схем соединены с первыми входами стрсбирующих схем и входами одиоходовых схем, вторые входыстробирующнх схем соединены с выходом фильтра, а выходы стробкрующихсхем соединены со входами первойвычислительной схемы, выходы одноходовых.схем соединены с первьзги входамистробирующпх схем второй вычислитель.ной схемы, вторые входы стробирующихсхем второй вычислитель ой схемы соединены с выходом. первой вычислитель-ной схемы, выходыстробирующих схемвторой вычислительной схемы соединенысо входами блокирующих схем второйвычислительной схемы, выходы которыхсоединены со входами сумматора второйвычислительной схемы, а выход делителя сумматора соединен со входом схе-мы преобразования. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент СЬга М 3704950,кл 356-73, опублик. 1972,2. Патент США,Р 5704950,кл. С 01 д 1/04, опублик. 1975 (прототип).948299 Составитель М.Дедловскийактор Л.Горбунова ТехредЛ. Пекарь Корректор У.Поаааа Фюеааа ааааа е аа аааа ааааааФааМюат ааааа НК иал ППП "Патентф, г. Ужгород, ул, Проек 4 аз 5683/80 Тираж 867 вниипи Государственного по делам изобретений 113035, Москва, К, Рауюская