RU46854U1

RU46854U1 - DENSITOMETER

Info

Publication number: RU46854U1
Application number: RU2004118273/22U
Authority: RU
Inventors: А.С. Галкин; А.И. Лакеев; Н.Я. Мустаев; Н.Д. Пискунов; В.Д. Ремизов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НТФ НОВИНТЕХ"
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-07-27

Abstract

Изобретение относится к устройствам для измерения плотности жидкостей и может быть использовано в системах измерения плотности нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных, при их отпуске приеме и хранении с измерением плотности на разных уровнях. Плотномер состоит из магнитострикционного волновода, размещенного внутри корпуса из немагнитного материала, на котором на различной высоте расположено n тороидальных поплавков с уравновешивающими цепочками и находящимися внутри поплавков магнитами. На магнитострикционном волноводе расположена катушка считывания, подключенная к усилителю-формирователю, а сам магнитострикционный волновод подключен к формирователю импульсов. Выход усилителя-формирователя подключен к входу блока обработки сигнала, выход которого соединен с входом формирователя импульсов. 1 ил.The invention relates to a device for measuring the density of liquids and can be used in systems for measuring the density of petroleum products and other liquids, including explosive ones, during their vacation, reception and storage with density measurement at different levels. The densitometer consists of a magnetostrictive waveguide located inside the body of non-magnetic material, on which n toroidal floats with balancing chains and magnets inside the floats are located at different heights. On the magnetostrictive waveguide is a read coil connected to the driver amplifier, and the magnetostrictive waveguide is connected to the pulse former. The output of the amplifier-driver is connected to the input of the signal processing unit, the output of which is connected to the input of the pulse shaper. 1 ill.

Description

Изобретение относится к устройствам для измерения плотности жидкостей.The invention relates to devices for measuring the density of liquids.

Известно множество устройств поплавкового типа для измерения плотности жидкостей, обзор которых хорошо представлен в книге С.С.Кивилиса «Плотномеры» изд. «Энергия», Москва 1980 г. Все эти плотномеры классифицируются по двум функциональным принципам - с частичным погружением поплавка и с полным погружением поплавка.There are many float-type devices for measuring the density of liquids, an overview of which is well presented in the book by S. S. Kivilis "Density" ed. Energia, Moscow 1980. All these densitometers are classified according to two functional principles - with partial immersion of the float and with full immersion of the float.

Показания плотномеров с частичным погружением поплавка, т.е. находящегося на поверхности, зависят от поверхностного натяжения жидкости, которое, в свою очередь, определяется рядом факторов (таких как давление, температура, смачиваемость) и, как правило, является переменной величиной. Это приводит к снижению точности измерений.Readings of densitometers with partial immersion of the float, i.e. located on the surface, depend on the surface tension of the liquid, which, in turn, is determined by a number of factors (such as pressure, temperature, wettability) and, as a rule, is a variable. This leads to a decrease in measurement accuracy.

Исключить влияние поверхностного натяжения позволяют плотномеры с поплавками полного погружения (поплавково-весовые плотномеры). К числу плотномеров полного погружения относятся так называемые цепочные плотномеры, принцип работы которых изложен в книге С.С.Кивилиса «Плотномеры». Использование цепочек позволяет уравновешивать поплавок в широком диапазоне плотности.To exclude the influence of surface tension allow densitometers with floaters full immersion (float-weight densitometers). Density meters of complete immersion include the so-called chain densitometers, the principle of operation of which is described in the book by S. S. Kivilis “Density meters”. Using chains allows you to balance the float in a wide range of density.

Техническое описание погружного плотномера представлено в патенте Великобритании GB №2013900 A G 01 N 9/18 опубл. 15.08.1979 г., содержащего поплавок с цепочкой и систему электродов, связанной с мостовой схемой, для оценки электрической проводимости жидкости и определения положения поплавка путем измерения сопротивления зон жидкости. Однако это устройство пригодно только для измерения плотности электропроводящих жидкостей, например электролитов, и не позволяет измерять плотность непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов.A technical description of a submersible densitometer is presented in GB Patent GB No. 20133900 A G 01 N 9/18 publ. 08/15/1979, containing a float with a chain and an electrode system associated with a bridge circuit to assess the electrical conductivity of the liquid and determine the position of the float by measuring the resistance of the zones of the liquid. However, this device is only suitable for measuring the density of electrically conductive liquids, such as electrolytes, and does not allow measuring the density of non-conductive liquids, such as petroleum products.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому плотномеру является плотномер, описанный в авторском свидетельстве СССР №397813 G 01 N 9/10 опубл. 17.09.1972 г. Указанный плотномер содержит погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок с установленным на нем магнитом, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, причем поплавок выполнен в виде тороида, охватывающего размещенный в трубчатом корпусе из немагнитного материала преобразователь перемещения поплавка, выполненный в виде феррито-полупроводникового распределителя, подключенного к выходу генератора тактовых импульсов.The closest in technical essence to the proposed densitometer is the densitometer described in the USSR copyright certificate No. 397813 G 01 N 9/10 publ. 09/17/1972 The specified densitometer contains a balanced, vertically moving float immersed in a liquid with a magnet mounted on it, means for balancing the float, for example a chain, a transducer for moving the float into an electric signal, the float being made in the form of a toroid enclosing a nonmagnetic enclosed in a tubular body material, a float displacement transducer made in the form of a ferrite-semiconductor distributor connected to the output of a clock pulse generator.

Указанный выше плотномер обладает высокой помехоустойчивостью. Однако его разрешающая способность определяются размерами одного элемента феррито-иолупроводникового распределителя и расстоянием между соседними элементами, т.е. его показания носят дискретный характер, и увеличение его точности и чувствительность требует увеличения количество феррито-полупроводниковых элементов и уменьшения их геометрических размеров (например для относительной погрешности 0,1% и перемещении поплавка 10 см необходимо 1000 шт. феррито-полупроводниковых элементов, а размер их должен быть 0,1 мм на практике сейчас такие феррито-полупроводникового распределителя не реализуемы). Кроме этого с помощью одного плотномера нельзя производить одновременные измерения на разных уровнях, что бывает необходимым требованием при измерении плотности расслаивающихся жидкостей, например нефтепродуктов. Поэтому решение задачи по многоуровнему измерению требует установки нескольких плотномеров, а это при использовании феррито-полупроводникового распределителя прямопропорционально удорожает многоканальный плотномер. Кроме The above densitometer has a high noise immunity. However, its resolution is determined by the size of one element of the ferrite-semiconductor distributor and the distance between adjacent elements, i.e. its readings are discrete in nature, and an increase in its accuracy and sensitivity requires an increase in the number of ferrite-semiconductor elements and a decrease in their geometric dimensions (for example, for a relative error of 0.1% and a float movement of 10 cm, 1000 pieces of ferrite-semiconductor elements are needed, and their size should be 0.1 mm in practice now such a ferrite-semiconductor distributor is not feasible). In addition, with the help of one densitometer it is impossible to make simultaneous measurements at different levels, which is a necessary requirement when measuring the density of stratified liquids, for example, petroleum products. Therefore, the solution of the problem of multilevel measurement requires the installation of several densitometers, and this, when using a ferrite-semiconductor distributor, directly increases the cost of a multichannel densitometer. Besides

этого следует отметить, что недостатком данного плотномера, также как и других известных цепочковых плотномеров, является ограниченная рабочая зона, определяемая протяженностью измерительного элемента (в данном случае феррито-полупроводникового). Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на цепочки и поплавки, которые приходится изготавливать либо крупногабаритными с большим количеством цепочек или цепочки должны изготавливаться из тяжелых металлов, например из платиноиридиевых сплавов, что делает их весьма дорогостоящими. Но наиболее серьезным недостатком феррито-полупроводникового преобразователя является узкий температурный диапазон, связанный с потерей магнитных свойств используемых материалов как при низких (ниже -60°), так и при высоких температурах (выше 100°С). Это существенно ограничивает область использования указанных плотномеров, например, для измерения плотности сжиженных газов и высокотемпературных расплавов (в химической промышленности).This should be noted that the disadvantage of this densitometer, as well as other known chain densitometers, is the limited working area determined by the length of the measuring element (in this case, ferrite-semiconductor). This, in turn, imposes certain requirements on chains and floats, which have to be made either large-sized with a large number of chains or chains must be made of heavy metals, for example platinum-iridium alloys, which makes them very expensive. But the most serious drawback of a ferrite-semiconductor converter is the narrow temperature range associated with the loss of magnetic properties of the materials used both at low (below -60 °) and at high temperatures (above 100 ° C). This significantly limits the scope of use of these densitometers, for example, for measuring the density of liquefied gases and high-temperature melts (in the chemical industry).

Предметом полезной модели является плотномер для жидкости, содержащий погруженный в жидкость уравновешенный вертикально перемещающийся поплавок в виде тороида с размещенными в нем магнитами, средство для уравновешивания поплавка, например цепочки, преобразователь перемещения поплавка в электрический сигнал, помещенный в трубчатый корпус из немагнитного материала, охватываемый тороидольным поплавком, при этом преобразователь перемещения поплавка выполнен в виде магнитострикционнрго волновода с расположенной на нем катушкой считывания и подключенным к нему формирователем импульсов, катушка считывания подключена к входу усилителя-формирователя, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, а количество поплавков может быть увеличено до n штук с The object of the utility model is a liquid densitometer, containing a balanced vertically moving float immersed in a liquid in the form of a toroid with magnets placed in it, means for balancing the float, for example a chain, a transducer for moving the float into an electrical signal, placed in a tubular body made of non-magnetic material, covered by a toroidal float, while the transducer displacement of the float is made in the form of a magnetostrictive waveguide with a readout coil located on it anija and the connected pulse generator, the reading coil is connected to the input of the amplifier-shaper, the output of which is connected to the input of the signal processing unit, whose output is connected to the input of the pulse shaper, and the number of floats may be increased to n units with

расположением их на разной высоте в зависимости от необходимого числа точек измерения плотности жидкости.their location at different heights, depending on the required number of points for measuring fluid density.

Техническим результатом является создание нового плотномера для жидкости, обладающего непрерывным измерением с высоким порогом чувствительности, широким диапазоном рабочих температур и хорошей температурной стабильностью, возможностью измерения плотности на разных уровнях без увеличения сложности измерителя перемещения поплавка при достаточно большой длине плотномера (несколько метров), возможностью использовать разнообразные материалы для уравновешивающих цепочек, что дает возможность получить дешевые многоканальные плотномеры.The technical result is the creation of a new densitometer for liquids, with continuous measurement with a high threshold of sensitivity, a wide range of operating temperatures and good temperature stability, the ability to measure density at different levels without increasing the complexity of the float displacement meter with a sufficiently long densitometer length (several meters), the ability to use a variety of materials for balancing chains, which makes it possible to obtain cheap multi-channel dense Ry.

Указанные свойства получены благодаря использованию в качестве преобразователя перемещения магнитострикционного волновода, размещенного внутри корпуса из немагнитного материала, на котором на различной высоте расположено n тороидальных поплавков с находящимися внутри них магнитами. На магнитострикционном волноводе расположена катушка считывания, подключенная к усилителю-формирователю, а сам магнитострикционный волновод подключен к формирователю импульсов. Выход усилителя-формирователя подключен к входу блока обработки сигнала, выход которого соединен с входом формирователя импульсов.The indicated properties are obtained due to the use of a magnetostrictive waveguide placed inside the housing of non-magnetic material, on which n toroidal floats with magnets inside them are located at different heights. On the magnetostrictive waveguide is a read coil connected to the driver amplifier, and the magnetostrictive waveguide is connected to the pulse former. The output of the amplifier-driver is connected to the input of the signal processing unit, the output of which is connected to the input of the pulse shaper.

На рисунке схематично представлено устройство плотномера.The figure schematically shows the device density meter.

Цифрами на рисунке обозначены:The numbers in the figure indicate:

1 - первый поплавок;1 - the first float;

2 - второй поплавок;2 - the second float;

3 - n-ый поплавок;3 - n-th float;

4 - постоянный магнит внутри поплавка;4 - a permanent magnet inside the float;

5 - магнитострикционный волновод;5 - magnetostrictive waveguide;

6 - катушка считывания;6 - read coil;

7 - корпус из немагнитного материала;7 - case of non-magnetic material;

8 - формирователь импульсов;8 - pulse shaper;

9 - усилитель-формирователь;9 - amplifier-driver;

10 - блок обработки сигнала.10 - signal processing unit.

Первый, второй и n-ый поплавки 1, 2 и 3 тороидальной формы с находящимися внутри них магнитами 4 и прикрепленными к ним цепочками располагаются снаружи корпуса из немагнитного материала 7, внутри которого находятся магнитострикционный волновод 5 и катушка считывания 6. Вся конструкция помещена в резервуар с исследуемой жидкостью. Формирователь импульсов 8 выполнен с возможностью формирования ультразвуковых импульсов прямоугольной формы с длительностью не более 10 мкс, амплитудой 12 В и частотой 10 Гц, необходимых для создания ультразвуковой волны вокруг волновода 5. Усилитель-формирователь 8 выполнен с возможностью усиления сигнала, снимаемого с катушки считывания 6 и формирования одиночных прямоугольных импульсов длительностью не более 10 мкс и амплитудой 5 В, необходимых для последующей обработки сигнала в блоке обработки сигнала 10, выполненного с возможностью анализа временных интервалов между импульсами, поступающими в формирователь импульсов 8 и импульсами, приходящими из усилителя-формирователя 9, с последующим преобразованием полученной информации в цифровую величину плотности исследуемой жидкости.The first, second, and n-th toroidal floats 1, 2, and 3 with magnets 4 located inside them and chains attached to them are located outside the body of non-magnetic material 7, inside of which there is a magnetostrictive waveguide 5 and a read coil 6. The whole structure is placed in the tank with test fluid. The pulse shaper 8 is configured to generate rectangular ultrasonic pulses with a duration of not more than 10 μs, an amplitude of 12 V and a frequency of 10 Hz, necessary to create an ultrasonic wave around the waveguide 5. The amplifier-shaper 8 is configured to amplify a signal taken from the read coil 6 and the formation of single rectangular pulses with a duration of not more than 10 μs and an amplitude of 5 V, necessary for subsequent processing of the signal in the signal processing unit 10, configured to lease time intervals between the pulses in the incoming pulse shaper 8 and the pulses arriving from the amplifier-shaper 9, followed by conversion of information received in the digital value sample liquid density.

Работа плотномера осуществляется следующим образом.The operation of the densitometer is as follows.

Измерение плотности основано на измерениях времени распространения ультразвука в магнитострикционном волноводе. Скорость распространения ультразвука в волноводе практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.The density measurement is based on measurements of the propagation time of ultrasound in a magnetostrictive waveguide. The propagation velocity of ultrasound in the waveguide is practically independent of pressure and humidity. The influence of temperature is automatically compensated using a special algorithm for processing time intervals of ultrasound propagation.

По команде из блока обработки сигналов 10 с помощью формирователя импульсов 8 генерация ультразвуковой волны происходит по принципу магнитострикции непосредственно в волноводе 5, изготовленном из специальной стальной проволоки с магнитострикционными свойствами и расположенном внутри корпуса из немагнитного материала 7.At the command of the signal processing unit 10 using the pulse shaper 8, the ultrasonic wave is generated by the principle of magnetostriction directly in the waveguide 5, made of a special steel wire with magnetostrictive properties and located inside the body of non-magnetic material 7.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в волноводе 5, и полем постоянных магнитов 4 происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью. Ультразвуковая волна, возникающая в местах расположения магнитов 4 распространяется по волноводу 5 в обоих направлениях от места возникновения. В верхней части волновода ультразвуковые волны вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания 6 в электрические импульсы и затем гасятся демпфером. Указанные импульсы поступают в усилитель-формирователь 9, где преобразуются в прямоугольную форму, и затем поступают в блок обработки сигналов 10. Промежуток времени между моментом генерации ультразвуковой волны и ее преобразованием в электрические импульсы пропорционален измеряемому расстоянию, т.е. положению поплавка 1, 2 или 3, и соответственно, плотности жидкости на данном уровне. При наличии нескольких поплавков с размещенными в них магнитами, возникает несколько ультразвуковых волн, равное числу поплавков. При этом моменты преобразования ультразвуковых волн в электрические импульсы разнесены по времени, и анализ количества импульсов и соответствующих промежутков времени позволят определить положение каждого поплавка, и таким образом измерить плотность жидкости на соответствующем уровне. Следует отметить, что благодаря использованию магнитострикционного волновода в качестве датчика перемещения возможно использование стальных уравновешивающих The interaction of an alternating magnetic field created by a current pulse in the waveguide 5 and the field of permanent magnets 4 causes a deformation of the crystal structure of the waveguide, which creates a mechanical wave propagating with ultrasonic speed. An ultrasonic wave arising at the locations of the magnets 4 propagates along the waveguide 5 in both directions from the place of occurrence. In the upper part of the waveguide, ultrasonic waves are converted by a read coil 6 into electrical pulses due to the inverse magnetostrictive effect and then are damped by a damper. These pulses are fed to an amplifier-shaper 9, where they are converted into a rectangular shape, and then fed to a signal processing unit 10. The time interval between the moment of generation of an ultrasonic wave and its conversion into electrical pulses is proportional to the measured distance, i.e. the position of the float 1, 2 or 3, and, accordingly, the density of the liquid at this level. In the presence of several floats with magnets placed in them, several ultrasonic waves arise, equal to the number of floats. In this case, the moments of conversion of ultrasonic waves into electrical pulses are spaced in time, and analysis of the number of pulses and the corresponding time intervals will determine the position of each float, and thus measure the density of the liquid at the appropriate level. It should be noted that due to the use of a magnetostrictive waveguide as a displacement sensor, it is possible to use steel balancing

цепочек, отказавшись от более тяжелых и дорогих материалов, т.к. не накладывается жестких требований к ограничению перемещений поплавка в процессе измерения плотности.chains, abandoning more heavy and expensive materials, because There are no stringent requirements for restricting float movements during density measurement.

Следует также отметить, что благодаря использованию низких рабочих напряжений и малых токов описываемый плотномер легко реализуем во взрывобезопасном исполнении, что позволяет его использовать при измерении плотности во взрывоопасных средах, например при работе с нефтепродуктами или сжиженными газами.It should also be noted that due to the use of low operating voltages and low currents, the described densitometer is easily implemented in explosion-proof design, which allows it to be used when measuring density in explosive atmospheres, for example, when working with oil products or liquefied gases.

На предприятии-заявителе был изготовлен макет, а затем опытный образец описанного плотномера, и проведены испытания, которые полностью подтвердили правильность предлагаемого решения.At the applicant plant, a prototype was made, and then a prototype of the described densitometer, and tests were carried out that fully confirmed the correctness of the proposed solution.

Claims

A liquid densitometer containing a balanced vertically moving float immersed in a liquid in the form of a toroid with magnets placed in it, means for balancing the float, for example, a chain, a transducer for moving the float into an electrical signal placed in a tubular body made of non-magnetic material, covered by a toroidal float, characterized the fact that the transducer displacement of the float is made in the form of a magnetostrictive waveguide with a read coil located in it and connected to to it by the pulse shaper, the read coil is connected to the input of the driver-amplifier, the output of which is connected to the input of the signal processing unit, the output of which is connected to the input of the pulse shaper, and the number of floats can be increased to n pieces with their location at different heights depending on the required number points for measuring fluid density.