RU2792263C2 - Liquid density meter and its variants - Google Patents
Liquid density meter and its variants Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792263C2 RU2792263C2 RU2021126150A RU2021126150A RU2792263C2 RU 2792263 C2 RU2792263 C2 RU 2792263C2 RU 2021126150 A RU2021126150 A RU 2021126150A RU 2021126150 A RU2021126150 A RU 2021126150A RU 2792263 C2 RU2792263 C2 RU 2792263C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tube
- liquid
- density
- sensors
- pressure
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения локальной плотности морской воды в глубоководных (зондирующих и стационарных) океанологических приборах. Оно может быть использовано и в других областях, где есть потребность в точных измерениях локальной плотности жидкости при наличии высоких внешних давлений.The invention relates to measuring technology and is intended for measuring the local density of sea water in deep-sea (probing and stationary) oceanographic instruments. It can be used in other areas where there is a need for accurate measurements of the local density of a liquid in the presence of high external pressures.
Известны гидростатические измерители плотности жидкостей, содержащие датчики давлений на концах вертикального столба жидкости и использующие разность этих давлений, высоту столба и ускорение свободного падения для вычисления плотности жидкости в столбе [Жемков Е.И. Метод и устройство гидростатического измерения плотности морской воды. Материалы 12 Международной науч. - техн. конф. «Современные методы и средства океанологических исследований. Ч. 1. М., 2011. С. 95-97], [Федотов Г.А. Новая модификация гидростатического метода определения плотности морской воды. Фундаментальные проблемы современной гидродинамики. 2013. Т. 6, №1. С. 58-65].Known hydrostatic liquid density meters containing pressure sensors at the ends of a vertical column of liquid and using the difference between these pressures, the height of the column and the acceleration of gravity to calculate the density of the liquid in the column [Zhemkov E.I. Method and device for hydrostatic measurement of sea water density. Proceedings of the 12th International scientific. - tech. conf. «Modern methods and means of oceanological research. Ch. 1. M., 2011. S. 95-97], [Fedotov G.A. A new modification of the hydrostatic method for determining the density of sea water. Fundamental problems of modern hydrodynamics. 2013. V. 6, No. 1. S. 58-65].
При высоких внешних давлениях (например, на глубинах в море) такие измерителя не могут обеспечить необходимой высокой точности измерения плотности воды (для определения которой нужна разность давлений на двух разных глубинах) из-за чрезмерных и недостижимых требований к точности измерения непосредственно давлений.At high external pressures (for example, at depths in the sea), such meters cannot provide the necessary high accuracy in measuring the density of water (to determine which, a pressure difference at two different depths is needed) due to excessive and unattainable requirements for the accuracy of measuring direct pressures.
Известны гидростатические плотномеры жидких сред, используемые в нефтеперерабатывающей промышленности и содержащие, например, вертикальную измерительную колонку в виде П-образной трубы из двух параллельных труб разного диаметра, импульсные трубки с эталонной жидкостью, преобразователи температуры и давления, отборники давления, контактные преобразователи разности давлений между столбом эталонной жидкости и столбами измеряемой жидкости в восходящей и нисходящей ветвях, блок обработки информации [Патент РФ на полезную модель №15787. Опубл. 10.11.2000. Бюл. №31. Варламов В.П., Бортасевич B.C., Чуринов М.И. Плотномер жидких сред]. Это устройство по принципу действия и составу является наиболее близким к заявляемому измерителю плотности жидкости. Однако по конструкции оно не пригодно для использования в глубоководных и зондирующих приборах и по составу недостаточно для обеспечения высокой точности измерения локальной плотности жидкости. Кроме того, в нем не раскрыт механизм отбора и передачи давлений в контактные преобразователи разности давлений. Идея построения дифференциального плотномера приводится в источнике [Заявка на изобретение №2013125104 А. Опубл. 10.12.2014. Бюл. №34. Скопинцев С.П. Дифференциальный плотномер: способ и устройство]. Однако в материалах заявки недостаточно раскрыта ее реализуемость.Known hydrostatic densitometers of liquid media used in the oil refining industry and containing, for example, a vertical measuring column in the form of a U-shaped pipe of two parallel pipes of different diameters, impulse tubes with a reference liquid, temperature and pressure transducers, pressure taps, contact transducers of the pressure difference between column of the reference liquid and columns of the measured liquid in the ascending and descending branches, the information processing unit [RF Patent for utility model No. 15787. Published 11/10/2000. Bull. No. 31. Varlamov V.P., Bortasevich B.C., Churinov M.I. Density meter for liquid media]. This device according to the principle of operation and composition is the closest to the claimed liquid density meter. However, by design, it is not suitable for use in deep-sea and probing instruments, and its composition is insufficient to ensure high accuracy in measuring the local density of a liquid. In addition, it does not disclose the mechanism for the selection and transmission of pressures to contact pressure difference transducers. The idea of building a differential density meter is given in the source [Application for invention No. 2013125104 A. Publ. 12/10/2014. Bull. No. 34. Skopintsev S.P. Differential density meter: method and device]. However, the application materials do not sufficiently disclose its feasibility.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности использования измерителя в глубоководных приборах и повышение точности измерений локальной плотности среды. Эта цель достигается тем, что в отличие от прототипа, содержащего вертикальную колонку, эталонную жидкость, датчики давления и температуры, блок обработки информации, в заявляемом измерителе плотности жидкости вертикальная колонка выполнена в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, при этом измеряемая плотность жидкости в географической точке на широте ϕ и на глубине z в море определяется по формуле:The purpose of the invention is to provide the possibility of using the meter in deep-sea instruments and improve the accuracy of measurements of the local density of the medium. This goal is achieved by the fact that, unlike the prototype containing a vertical column, a reference liquid, pressure and temperature sensors, an information processing unit, in the claimed liquid density meter, the vertical column is made in the form of a tube with a side hole and a branch pipe in the middle of the tube connecting the inner area of the tube with a cylinder having a body made of elastic material, wherein the reference liquid fills the inner area of the tube and the cylinder, the first and second differential pressure sensors in the lower and upper ends of the tube, respectively, the average pressure and average temperature sensors of the reference liquid installed inside the tube, four secondary measuring transducers, switched on at the outputs of the sensors, a switch of measuring signals switched on at the outputs of the secondary measuring transducers, an analog-to-digital converter at the output of the switch, a processor at the output of the analog-to-digital converter, while the measured density of the liquid in the geo graphic point at latitude ϕ and at depth z in the sea is determined by the formula:
где - плотность эталонной жидкости [кг/м3];Where - density of the reference liquid [kg/m 3 ];
- средняя температура [°С] и - среднее давление [Па]; - average temperature [°С] and - average pressure [Pa];
ΔP1 - показание нижнего дифференциального датчика [Па];ΔP 1 - indication of the lower differential sensor [Pa];
ΔР2 - показание верхнего дифференциального датчика [Па];ΔР 2 - indication of the upper differential sensor [Pa];
g(ϕ, z) - ускорение свободного падения [м/с2];g(ϕ, z) - free fall acceleration [m/s 2 ];
h - вертикальный размер трубки [м].h - vertical dimension of the tube [m].
Второй вариант устройства содержит два конструктивно идентичных измерителя плотности жидкости с разными плотностями эталонных жидкостей, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:The second version of the device contains two structurally identical liquid density meters with different densities of reference liquids, each of which contains a vertical column made in the form of a tube with a side hole and a branch pipe in the middle of the tube connecting the inner area of the tube with a cylinder having a body made of an elastic material, and the reference the liquid fills the inner area of the tube and the cylinder, the first and second differential pressure sensors in the lower and upper ends of the tube, respectively, sensors of average pressure and average temperature of the reference liquid installed inside the tube, four secondary measuring transducers connected at the outputs of the sensors, a switch of measuring signals connected to outputs of the secondary measuring transducers, an analog-to-digital converter at the output of the switch, a processor at the output of the analog-to-digital converter, and the measured density of the liquid is determined by the formula:
где и - плотности эталонных жидкостей [кг/м3] в первом и втором измерителях при температурах [°С] в первом и [°С] во втором измерителях и общем давлении [Па];Where And - density of reference liquids [kg / m 3 ] in the first and second meters at temperatures [°C] in the first and [°C] in the second gauge and total pressure [Pa];
ΔР11 и ΔP21 - дифференциальные давления в нижних торцах трубок первого и второго измерителей [Па];ΔР 11 and ΔP 21 - differential pressures in the lower ends of the tubes of the first and second meters [Pa];
ΔР12 и ΔР22 - дифференциальные давления в верхних торцах трубок первого и второго измерителей соответственно [Па].ΔР 12 and ΔР 22 - differential pressures in the upper ends of the tubes of the first and second meters, respectively [Pa].
Третий вариант устройства содержит п конструктивно идентичных измерителей плотности жидкости с разными плотностями эталонных жидкостей, распределенными в диапазоне изменчивости измеряемой плотности, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:The third version of the device contains n structurally identical liquid density meters with different densities of reference liquids distributed in the range of measured density variability, each of which contains a vertical column made in the form of a tube with a side hole and a branch pipe in the middle of the tube connecting the inner area of the tube with a cylinder having case made of elastic material, wherein the reference liquid fills the inner area of the tube and cylinder, the first and second differential pressure sensors in the lower and upper ends of the tube, respectively, sensors of average pressure and average temperature of the reference liquid installed inside the tube, four secondary measuring transducers connected at the outputs of the sensors , a switch of measuring signals connected at the outputs of the secondary measuring converters, an analog-to-digital converter at the output of the switch, a processor at the output of the analog-to-digital converter, and the measured liquid density viscosity is determined by the formula:
где ρ0i, ρ0j - плотности i и j эталонных жидкостей [кг/м3] при средних температурах и [°С] и общем среднем давлении [Па];where ρ 0i , ρ 0j are the densities i and j of reference liquids [kg/m 3 ] at medium temperatures And [°C] and total mean pressure [Pa];
ΔPi1 и ΔPj1 - дифференциальные давления в нижнем торце трубки i-го и j-го измерителей [Па];ΔP i1 and ΔP j1 - differential pressures at the lower end of the tube of the i-th and j-th meters [Pa];
ΔPi2 и ΔPj2 [Па] - дифференциальные давления в верхнем торце трубок i-го и j-го измерителей.ΔP i2 and ΔPj 2 [Pa] - differential pressures at the upper end of the tubes of the i-th and j-th meters.
Четвертый вариант устройства содержит несколько конструктивно идентичных измерителей плотности жидкости, каждый из которых содержит вертикальную колонку, выполненную в виде трубки с боковым отверстием и патрубком посередине трубки, соединяющим внутреннюю область трубки с баллоном, имеющим корпус из эластичного материала, причем эталонная жидкость заполняет внутреннюю область трубки и баллона, первый и второй дифференциальные датчики давления соответственно в нижнем и верхнем торцах трубки, установленные внутри трубки датчики среднего давления и средней температуры эталонной жидкости, четыре вторичных измерительных преобразователя, включенных на выходах датчиков, коммутатор измерительных сигналов, включенный на выходах вторичных измерительных преобразователей, аналого-цифровой преобразователь на выходе коммутатора, процессор на выходе аналого-цифрового преобразователя, причем дополнительно введен установленный внутри трубки термоэлектрический нагреватель-охладитель эталонной жидкости, вне трубки подключенный к генератору уравновешивающего сигнала нагрев-охлаждение, соединенного по входу с выходом процессора, а измеряемая плотность жидкости определяется по формуле:The fourth version of the device contains several structurally identical liquid density meters, each of which contains a vertical column made in the form of a tube with a side hole and a branch pipe in the middle of the tube, connecting the inner area of the tube with a cylinder having a body made of an elastic material, and the reference liquid fills the inner area of the tube and a cylinder, the first and second differential pressure sensors, respectively, in the lower and upper ends of the tube, sensors installed inside the tube for average pressure and average temperature of the reference liquid, four secondary measuring transducers connected at the outputs of the sensors, a commutator of measuring signals connected at the outputs of the secondary measuring transducers, an analog-to-digital converter at the output of the switch, a processor at the output of the analog-to-digital converter, moreover, a thermoelectric heater-cooler of the reference liquid installed inside the tube is additionally introduced, into not a tube connected to a heating-cooling balancing signal generator connected at the input to the processor output, and the measured density of the liquid is determined by the formula:
где [кг/м3] - цифровой отсчет кода плотности эталонной жидкости при средней температуре [°С] и среднем давлении [Па], уравновешиваемой измеряемую плотность внешней среды в момент времени t.Where [kg / m 3 ] - digital reading of the density code of the reference liquid at an average temperature [°С] and average pressure [Pa], balanced by the measured density of the external environment at time t.
Структурно-функциональная схема измерителя плотности жидкости представлена на фиг. 1.The structural-functional diagram of the liquid density meter is shown in Fig. 1.
Рассмотрим состав и работу измерителя. В состав устройства входит трубка 1 с патрубком 2 по середине трубки по высоте, объединяющем внутренний объем трубки с эластичным баллоном 3. Трубка 1 и баллон 3 заполнены эталонной жидкостью 4 с известной плотностью которая меньше или больше измеряемой плотности ρ и зависит от средней температуры и среднего давления . Торцы трубки герметично закрыты крышками 5 (нижняя) и 6 (верхняя). В крышке 6 имеется отверстие 7 с пробкой для заливки эталонной жидкости. Общий объем эталонной жидкости выполняется таким, чтобы при сжатии внешним давлением на максимальных глубинах уменьшение ее объема происходило за счет стягивания эластичного баллона 3, сохраняя трубку заполненной. Поскольку в рабочем диапазоне температур и давлений коэффициент сжимаемости жидкостей не превышает 10-4 атм-1 (10-9 Па-1), то при работах на больших глубинах в несколько сотен атмосфер (n⋅107 Па) изменение объема эталонной жидкости составит на более 1%. В крышках установлены дифференциальные датчики давления 81 - в нижней крышке и 82 - в верхней крышке. Внутри трубки установлены распределенный датчик 9 средней температуры эталонной жидкости и датчик 10 среднего давления на середине по высоте трубки. Выходы датчиков поданы на входы вторичных измерительных преобразователей 111-114, выходы которых через коммутатор 12 соединены со входом аналого-цифрового преобразователя 13 и далее со входом процессора 14.Consider the composition and operation of the meter. The device includes a tube 1 with a branch pipe 2 in the middle of the tube in height, which unites the internal volume of the tube with an
В четвертом варианте устройства в него дополнительно введен генератор 15 нагревателя-охладителя (вне трубки) и нагреватель-охладитель 16 (внутри трубки). Выход процессора 14 соединен с генератором 15 сигнала нагревания-охлаждения, нагруженным на термоэлектрический нагреватель-охладитель Пельтье 16, размещенный одним концом внутри трубки, другим концом вне трубки. При помещении трубки в среду на трубку действуют давление внешней среды; Р1 - на нижнюю крышку, Р2 - на верхнюю крышку, Р3 - на эластичный баллон и эталонную жидкость в середине трубки.In the fourth version of the device, a heater-cooler generator 15 (outside the tube) and a heater-cooler 16 (inside the tube) are additionally introduced into it. The
При этом справедливо уравнение гидростатикиIn this case, the hydrostatic equation is valid
Трубка должна иметь достаточную жесткость, чтобы сохранять форму при давлении Р1-Р2=ΔР, независимо от величины давлений Р1 и Р2. Материал трубки должен иметь малую теплопроводность и малый коэффициент температурного расширения, чтобы сохранять h. Дифференциальный датчик 81 служит для измерения разности внешнего давления Р1 и внутреннего давления в нижнем конце трубки. Дифференциальный датчик 82 служит для измерения разности внутреннего давления в верхнем конце трубки и внешнего давления Р2. Давление на концах внутри трубки зависит от соотношения плотностей эталонной жидкости и измеряемой плотности ρ(ϕ, z).The tube must have sufficient rigidity to retain its shape at a pressure P 1 -P 2 =ΔP, regardless of the magnitude of the pressures P 1 and P 2 . The tube material must have low thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient in order to maintain h. The differential sensor 8 1 serves to measure the difference between the external pressure P 1 and the internal pressure at the lower end of the tube. The differential sensor 8 2 serves to measure the difference between the internal pressure at the upper end of the tube and the external pressure P 2 . The pressure at the ends inside the tube depends on the density ratio of the reference liquid and measured density ρ(ϕ, z).
При внутреннее давление на нижнем входе дифференциального датчика 81 состоит из суммы давления Р3, передаваемого из эталонного баллона 3, воспринимающего это давление из внешней среды, и давления вертикального столба эталонной жидкости высотой h1, т.е.At the internal pressure at the lower inlet of the differential sensor 8 1 consists of the sum of the pressure P 3 transmitted from the
При этом внутреннее давление на входе верхнего дифференциального датчика 82 состоит из разности давления Р3 и давление вертикального столба эталонной жидкости высотой h2, т.е.In this case, the internal pressure at the inlet of the upper differential sensor 8 2 consists of the pressure difference P 3 and the pressure of the vertical column of the reference liquid with height h 2 , i.e.
Сигналы на выходе дифференциальных датчиков будут равныThe signals at the output of differential sensors will be equal to
Сложив два последних выражения, получимAdding the last two expressions, we get
где h=(h1+h2).where h=(h 1 +h 2 ).
Приравнивая правые части уравнений (1) и (6), получимEquating the right parts of equations (1) and (6), we obtain
При как видно из выражений (4) и (5), выходные сигналы дифференциальных датчиков будут отрицательными и выражение (4) примет видAt as can be seen from expressions (4) and (5), the output signals of differential sensors will be negative and expression (4) will take the form
Таким образом, в устройстве задача измерения плотности жидкости сводится к контролю плотности эталонной жидкости и измерению малых отклонений давлений вертикальных столбов жидкости с измеряемой плотностью и эталонной жидкости. Рациональный выбор эталонной жидкости зависит от конкретных условий использования измерителя. Для обеспечения высокой точности плотности эталонной жидкости необходимо знать . Для измерения локальной плотности морской воды в качестве эталонной жидкости возможно использовать морскую воду с фиксированной соленостью, плотность которой можно контролировать по известному уравнению состояния морской воды, измеряя среднюю температуру и среднее давление образца с высокой реализуемой точностью.Thus, in the device, the task of measuring the density of a liquid is reduced to controlling the density of a reference liquid and measuring small pressure deviations of vertical columns of liquid with a measured density and a reference liquid. The rational choice of the reference fluid depends on the specific conditions of use of the meter. To ensure high accuracy of the density of the reference liquid, it is necessary to know . To measure the local density of sea water, it is possible to use sea water with a fixed salinity as a reference liquid, the density of which can be controlled by the well-known equation of state of sea water by measuring the average temperature and mean pressure sample with high realizable accuracy.
В первом варианте измерителя плотности жидкости (морской воды) для зонда в качестве эталонной принимается жидкость (например, морская вода с заданной соленостью), плотность которой, например, равна плотности в середине диапазона возможных плотностей жидкости (морской воды в среде региона исследования). Точности измерения дифференциальных давлений ΔР1 и ΔР2 должно быть достаточно для получения поправок с необходимой точностью к определению искомой плотности среды при однократных измерениях на траектории зондирования.In the first version of the liquid (sea water) density meter for the probe, a liquid (for example, sea water with a given salinity) is taken as a reference liquid, the density of which, for example, is equal to the density in the middle of the range of possible liquid densities (sea water in the environment of the study region). The measurement accuracy of differential pressures ΔР 1 and ΔР 2 should be sufficient to obtain corrections with the required accuracy to determine the desired density of the medium in single measurements on the probing trajectory.
Кроме того, в соответствии с выражением (7) необходимо знать g(ϕ, z)h, т.е. иметь привязку ускорения силы тяжести к географической широте ϕ и глубине z точки измерения, а также высоту h столба образцовой жидкости по вертикали. В общем случае, при использовании измерителя локальной плотности морской воды в больших океанографических зондах получение этих данных возможно извне. Однако это усложняет использование предложенного измерителя локальной плотности. Желательно исключить эту информацию при определении плотности поскольку для точки измерения уже имеется плотность эталонной жидкости. Для этого в состав устройства вводятся два измерителя плотности с разными плотностями эталонных жидкостей ρ01 и ρ02, конструктивно выполненных так, что оси трубок расположены параллельно и длины h равны. Это второй вариант устройства. Для пары измерителей получим следующие выраженияIn addition, in accordance with expression (7), it is necessary to know g(ϕ, z)h, i.e., have the acceleration of gravity tied to the geographic latitude ϕ and depth z of the measurement point, as well as the vertical height h of the reference liquid column. In general, when using a local seawater density meter in large oceanographic probes, obtaining these data is possible from the outside. However, this complicates the use of the proposed local density meter. It is desirable to exclude this information when determining the density, since the density of the reference liquid is already available for the measuring point. To do this, two density meters with different densities of reference liquids ρ 01 and ρ 02 are introduced into the device, structurally made so that the axes of the tubes are parallel and the lengths h are equal. This is the second version of the device. For a pair of meters, we obtain the following expressions
которые преобразуем к видуwhich we transform to the form
решение системы уравнений (11) и (12) относительно измеряемой плотности ρ будетthe solution of the system of equations (11) and (12) with respect to the measured density ρ will be
где и - плотности эталонных жидкостей при температурах и и давлении в первом и втором измерителях; ΔР11 и ΔР21 - дифференциальные давления в нижних торцах трубок, а ΔР12 и ΔР22 - дифференциальные давления в верхних торцах трубок первого и второго измерителей соответственно.Where And - density of reference liquids at temperatures And and pressure in the first and second meters; ΔР 11 and ΔР 21 - differential pressures at the lower ends of the tubes, and ΔР 12 and ΔР 22 - differential pressures at the upper ends of the tubes of the first and second meters, respectively.
В выражении (13) отсутствует член g(ϕ, z)h и, следовательно, не требуется привязки g к широте ϕ и глубине z, а также проекции h на вертикаль.Expression (13) does not contain the term g(ϕ, z)h and, therefore, it is not required to bind g to the latitude ϕ and depth z, as well as the projection of h onto the vertical.
Таким образом, второй вариант устройства инвариантен к величине ускорения силы тяжести (естественной или искусственной), малому отклонению от вертикали, поскольку при значительных отклонениях от вертикали уменьшаются сигналы дифференциальных датчиков давления, что нежелательно.Thus, the second version of the device is invariant to the magnitude of the acceleration of gravity (natural or artificial), a small deviation from the vertical, since with significant deviations from the vertical, the signals of differential pressure sensors decrease, which is undesirable.
Исследуем вопросы точности. В соответствии с термодинамическим уравнением состояния морской воды TEOS-10 [IOC, SCOR and IAPSO, 2010. The international thermodynamic equation of seawater 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. International Oceanographic Commission, Manuals and Guides. No. 56. UNESCO (English). 196 p. (Available from http://www.TEOS-10.org)], например, требуется точность измерения плотности 0,000004 г/см3 в диапазоне 1,010000-1,030000 г/ см3 или в относительных единицах 2*10-4%.We investigate questions of accuracy. According to the TEOS-10 thermodynamic equation of state for seawater [IOC, SCOR and IAPSO, 2010. The international thermodynamic equation of seawater 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. International Oceanographic Commission, Manuals and Guides. no. 56. UNESCO (English). 196p. (Available from http://www.TEOS-10.org)], for example, a density measurement accuracy of 0.000004 g/cm 3 is required in the range 1.010000-1.030000 g/cm 3 or in relative units 2* 10 -4 %.
Современные дифференциальные датчики имеют основную погрешность не менее 0,1% и для обеспечения необходимой точности в полном диапазоне изменчивости плотности морской воды потребуется не менее 5-ти поддиапазонов с ±2 Па малыми поддиапазонами изменчивости дифференциального давления, задаваемых разными плотностями эталонной жидкости в 5 измерителях, аналогично стандартным измерениям плотности группой ареометров. Modern differential sensors have a basic error of at least 0.1% and to ensure the required accuracy in the full range of seawater density variability, at least 5 subranges with ± 2 Pa small subranges of differential pressure variability, set by different densities of the reference liquid in 5 meters, will be required, similar to standard density measurements by a group of hydrometers.
Такое стандартное решение на современном уровне техники представляется труднореализуемым.Such a standard solution at the present level of technology seems difficult to implement.
Эта задача решается в третьем варианте устройства, в котором используется n измерителей параллельно с одинаковыми значениями h g и разными плотностями эталонной жидкости. При попарной обработке данных n измерителей по выражению (13) формируется результатов измерений. При этом суммы систематических и случайных погрешностей парных измерений становятся случайными на множестве результатов измерений и уменьшаются при осреднении по формулеThis problem is solved in the third version of the device, which uses n meters in parallel with the same hg values and different densities. reference liquid. When pairwise processing of data n meters according to the expression (13) is formed measurement results. In this case, the sums of systematic and random errors of paired measurements become random on the set of measurement results and decrease when averaging according to the formula
где ρ0i, ρ0j - плотности i и j эталонных жидкостей; ΔPi1 и ΔPj1 - дифференциальные давления в нижнем торце трубки i-го и j-го измерителей; ΔPi2 и ΔPi2 - дифференциальные давления в верхнем торце трубок i-го и j-го измерителей.where ρ 0i , ρ 0j - densities i and j of reference liquids; ΔP i1 and ΔP j1 - differential pressures at the lower end of the tube of the i-th and j-th meters; ΔP i2 and ΔP i2 - differential pressures at the upper end of the tubes of the i-th and j-th meters.
Можно ожидать уменьшение среднеквадратической погрешности результата измерения и вычислений по формуле (14) в раз. Это меньше, чем разбиение на n поддиапазонов. Однако, при этом диапазоны изменчивости давления для всех дифференциальных датчиков будут в n раз больше и, следовательно, проще и дешевле реализуемыми.One can expect a decrease in the root-mean-square error of the measurement result and calculations according to formula (14) in once. This is less than splitting into n subranges. However, in this case, the ranges of pressure variability for all differential sensors will be n times larger and, therefore, easier and cheaper to implement.
Плотность можно не только контролировать, но и изменять в определенных пределах, регулируя ее среднюю температуру , учитывая, что среднее давление задается внешней средой.Density can not only be controlled, but also changed within certain limits by adjusting its average temperature , given that the average pressure set by the external environment.
Для примера зависимость плотности нормальной воды от температуры приведена в таблице 1 из [Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100°С. ГСССД 2-89. Свойства материалов и веществ. Вода и водяной пар. Выпуск 1. Таблицы справочных данных. М.: Изд-во стандартов. 1990].For example, the dependence of the density of normal water on temperature is shown in Table 1 from [Water. Density at atmospheric pressure and temperatures from 0 to 100°C. GSSSD 2-89. Properties of materials and substances. Water and water vapor. Issue 1. Tables of reference data. M.: Publishing house of standards. 1990].
Из таблицы 1 видно, что чувствительность к температуре плотности нормальной воды с ростом температуры растет и при изменении температуры от 4 до 44°С плотность воды изменяется на 0,009341 кг/м3. Поскольку реальный диапазон изменчивости плотности, например, морской воды более чем в два раза шире, то необходимо использовать два-три поддиапазона настройки, следовательно, два-три измерителя с разными регулируемыми плотностями эталонной жидкости.Table 1 shows that the sensitivity to temperature of the density of normal water increases with increasing temperature, and when the temperature changes from 4 to 44°C, the density of water changes by 0.009341 kg/m 3 . Since the actual range of density variability, for example, sea water is more than twice as wide, it is necessary to use two or three tuning sub-ranges, therefore, two or three meters with different adjustable densities of the reference liquid.
Представляется, что использование нормальной воды и ее стандартных гидротермодинамических характеристик в качестве эталонной жидкости возможно на первом этапе. Целесообразно в дальнейшем, по-видимому, выбрать в качестве эталонной такую жидкость, определение которой было бы менее условным.It seems that the use of normal water and its standard hydrothermodynamic characteristics as a reference liquid is possible at the first stage. In what follows, apparently, it would be expedient to choose such a liquid as the reference one, the definition of which would be less conditional.
Для изменения температуры внутри трубки установлен термоэлектрический нагреватель-охладитель 15, включение которого на нагрев или охлаждение осуществляется переменной направления тока, а уровень нагрева или охлаждения задается силой тока генератором сигнала 16, управляемого с выхода процессора 14. Используя сумму сигналов на выходах дифференциальных датчиков, положительную, если плотность эталонной жидкости меньше измеряемой плотности и отрицательную, если плотность эталонной жидкости больше измеряемой плотности, можно подстраивать плотность ρ0 эталонной жидкости под измеряемую плотность, регулируя уровень ее средней температуры нагревом-охлаждением. Фактически это следящий преобразователь измеряемой плотности, в состав которого включен нагреватель-охладитель 16 и генератор управляющего сигнала 15, соединенный с выходом процессора 14. Это и составляет четвертый вариант измерителя плотности жидкости.To change the temperature inside the tube, a thermoelectric heater-
Здесь возможен режим поразрядного двоичного уравновешивания неизвестной плотности задаваемой плотностью эталонной жидкости, при котором вместо измеряемого по (ΔР1+ΔР2) и вычисляемого с учетом g(ϕ, z)h второго члена уравнения (7) необходим лишь его знак. При этом отпадают требования к точности измерения и знания значений величин, входящих в выражение для поправки. Однако требуется задание взвешенных малых значений температуры, соответствующих двоично взвешенным малым значениям плотности эталонной жидкости. Here , the mode of bitwise binary balancing of the unknown density given by the density of the reference liquid is possible, in which instead of the second term of Eq. In this case, there are no requirements for measurement accuracy and knowledge of the values of the quantities included in the expression for the correction. However, it is required to specify the weighted small values of temperature corresponding to the binary weighted small values of the density of the reference liquid.
Поскольку реализация нескольких новых плотностей выполняется последовательно, то такой режим из-за снижения быстродействия целесообразно использовать в стационарных приборах.Since the implementation of several new densities is performed sequentially, it is advisable to use this mode in stationary devices due to a decrease in performance.
Измерители плотности жидкости с поразрядным уравновешиванием плотности эталонной жидкости также относится к четвертому варианту устройства с заменой следящего уравновешивания на поразрядное.Liquid density meters with bit-by-bit balancing of the density of the reference liquid also belong to the fourth version of the device with the replacement of follow-up balancing with a bit-by-bit one.
При этом сохраняются требования к точности задания плотности эталонных жидкостей и снимаются требования к точности произведения g(ϕ, z)h и необходимости привязки базы к вертикали.At the same time, the requirements for the accuracy of setting the density of reference liquids are preserved and the requirements for the accuracy of the product g(ϕ, z)h and the need to bind the base to the vertical are removed.
Claims (21)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021126150A RU2021126150A (en) | 2023-03-06 |
RU2792263C2 true RU2792263C2 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1019334A1 (en) * | 1980-07-16 | 1983-05-23 | Предприятие П/Я А-1097 | Device for checking working fluid in hydraulic system |
RU15787U1 (en) * | 1999-12-27 | 2000-11-10 | Варламов Валерий Петрович | DENSITY OF LIQUID MEDIA |
CN102818749A (en) * | 2012-09-13 | 2012-12-12 | 中国科学院海洋研究所 | Wireless data transmission online seawater density salinometer |
RU2013125104A (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-10 | Сергей Петрович Скопинцев | DIFFERENTIAL DENSITY METER, METHOD AND DEVICE |
RU2581438C2 (en) * | 2014-03-17 | 2016-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр ВНИИМ" (ООО "Технологический центр ВНИИМ") | Manometers of absolute pressure with piston pair formed by structurally coupled magnetics (versions) |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1019334A1 (en) * | 1980-07-16 | 1983-05-23 | Предприятие П/Я А-1097 | Device for checking working fluid in hydraulic system |
RU15787U1 (en) * | 1999-12-27 | 2000-11-10 | Варламов Валерий Петрович | DENSITY OF LIQUID MEDIA |
CN102818749A (en) * | 2012-09-13 | 2012-12-12 | 中国科学院海洋研究所 | Wireless data transmission online seawater density salinometer |
RU2013125104A (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-10 | Сергей Петрович Скопинцев | DIFFERENTIAL DENSITY METER, METHOD AND DEVICE |
RU2581438C2 (en) * | 2014-03-17 | 2016-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр ВНИИМ" (ООО "Технологический центр ВНИИМ") | Manometers of absolute pressure with piston pair formed by structurally coupled magnetics (versions) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Beattie | The Apparatus and Method Used for the Measurement of the Compressibility of Several Gases in the Range 0 to 325 C | |
RU2608343C1 (en) | Method of controlling liquid level in reservoirs by lamb waves characteristics and device for its implementation | |
Yuliza et al. | Characterization of a water level measurement system developed using a commercial submersible pressure transducer | |
RU2792263C2 (en) | Liquid density meter and its variants | |
Kohlrausch | An introduction to physical measurements | |
Wilson et al. | Specific volume of sea water as a function of temperature, pressure and salinity | |
Romeo et al. | Density of standard seawater by vibrating tube densimeter: analysis of the method and results | |
US9816951B2 (en) | Method for determining a volume thermal expansion coefficient of a liquid | |
RU2767024C1 (en) | Method for measuring liquid density | |
Cook | The second virial coefficient of carbon dioxide at low temperatures | |
US2674119A (en) | Hydrometer | |
Barr | Errors in viscometry due to surface tension | |
RU2243536C1 (en) | Method of determining gas concentration in liquid | |
Oguchi et al. | Experimental study of PVT properties of HCFC-123 (CHCL2CF3) | |
US20220074779A1 (en) | Nonintrusive vessel level measurement | |
Schwieger et al. | Ultrasound Measurement as a Tool for in Situ Determination of Filling Degree Under Extreme Conditions | |
RU2718140C1 (en) | Method for measuring mass of one of components of a two-component substance with temperature correction and device for its implementation | |
SU817527A1 (en) | Device for determining floatability of bodies at varying hydrostatic pressure | |
Chattopadhyay | Finding the density of a liquid using a metre rule | |
Han et al. | Light Oil Measurement: Density, Velocity And Modulus From 23 to 200? C And At Pressures Up to 150 MPa | |
Cristiansen et al. | Effect of variations in temperature on the operation of the instantaneous reading atmometer | |
RU2021126150A (en) | LIQUID DENSITY METER AND ITS VARIANTS | |
RU2341778C2 (en) | Device for measuring density and fluid level in reservoirs (density-level meter) | |
SU972323A1 (en) | Liquid density and viscosity determination method | |
Bakovets et al. | Measuring liquid density in a system for ensuring uniformity of measurements |