RU2095785C1

RU2095785C1 - Device measuring density of liquids

Info

Publication number: RU2095785C1
Application number: RU96114538/25A
Authority: RU
Inventors: В.А. Подгорнов; В.Р. Казаков
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Научно-производственная фирма "АПЕКС"; Акционерное общество открытого типа "Екатеринбургнефтепродукт"
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: given device has float and permanent magnet anchored on opposite ends of rocker mounted for rotation in bearings of body located above rocker, electromagnet coil placed over trajectory of movement of permanent magnet, sensor of charge of position of float, unit setting changeable direct current through coil and ammeter. Current of detachment of permanent magnet from electromagnet coil with gradual decrease of current through it is informative parameter and it causes abrupt transfer of rocker into stable state characterized by float resting against body which is preset by initial balancing of rocker in assembly. EFFECT: high measurement accuracy, increased functional reliability under conditions of changing working pressures of liquid.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к плотномерам, принцип действия которых основан на использовании архимедовой силы, воздействующей на погруженный в жидкость поплавок, и может быть использовано для измерения плотности жидкости, например, нефти и нефтепродуктов непосредственно в резервуарах хранения. The invention relates to measuring equipment, and more particularly to densitometers, the principle of which is based on the use of Archimedean force acting on a float immersed in a liquid, and can be used to measure the density of a liquid, for example, oil and oil products directly in storage tanks.

Известно устройство для измерения плотности жидкости, содержащее два поплавка разных объемов, связанных с двуплечим рычагом, опирающимся на опору вращения и проходящим через оси обоих поплавков, датчик положения, установленный на одном из плеч рычага, силовой преобразователь, включающий электронный блок и датчик силы, и поворотное приспособление, обеспечивающее поворот устройства вокруг оси рычага на 180^o [1] При погружении устройства в жидкость предварительно сбалансированная система за счет неодинаковых выталкивающих сил, приложенных к поплавкам разных объемов, оказывается разбалансированной и вызывает поворот рычага вокруг оси, улавливаемый датчиком положения и преобразуемый в определенный электрический сигнал, характеризующий плотность жидкости.A device for measuring the density of a liquid is known, comprising two floats of different volumes associated with a two-arm lever, supported by a rotation support and passing through the axes of both floats, a position sensor mounted on one of the lever arms, a power converter including an electronic unit and a force sensor, and a rotary device that rotates the device around the axis of the lever by 180 ^o [1] When immersing the device in a liquid, a pre-balanced system due to unequal buoyancy forces applied to floats of different volumes, it turns out to be unbalanced and causes the lever to turn around its axis, captured by the position sensor and converted into a specific electrical signal characterizing the density of the liquid.

Недостатком данного устройства является сравнительно невысокая точность измерения плотности, обусловленная необходимость точного позиционирования чувствительного элемента в процессе измерения и, как следствие, неопределенностью сил трения в опоре вращения коромысла, влияющей на результаты измерений. The disadvantage of this device is the relatively low accuracy of density measurement, due to the need for accurate positioning of the sensitive element during the measurement process and, as a result, the uncertainty of the friction forces in the support of rotation of the rocker arm, affecting the measurement results.

Известно устройство для измерения удельного веса жидкостей, содержащее поплавок в виде полого тела из диэлектрического материала, в верхней части которого установлен металлический проводящий диск, а на дне постоянный магнит, корпус с жидкостью, в которую погружают поплавок, преобразователь положения поплавка, выполненный на основе датчика вихревых токов и установленный над корпусом с жидкостью, обмотку электромагнита, установленную на внешней штанге нижней части корпуса с жидкостью [2]
Поплавок занимает в жидкости фиксированное положение благодаря обратной связи, создаваемой преобразователем, за счет поля электромагнита, величина тока в катушке которого пропорциональна плотности жидкости.A device for measuring the specific gravity of liquids containing a float in the form of a hollow body of dielectric material, in the upper part of which a metal conductive disk is installed, and at the bottom there is a permanent magnet, a housing with liquid into which the float is immersed, a float position transducer based on the sensor eddy currents and mounted above the housing with liquid, an electromagnet winding mounted on the outer rod of the lower part of the housing with liquid [2]
The float occupies a fixed position in the liquid due to the feedback generated by the converter due to the field of the electromagnet, the magnitude of the current in the coil of which is proportional to the density of the liquid.

Недостатком этого устройства является неустойчивое взвешенное положение чувствительного элемента в процессе измерения, что вносит определенные погрешности в результат измерения. Кроме того, для обеспечения заданной прочности поплавка при измерениях в условиях изменяющихся рабочих давлений жидкости необходимо увеличение его габаритов что не всегда приемлемо. The disadvantage of this device is the unstable balanced position of the sensitive element during the measurement process, which introduces certain errors in the measurement result. In addition, to ensure the given strength of the float when measuring under conditions of changing working fluid pressures, it is necessary to increase its dimensions, which is not always acceptable.

Прототипом изобретения выбрано устройство для измерения плотности жидкости, содержащее поплавок и постоянный магнит (причем магнит размещен внутри поплавка), помещенные в полость с исследуемой жидкостью, корпус и электрическую часть устройства, содержащую катушку электромагнита с задатчиком изменяемого постоянного тока через нее, датчик изменения положения поплавка и измеритель тока через катушку [3]
Недостатком этого устройства также является отсутствие устойчивого положения поплавка, что приводит к неоднозначности результатов измерения, т.е. к пониженной точности устройства. Отсутствие устойчивого положения может привести также к заклиниванию поплавка в узком канале, что снижает его надежность. Как и у предыдущего аналога, возникают определенные проблемы при обеспечении прочности поплавка в заданных габаритах устройства.The prototype of the invention is a device for measuring the density of a liquid containing a float and a permanent magnet (the magnet being placed inside the float), placed in a cavity with the liquid under investigation, the housing and the electrical part of the device containing an electromagnet coil with a variable DC drive through it, a sensor for changing the position of the float and coil current meter [3]
The disadvantage of this device is the lack of a stable position of the float, which leads to ambiguity of the measurement results, i.e. to reduced accuracy of the device. The lack of a stable position can also lead to jamming of the float in a narrow channel, which reduces its reliability. As with the previous analogue, certain problems arise when ensuring the strength of the float in the given dimensions of the device.

Изобретение направлено на создание устройства, пригодного к использованию в условиях изменяющихся рабочих давлений измеряемой жидкости (что позволило бы использовать его непосредственно в резервуарах для хранения жидкостей), обладающего высокой точностью измерения и надежностью в эксплуатации. The invention is aimed at creating a device suitable for use in conditions of varying working pressures of the measured liquid (which would allow its use directly in tanks for storing liquids), which has high measurement accuracy and reliability in operation.

Для решения поставленной задачи в устройстве для измерения плотности жидкости, содержащем поплавок и постоянный магнит, помещенные в исследуемую жидкость, корпус и электрическую часть устройства, содержащую катушку электромагнита с задатчиком изменяемого постоянного тока через нее, измеритель тока через катушку и датчик изменения положения поплавка, согласно изобретению поплавок и постоянный магнит закреплены на противоположных концах дополнительно введенного коромысла, установленного с возможностью, вращения в опорах корпуса, размещенного над коромыслом; катушка электромагнита размещена непосредственно над траекторией перемещения постоянного магнита, а коромысло сбалансировано на устойчивое состояние, характеризуемое всплытым состоянием поплавка до упора о корпус во всем диапазоне измеряемых плотностей жидкостей. To solve the problem in a device for measuring the density of a liquid containing a float and a permanent magnet, placed in the test liquid, the housing and the electrical part of the device containing an electromagnet coil with a variable DC drive through it, a current meter through the coil and a sensor for changing the position of the float, according to According to the invention, the float and the permanent magnet are fixed at opposite ends of the additionally introduced rocker arm, mounted with the possibility of rotation in the bearings of the housing, times placed above the beam; the electromagnet coil is located directly above the path of the permanent magnet, and the beam is balanced to a stable state, characterized by the float state of the float until it stops against the body in the entire range of measured liquid densities.

Технический результат устройства заключается в создании условий для перехода коромысла из одного четко обозначенного состояния, характеризуемого, например, упором магнита о корпус, в другое четко обозначенное состояние, характеризуемое, например, упором поплавка о корпус. При этом благодаря балансировке коромысла наиболее предпочтительным является сравнительно резкий переход коромысла в устойчивое состояние (при всплытом поплавке), который может быть вызван током отрыва постоянного магнита от заранее притянутого состояния, являющимся информативным параметром. В то же время благодаря тому, что у поплавка имеется своеобразный противовес в виде постоянного магнита и части самого коромысла, он может быть сравнительно тяжелым, т.е. иметь большую механическую прочность в меньших габаритах. The technical result of the device is to create conditions for the transition of the beam from one clearly marked state, characterized, for example, by the emphasis of the magnet on the housing, into another clearly marked state, characterized, for example, by the emphasis of the float on the housing. In this case, due to balancing of the rocker arm, the comparatively abrupt transition of the rocker arm to a stable state (with a float floated), which can be caused by the current of separation of the permanent magnet from a pre-attracted state, which is an informative parameter, is most preferable. At the same time, due to the fact that the float has a kind of counterbalance in the form of a permanent magnet and part of the beam itself, it can be relatively heavy, i.e. have greater mechanical strength in smaller dimensions.

Кроме того, для обеспечения более резкого перехода коромысла в устойчивое состояние центр тяжести плеча коромысла с постоянным магнитом смещен относительно линии, соединяющей ось коромысла и центр тяжести плеча коромыслам с поплавком по направлению к катушке электромагнита. In addition, to ensure a more abrupt transition of the rocker arm into a stable state, the center of gravity of the arm of the rocker arm with a permanent magnet is shifted relative to the line connecting the axis of the rocker arm and the center of gravity of the arm of the rocker arm with the float towards the magnet coil.

Датчик изменения положения чувствительного элемента допускает разнообразные варианты исполнения. The sensor changes the position of the sensing element allows for a variety of options.

Наиболее оптимальным будет датчик касания поплавком корпуса, например, датчик электромагнитного поля, изменяемого деталью или материалом поплавка при приближении поплавка к корпусу. Это может быть замыкание разомкнутого ранее электромагнитного поля магнитопроводящей деталью или магнитопроводящим материалом поплавка, или, наоборот вытеснение части электромагнитного поля немагнитным материалом (или деталью) поплавка. The most optimal would be a sensor that touches the float of the body, for example, a sensor of an electromagnetic field that is changed by the part or material of the float when the float approaches the body. This can be the closure of a previously opened electromagnetic field by a magnetically conductive part or a magnetically conductive material of the float, or, on the contrary, the displacement of part of the electromagnetic field by a non-magnetic material (or part) of the float.

Кроме того, для устранения влияния остаточной намагниченности коромысло и корпус в зоне размещения коромысла выполнены из немагнитного материала. In addition, to eliminate the influence of residual magnetization, the beam and the body in the area of the beam are made of non-magnetic material.

На фиг. 1 приведено устройство при устойчивом состоянии коромысла; на фиг. 2 устройство в состоянии, характеризующем начало работы устройства. In FIG. 1 shows the device with a steady state of the rocker; in FIG. 2, the device is in a state characterizing the start of operation of the device.

Устройство содержит поплавок 1 и постоянный магнит 2, закрепленные на противоположных концах коромысла 3. Коромысло 3 установлено с возможностью вращения в опорах 4 корпуса 5. Коромысло 3 и корпус 5 выполнены из немагнитного материала, например коромысло 3 из нержавеющей немагнитной стали, а корпус 5 из капролона. В корпусе 5 над постоянным магнитом 2 размещена катушка 6 электромагнита, а над поплавком 1 установлен датчик касания поплавком 1 корпуса 5. Датчик касания поплавком корпуса включает в себя Ш-образный сердечник 7 из ферромагнетика, катушку 8 индуктивности и соответствующую электрическую схему (не показана) измерения индуктивности магнитного контура Ш-образного сердечника 7, замыкаемого магнитопроводящим материалом поплавка. Остальные узлы электрической части устройства, включающие задатчик 9 изменяемого постоянного тока через катушку 6 и измеритель 10 тока, вынесены за пределы корпуса 5 и соединены с корпусными узлами устройства через кабельные (или проводные) линии связи. В конкретном варианте выполнения вынесенные узлы электрической части устройства выполнены с использованием элементов цифровой импульсной техники и включает также блок управления (не показан). The device comprises a float 1 and a permanent magnet 2, mounted on opposite ends of the beam 3. The beam 3 is mounted to rotate in the bearings 4 of the housing 5. The beam 3 and the housing 5 are made of non-magnetic material, for example the beam 3 of stainless non-magnetic steel, and the body 5 of caprolon. An electromagnet coil 6 is placed in the housing 5 above the permanent magnet 2, and a touch sensor by the float 1 of the housing 5 is installed above the float 1. The touch sensor of the housing float includes a W-shaped core 7 made of a ferromagnet, an inductor 8 and a corresponding electrical circuit (not shown) measuring the inductance of the magnetic circuit of the W-shaped core 7, which is closed by the magnetic conductive material of the float. The remaining nodes of the electrical part of the device, including the variable-voltage constant current controller 9 through the coil 6 and the current meter 10, are moved outside the housing 5 and are connected to the housing nodes of the device via cable (or wire) communication lines. In a specific embodiment, the remote nodes of the electrical part of the device are made using elements of a digital pulse technique and also includes a control unit (not shown).

При работе корпус 5 с коромыслом 3 опускается непосредственно в резервуар с измеряемой жидкостью таким образом, чтобы коромысло 3, поплавок 1 и постоянный магнит 2, а также часть корпуса 5 (или весь корпус 5) находились в измеряемой жидкости. Балансировка коромысла 3 в сборе обеспечивает всплытое состояние поплавка 1, ограниченное лишь упором о корпус 5 во всем диапазоне плотностей измеряемых жидкостей. During operation, the housing 5 with the beam 3 is lowered directly into the reservoir with the measured liquid so that the beam 3, the float 1 and the permanent magnet 2, as well as part of the body 5 (or the entire body 5) are in the measured liquid. Balancing the beam 3 assembly provides a floating state of the float 1, limited only by the emphasis on the housing 5 in the entire range of densities of the measured liquids.

В начале процесса измерения на катушку 6 подается ток, заведомо большой величины, создающий магнитное поле притяжения, преодолевающее действующую на постоянный магнит 2 силу тяжести и силу выталкивания поплавка 1 из жидкости. Магнит 2 притягивается к катушке 6, а поплавок 1 погружается в жидкость. Задатчик 9 осуществляет дискретное равномерное уменьшение тока через катушку 6. При достижении тока отрыва постоянный магнит 2 отходит от корпуса 2. Поскольку коромысло 3 находится в состоянии неустойчивого равновесия, процесс переброса коромысла 3 в устойчивое состояние происходит практически мгновенно. Этому способствует и смещение центров тяжести плеч коромысла 3 относительно друг друга. При соприкосновении поплавка 1 с корпусом 5 датчик выдает сигнал на измеритель 10, который регистрирует ток отрыва, зависящий от силы выталкивания, действующей на поплавок 1, причем эта зависимость носит строго линейный характер. At the beginning of the measurement process, a coil of known high magnitude is supplied to coil 6, which creates a magnetic field of attraction that overcomes the force of gravity acting on the permanent magnet 2 and the force of the buoyant 1 to be ejected from the liquid. The magnet 2 is attracted to the coil 6, and the float 1 is immersed in the liquid. The master 9 performs a discrete uniform decrease in the current through the coil 6. When the separation current is reached, the permanent magnet 2 moves away from the housing 2. Since the beam 3 is in an unstable state, the process of transferring the beam 3 to a stable state occurs almost instantly. This contributes to the shift of the centers of gravity of the shoulders of the rocker arm 3 relative to each other. Upon contact of the float 1 with the housing 5, the sensor generates a signal to the meter 10, which registers the separation current, depending on the buoyancy force acting on the float 1, and this dependence is strictly linear.

Claims

1. A device for measuring the density of a liquid containing a float and a permanent magnet placed in the test fluid, the housing and the electrical part of the device, including an electromagnet coil, a sensor for changing the position of the sensing element, and a variable current regulator through an electromagnet coil and a current meter, characterized in that the float and the permanent magnet are fixed at opposite ends of the additionally introduced rocker mounted rotatably in the supports of the housing th of a yoke balanced on a steady state characterized by the ascent state of the float all the way into the housing around the range of the measured densities, the solenoid coil is placed directly over the path of the permanent magnet.

2. The device according to claim 1, characterized in that the center of gravity of the arm of the rocker arm with a permanent magnet is offset from the line connecting the axis of the rocker arm and the center of gravity of the arm of the rocker arm with the float in the direction of the electromagnet coil.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the sensor for changing the position of the sensing element is made in the form of a touch sensor by the body float.

4. The device according to claim 3, characterized in that the touch sensor by the float of the housing is made in the form of an electromagnetic field sensor that is changed by the part or material of the float.

5. The device according to claims 1 to 4, characterized in that the beam and the housing are made of non-magnetic material.