CN113008731A - 整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流量计量领域，尤其涉及一种整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计。该密度计通过比较浮球在空气中和在被测介质中的重力差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。包括框架结构；所述框架结构顶部安装有称重设备；框架内设置有浮球，该浮球通过细丝与称重设备相连；所述框架结构外侧设置有浮筒。
Description
技术领域
本发明属于流量计量领域，尤其涉及一种整体浮动式带有温度修正功能的 浮球称重法密度计。
背景技术
静态质量法液体流量标准装置是流量计量领域一种重要的标准器，可以对 各种类型的流量计量器具进行量值溯源，从而保证生产生活中应用的各种流量 计的准确可靠。为贸易结算(成品油、饮用水等)、环境监控(地表水流量、污 水排放等)、工农业生产(灌溉、发电等)，医疗卫生等行业的正常运转提供计 量保证。静态质量法液体流量标准装置利用密度计来对测量介质的质量或容积 进行换算。
现有密度计种类主要形式为：玻璃浮子密度计、振动管式密度计、音叉式 密度计。玻璃浮子密度计需要人为读数，增加了误差影响因素；玻璃材质极易 损坏；单只玻璃密度计量程有限，需要配备多只不同量程的密度计才能满足计 量需要。振动管式密度计需要利用法兰连接安装在封闭管道中，结构通常为U 型管式，增加了管路压力损失，在流量计量领域使用有限制；其结构特点导致 该类密度计的量值溯源比较困难，无法进行大规模使用；该类密度计通常需要 外接电源，功耗较大，不适合临时场所等情况的使用。音叉式密度计对介质洁 净度要求较高，每次更换被测介质之后需要仔细清洗，主要应用于实验室环境；不能承受介质流动冲击，不适合流量计量领域。
石化产业中，成品油及化工品的储存采用立式金属罐作为容积计量器具。 在进行贸易交接时，如果需要以质量值进行结算，则需要利用密度计进行质量 容积换算。而应用密度计进行质量容积换算时，需要密度计对液体介质清洁度 要求不高、能承受一定冲击，能实时进行密度测量，量值溯源方便，并能进行 误差修正。而现有类型的密度计中，没有一款能完全满足流量计量要求的密度 计。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种整体浮动式带有温度修正 功能的浮球称重法密度计。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括框架结构；其特征在于， 所述框架结构顶部安装有称重设备；框架内设置有浮球，该浮球通过细丝与称 重设备相连；所述框架结构外侧设置有浮筒。
进一步地，所述框架结构底部固定有配重块。
进一步地，框架结构内设置有温度传感器。
进一步地，所述框架结构放置于贮存容器内，在流量计量过程中，随着贮 存容器中被测介质的液位上升，通过调整在框架下部的配重块，使密度计整体 漂浮在被测介质液面表面，安装在框架上的温度传感器完全浸没在被测介质中 用来测量介质温度；液位继续上升并将框架结构内的浮球完全浸没；待液位停 止上升，液面波动不足以影响称重设备对浮球进行称重后，通过比较浮球在空 气中和在被测介质中的重力差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。
进一步地，所述框架结构为长方形立方体，4个侧面为长方形，顶面和底面 为正方形，长方体的各个边采用不锈钢管焊接而成，长方体的4个侧面和底面 采用阻流减震板进行封装，长方体的底面安装有用于支撑的稳定支架和配重块， 使其整体在落地状态下不会倾倒。长方体顶面装有称重传感器、电源、通讯模 块等电子元件，电子元件部分利用密封胶实现防水密封。浮球吊装在称重传感 器下方，可以在长方体内部小幅度晃动。长方体内部和外部不是密封形式，空 气和液体介质可以通过阻流减振板进入长方体内部。
进一步地，所述框架结构两侧和底部均设置有阻流减振板。
更进一步地，所述阻流减振板包括板体；所述板体内置空腔，空腔内设置 有弹性组件，板体前后两外表面上开设有与空腔相连通的多个通孔；所述通孔 为蜂窝孔；多个蜂窝孔形成蜂窝状结构。
更进一步地，所述板体呈平面或曲面。
更进一步地，所述弹性组件至少两个，弹性组件间相互平行设置，并于空 腔内交错排列，将空腔隔成螺旋通道或多个首尾相接的S型回路通道；流体由 板体前表面的通孔进入，经螺旋通道或多个S型回路通道后由板体后表面流出； 所述弹性组件第一端与所述空腔相连，弹性组件第二端呈悬空的自由态，且弹 性组件除第一端以外，均不与空腔相接触。
更进一步地，所述弹性组件第一端与所述空腔采用焊接、铆接、滑道式插 接中任意一个。
进一步地，所述弹性组件采用弹性板；所述弹性板的材质为不锈钢、铝合 金、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)中任意一种。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明在流量计量过程中，随着贮存容器中被测介质的液位上升，通过调 整在框架下部的配重块，使密度计整体漂浮在被测介质液面表面，安装在框架 上的温度传感器完全浸没在被测介质中用来测量介质温度，液位继续上升并将 框架内的浮球完全浸没，阻流减振板的作用是降低浮球在介质中的晃动幅度， 以免影响称重传感器测量浮球的重力。待液位停止上升，液面波动不足以影响 称重传感器对浮球进行称重后，密度计通过比较浮球在空气中和在被测介质中 的重力差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。
本发明在使用过程能抵抗流体冲击，不易损坏，对被测介质洁净度无要求, 浮球易清洗；测量量程范围广；可对被测对象进行现场在线测量，不用单独采 集样品；介质温度在一定范围内变化，该密度计可对测量准确度进行修正。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不 仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明浮球称重法密度计结构示意图。
图2-3是本发明阻流减振板结构示意图。
图4是本发明弹性阻流减振板的阻流减振工作示意图。
图中，1为密封组件、2为称重设备、3为浮球、4为阻流减振板、5为浮筒、 6为配重块、7为温度传感器、8为框架结构、11为通孔、12为弹性组件。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明包括框架结构；所述框架结构顶部安装有称重设备； 框架内设置有浮球，该浮球通过细丝与称重设备相连；所述框架结构外侧设置 有浮筒。该浮球一般采用空心浮球。
所述框架结构底部固定有配重块。配重块与底部的连接方式为可拆卸式连 接，具体实现方式多种，比如配重块通过挂钩挂在框架结构底部；或者框架结 构底部固连架体，配重块放置于架体内等，此为现有技术，不赘述。
框架结构内设置有温度传感器。
所述框架结构放置于贮存容器内，在流量计量过程中，随着贮存容器中被 测介质的液位上升，通过调整在框架下部的配重块，使密度计整体漂浮在被测 介质液面表面，安装在框架上的温度传感器完全浸没在被测介质中用来测量介 质温度；液位继续上升并将框架结构内的浮球完全浸没；待液位停止上升，液 面波动不足以影响称重设备对浮球进行称重后，通过比较浮球在空气中和在被 测介质中的重力差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。
密度计内元件均通过密封胶进行防水及防爆处理。
框架结构两侧和底部均设置有阻流减振板；框架及阻流减振板组成一个空 心立体结构。浮球受框架和阻流减振板的保护，安装在框架外侧上的浮筒提供 浮力，使密度计整体浮在被测介质液面上。
所述阻流减振板包括板体；所述板体内置空腔，空腔内设置有弹性组件， 板体前后两外表面上开设有与空腔相连通的多个通孔；所述通孔为蜂窝孔；多 个蜂窝孔形成蜂窝状结构。
所述板体呈平面或曲面。
所述弹性组件至少两个，弹性组件间相互平行设置，并于空腔内交错排列， 将空腔隔成螺旋通道或多个首尾相接的S型回路通道；流体由板体前表面的通 孔进入，经螺旋通道或多个S型回路通道后由板体后表面流出；所述弹性组件 第一端与所述空腔相连，弹性组件第二端呈悬空的自由态，且弹性组件除第一 端以外，均不与空腔相接触。
所述弹性组件第一端与所述空腔采用焊接、铆接、滑道式插接中任意一个。
所述弹性组件采用弹性板；所述弹性板的材质为不锈钢、铝合金、有机玻 璃(聚甲基丙烯酸甲酯)中任意一种。
本发明：
①整体浮动在被测介质液面上，能够实时进行密度测量。
②带有温度传感器，能够通过测量被测介质温度对密度计准确度进行修正。
③密度计利用浮球实现砝码功能实现现场在线快速校准。称重传感器的准 确度直接影响密度计的准确度。利用浮球和密度计配重块的已知质量完成称重 传感器的校准，实现对密度计的校准：首先将浮球和配重块取下，对称重传感 器进行清零操作(称重传感器自带功能)，然后将浮球及配重块挂在称重传感器 上，利用已知的浮球和配重块的质量对称重传感器显示测量质量值进行比对， 如果有误差，则通过称重传感器自带误差调整功能进行现场快速校准，从而实 现对密度计的校准。
在流量计量过程中，随着贮存容器中被测介质的液位上升，通过调整在框 架下部的配重块，使密度计整体漂浮在被测介质液面表面，安装在框架上的温 度传感器完全浸没在被测介质中用来测量介质温度，液位继续上升并将框架内 的浮球完全浸没，阻流减振板的作用是降低浮球在介质中的晃动幅度，以免影 响称重传感器测量浮球的重力。待液位停止上升，液面波动不足以影响称重传 感器对浮球进行称重后，密度计通过比较浮球在空气中和在被测介质中的重力 差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。
密度计的计算公式如下：
mg-ρ空gv＝F1 (1)
mg-ρ标gv＝F2 (2)
mg-ρgv＝F3 (5)
式中：m---浮球实际质量，kg，v---浮球实际体积，m3；
g---重力加速度，m/s2；
F1---浮球在空气中的重力测量值，N；
F2---浮球在标准介质中的重力测量值，N；
F3---浮球在被测介质中的重力测量值，N；
ρ---被测介质密度，kg/m3；
ρ空---空气密度，kg/m3；
ρ标---密度已知的标准介质的密度，kg/m3；
在以上公式中，公式1为浮球在空气中的重力，公式2为浮球在密度已知 的标准介质中的重力，通过密度计称重传感器测量得到F1和F2的值，即可通过公 式1和公式2推导得到公式3和公式4。公式3为推导计算得到的密度计浮球的 体积值，公式4为推导计算得到密度计浮球的真空中的质量值(去除空气浮力 影响)。利用已知的空气密度(查标准空气密度表)和标准介质密度，即可得到 该密度计浮球的实际体积和实际质量，将其带入到被测介质密度计算公式5中， 公式5为密度计对被测介质进行测量时的公式，称重传感器测量得到F3，将公式 3和公式4带入到公式5中即可通过公式6，进而计算出被测介质实际密度。
考虑到密度计测量准确度，空心浮球的机械加工等因素，空心浮球的直径 应不小于100mm，否则浮球的浮力差值太小，需要采用更高准确度等级的称重传 感器。
在流量计量领域，液体介质的质量和体积需要用介质密度进行换算，利用 该密度计可对介质密度进行实时测量；还可应用于石化产品等液体介质在仓储 过程中的密度测量，由于受环境温度影响，存储的介质的密度会发生变化，需 要测量不同温度下的介质密度和储存容器中介质体积，从而得到被测介质的质 量值。本发明采用浮球称重法原理，通过分别测量一个固定质量的浮球在被测 介质和在空气中的重力，利用阿基米德浮力计算公式得到被测介质的密度。
浮球材质采用的材质为0Cr18Ni9，该材质耐腐蚀，无磁性，热膨胀系数低， 冲压弯曲等热加工性好，满足动态密度计的使用条件和工作环境。-20℃～100℃ 的线膨胀系数可以近似为常量，方便在密度计进行误差修正。可长期漂浮在流 量计量标准容器中进行测量工作。
浮球由相同材质的细丝吊装连接在框架上方的称重传感器上，细丝的重量 在密度计算中包含在浮球重量中，其体积造成的影响为密度计系统误差，在进 行量值溯源时可以进行消除。
浮球由阻流减振板进行保护，阻流减振板采用蜂窝孔和S回形迷宫结构， 可以降低流量计量时介质流动的冲击和波动造成的对密度测量准确度的影响。
由于被测介质温度的变化，造成浮球体积变化，本发明通过实验数据在不 同介质温度下对密度计准确度进行了修正。浮球体积的变化直接反映在上文中 公式3
中的(F1-F2)的值，通过实验测得不同温度下的(F1-F2)值， 得到体积修正公式7，和密度修正公式8。
在不同介质温度下对密度计进行溯源，得到一组介质温度值和(F2-F1)值， 进而形成拟合曲线，推导得到k和c的值，T为本新型密度计测得的介质温度值。
计量器具需要定期进行量值溯源，以保证计量准确度。该新型密度计的核 心标准器为称重传感器，溯源方便，通过标准砝码即可随时随地进行溯源。而 其他种类的密度计均需要送检到实验室利用密度已知标准介质进行溯源。
配重块采用吊装方式安装在密度计框架下方，采用中心开孔扁层圆片形状 结构，利用多片层叠方式逐层累加，于密度计浮筒配合调节，最终使密度计能 够漂浮在工作深度。
密度计还包括数据处理模块、NBIoT通讯模块，锂电池电源，电池电源、数 据处理及通讯模块形成密封组件。通过NBIoT通讯技术可实现测量实时传输， 不需要额外进行数据网络搭建，该技术功耗低，方便进行防爆和防水处理，有 手机信号的地方即可进行通讯。特别适用于石化产业等工作条件要求特殊(介 质种类多，密度范围宽，有防爆要求等)的地方。
称重设备，用于测量浮球在空气中和介质中的重力；
浮球，悬挂于称重传感器上；
阻流减振板，减振板两侧为圆孔蜂窝结构，内部为S型回路，用于降低介 质流入密度计内部产生的冲击和波动；
浮筒，数量可调，用于产生浮力；
配重块，数量可调，降低重心，调节密度计起浮高度；
温度传感器，用于测量被测介质温度；
框架结构，为非密封结构，有缝隙用于排气。
该密度计需要溯源时，需要维护时只需清洁浮球，主要零部件采用技术成 熟的称重传感器，不易损坏，采用砝码进行量值溯源，在实际使用过程中可利 用浮球临时代替砝码对称重传感器进行快速溯源并修正(如需要)、称重传感器 功耗低、损坏时更换方便。
该密度计准确度影响因素：系统误差为称重传感器误差，可通过溯源尽量 降低；随机误差为被测介质波动造成的测量误差，通过设计阻流减振板降低影 响。
具体地，在流量计量过程中，为了进一步降低介质流动对测量的影响，可 以采用导轨将密度计的框架结构限制在垂直方向上移动。静态质量法液体流量 标准装置的称量容器的侧壁内部安装导轨，将密度计挂在导轨上，能整体进行 垂直移动。流量计量开始后，称重容器开始注入工作测量介质，利用密度计对 介质的密度进行测量，随着容器内介质页面上升，密度计逐渐浮起，通过调整 配重块，和浮筒配合，使密度计悬浮在液面上，液面高度刚好浸没浮球，配重 块在密度计的最下方，还可起到使密度计始终保持垂直状态，也是称重传感器 (称重设备)正常工作必要条件。待介质停止向称量容器注入后，液面逐渐稳定，称重传感器进行称量，通过公式6得到介质密度值。利用NBIoT技术将密 度值传输到流量计量标准装置的上位机上。在石化产品存储的立式金属罐中的 使用也是同样的工作方式。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受 限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然 可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需 要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，包括框架结构；其特征在于，所述框架结构顶部安装有称重设备；框架内设置有浮球，该浮球通过细丝与称重设备相连；所述框架结构外侧设置有浮筒。
2.根据权利要求1所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述框架结构底部固定有配重块。
3.根据权利要求1所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：框架结构内设置有温度传感器。
4.根据权利要求1所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述框架结构放置于贮存容器内，在流量计量过程中，随着贮存容器中被测介质的液位上升，通过调整在框架下部的配重块，使密度计整体漂浮在被测介质液面表面，安装在框架上的温度传感器完全浸没在被测介质中用来测量介质温度；液位继续上升并将框架结构内的浮球完全浸没；待液位停止上升，液面波动不足以影响称重设备对浮球进行称重后，通过比较浮球在空气中和在被测介质中的重力差异，进而得到被测介质的动态实时密度值。
5.根据权利要求1所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述框架结构两侧和底部均设置有阻流减振板。
6.根据权利要求5所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述阻流减振板包括板体；所述板体内置空腔，空腔内设置有弹性组件，板体前后两外表面上开设有与空腔相连通的多个通孔；所述通孔为蜂窝孔；多个蜂窝孔形成蜂窝状结构。
7.根据权利要求6所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述板体呈平面或曲面。
8.根据权利要求6所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述弹性组件至少两个，弹性组件间相互平行设置，并于空腔内交错排列，将空腔隔成螺旋通道或多个首尾相接的S型回路通道；流体由板体前表面的通孔进入，经螺旋通道或多个S型回路通道后由板体后表面流出；所述弹性组件第一端与所述空腔相连，弹性组件第二端呈悬空的自由态，且弹性组件除第一端以外，均不与空腔相接触。
9.根据权利要求6所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述弹性组件第一端与所述空腔采用焊接、铆接、滑道式插接中任意一个。
10.根据权利要求6所述的整体浮动式带有温度修正功能的浮球称重法密度计，其特征在于：所述弹性组件采用弹性板；所述弹性板的材质为不锈钢、铝合金、有机玻璃中任意一种。
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- 2021-02-25 CN CN202110210497.XA patent/CN113008731A/zh active Pending
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