Устройство для измерения уровня или плотности жидкости
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в сложных технологических условиях, в частности, для контроля уровня и плотности технологических растворов радиохимической переработки облученного ядерного топлива. Сущность полезной модели: в устройство для измерения уровня или плотности жидкости, включающего датчик дифференциального давления и соединительные линии, в которых присутствует разделительная жидкость, дополнительно введены блок регистрации и управления и два управляемых дозатора разделительной жидкости, при этом выход датчика дифференциального давления соединен с входом блока регистрации и управления, информационный выход блока служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока подключены к управляющим входам дозаторов, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика дифференциального давления и входами соединительных линий, выполненных в виде капиллярных трубок, при этом свободные концы соединительных линий установлены в контролируемом объеме на заданных высотах и расположены горизонтально, а в непосредственной близости от свободного конца верхней соединительной линии дополнительно установлена плоская пластина, параллельная поверхности жидкости. Технический результат - снижение погрешности измерений уровня и/или плотности жидкости в резервуаре, а также снижение эксплуатационных расходов в условиях радиохимического производства за счет существенного повышения надежности работы устройства и его ремонтопригодности.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения уровня и/или плотности жидкостей в резервуарах в сложных технологических условиях, в частности, для контроля уровня и плотности технологических растворов радиохимической переработки облученного ядерного топлива.
Известны устройства для измерения уровня жидкостей (см. М.В.Кулаков. Технологические измерения и приборы для химических производств. М., 1983 г.), действие которых основано на том, что давление Р в жидкости на расстоянии Н от ее поверхности определяется выражением:
где: 
- плотность раствора;
g - ускорение свободного падения.
Давление столба жидкости измеряется косвенно, по давлению воздуха, подаваемого непрерывно в пьезометрическую трубку, погруженную в жидкость. Уровень Н определяется из известной величины и измеренного давления Р. К недостаткам указанного устройства относится низкая точность измерений, связанная с тем, что в момент отрыва пузырька избыточного воздуха происходит скачок давления в пьезометрической трубке. Последнее приводит к соответствующему разбросу в результатах измерения давления воздуха и, следовательно, к увеличению погрешности определения уровня жидкости.
Известно устройство «Интеллектуальный гидростатический преобразователь давления для измерения плотности APR-2200D» (см. Техническое описание прибора в каталоге фирмы «Aplisens» (Польша) по ссылке в Интернете http://www.aplisens.by/catalog/close_reservoir/preobr_apr_2200.html), выполненное на основе датчика дифференциального давления, в котором используются мембранные разделители двух входов датчика и контролируемой среды. Свободный объем между чувствительным элементом датчика и мембраной заполнен манометрической жидкостью. При этом используются дистанционные мембранные разделители, включающие в себя капиллярную соединительную линию между чувствительным элементом и мембраной, также заполненную манометрической жидкостью. Мембранные разделители устанавливаются с помощью фланцевых соединений на боковую поверхность резервуара с разницей высот, равной 
Н. Если поверхность жидкости в резервуаре выше места установки верхнего разделителя, то устройство используется для определения плотности жидкости в резервуаре по величине разности давлений Рдатч, измеряемой датчиком дифференциального давления. Если ниже - то устройство служит для определения уровня жидкости при условии, что ее плотность известна. В качестве манометрической жидкости, как правило, используется силиконовое масло, имеющее низкий коэффициент объемного расширения. Измеряемая датчиком разность давлений Рдатч отличается от разности давлений Р в точках установки мембранных разделителей на величину гидростатического давления Рмж столба манометрической жидкости высотой Н, причем последняя определяется из выражения:
где мж - плотность манометрической жидкости.
В итоге плотность контролируемой жидкости (при условии, что поверхность жидкости выше верхнего разделителя) определяется как:
В случае, если поверхность жидкости с плотностью ниже верхнего разделителя, то ее уровень Н относительно уровня установки нижнего разделителя определяется из измеренной датчиком разности давлений Pдатч с учетом гидростатического давления столба манометрической жидкости высотой Н следующим образом:
Датчикам с мембранами в кристаллизующейся жидкости присущ один существенный недостаток: поверхность мембраны может обрасти кристаллами и потерять необходимую упругость, что приведет к искажению результатов измерений. Кроме того, при малых перепадах высот контролируемых точек, характерных, в условиях радиохимического производства, для небольших по размеру резервуаров, к упругости мембран предъявляются повышенные требования по передаче малых перепадов давления. В этом случае возникают проблемы с изготовлением мембран из материала, устойчивого к контролируемой среде, в частности, к сильным кислотам. Спецификой радиохимического производства являются также большие радиационные нагрузки на оборудование, включая датчики. Существенное снижение радиационной нагрузки на датчик возможно, если его вынести за пределы радиационной защиты, которой снабжена технологическая установка. Однако из-за ограничений на длину капилляров (до 6 метров), связывающих чувствительный элемент датчика с мембранами, это не представляется возможным.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решением является устройство для измерения уровня агрессивных жидкостей (см. «Монтаж средств измерений и автоматизации». Справочник под ред. А.С.Клюева, М., Энергоатомиздат, 1988 г.), в котором для предотвращения непосредственного контакта датчика дифференциального давления и контролируемой жидкости используется разделительная жидкость, которая не смешивается с контролируемой жидкостью и отличается от нее по плотности. Блок-схема устройства для случая, когда плотность разделительной жидкости выше, чем плотность контролируемой жидкости, показана на фиг.1. Это устройство содержит датчик дифференциального давления, два разделительных сосуда, трубные соединительные линии, соединяющие нижние части разделительных сосудов с датчиком дифференциального давления, а верхние части разделительных сосудов - с резервуаром с контролируемой жидкостью и уравнительным сосудом, размещенным по высоте на уровне верхней части резервуара с контролируемой жидкостью и соединенным с ним по газовой фазе трубной линией. Нижние трубные соединительные линии, а также равные объемы в нижней части идентичных разделительных сосудов заполняются разделительной жидкостью. Верхняя часть разделительных сосудов и верхние соединительные линии, а также уравнительный сосуд заполняются контролируемой жидкостью. Верхний уровень жидкости в уравнительном сосуде соответствует максимально возможному уровню контролируемой жидкости в резервуаре. Разделительная жидкость не является агрессивной по отношению к материалам, из которых выполнен датчик дифференциального давления. Выходным сигналом устройства является выходной сигнал датчика дифференциального давления, который равен нулю, когда уровень жидкости в резервуаре максимален и равен уровню жидкости в уравнительном сосуде. Когда уровень жидкости в резервуаре минимален, то выходной сигнал устройства достигает максимума. Диаметр трубных соединительных линий должен быть не менее 12 мм, чтобы пузырьки газа, попавшие в контролируемую жидкость или выделившиеся из нее, всплывали и не вносили дополнительной погрешности в результаты измерений. К недостаткам такого устройства относится то, что трубные соединительные линии должны монтироваться с понижением от резервуара к датчику. При аварийной разгерметизации радиоактивная контролируемая жидкость может поступить непосредственно в зону расположения датчика. В силу этого датчик дифференциального давления в данном устройстве невозможно вынести за пределы радиационной защиты технологической установки, что существенно затруднит проведение ремонтных работ, а также уменьшит срок его службы из-за большой радиационной нагрузки.
Полезная модель решает задачу снижения погрешности измерений уровня и/или плотности жидкости в резервуаре, а также снижения эксплуатационных расходов в условиях радиохимического производства за счет существенного повышения надежности работы устройства и его ремонтопригодности.
Технический результат, получаемый от реализации заявленной полезной модели, обеспечивается тем, что в состав известного устройства, включающего датчик дифференциального давления и соединительные линии, в которых присутствует разделительная жидкость, введены блок регистрации и управления и два управляемых дозатора разделительной жидкости, при этом выход датчика дифференциального давления соединен с входом блока регистрации и управления, информационный выход блока служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока подключены к управляющим входам дозаторов, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика дифференциального давления и входами соединительных линий, выполненных в виде капиллярных трубок, при этом свободные концы соединительных линий установлены в контролируемом объеме на заданных высотах и расположены горизонтально.
Кроме того, в непосредственной близости от свободного конца верхней соединительной линии дополнительно установлена плоская пластина, параллельная поверхности жидкости.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема устройства-прототипа; на фиг.2 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения уровня или плотности жидкости.
Устройство содержит датчик 1 дифференциального давления, управляемые дозаторы 2 и 3 разделительной жидкости, блок 4 регистрации и управления, по меньшей мере две капиллярные соединительные линии 5 и 6, и горизонтальную площадку 7, установленную в закрытом резервуаре 8 с контролируемой жидкостью. При этом выход датчика 1 дифференциального давления электрически соединен с входом блока 4 регистрации и управления, информационный выход блока 4 служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока 4 подключены к управляющим входам дозаторов 2 и 3, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика 1 дифференциального давления и входами соединительных линий 5 и 6.
Датчик 1 дифференциального давления представляет собой, по существу, известный датчик, например, типа DMD 331-A-S фирмы «БД Сенсоре РУС» (см. по ссылке в Интернете http://www.bdsensors.ru/products/product_info.php?id=19), основная погрешность которого не превышает 0,1% измеряемой величины.
Этот датчик включает емкостную ячейку, входы которой изолированы качественными мембранами, предназначенными для контактирования с агрессивными средами, но контакт с кристаллизующимися жидкостями для данной конструкции противопоказан. Кроме того, указанный датчик не желательно размещать в непосредственной близости от технологического оборудования в радиохимическом производстве, а также подвергать воздействию радиационных полей.
В качестве управляемых дозаторов 2 и 3 могут быть использованы, например, мембранные микронасосы типа 7604 фирмы «Bürkert» (см. в Интернете по ссылке http://www.ndps.ru/burkert/DEE/buerkert_products.sk_34.htm), работа которых регулируется программным путем с помощью сигналов от блока 4 регистрации и управления.
Блок 4 регистрации и управления выполнен на основе микроконвертора, который объединяет в себе аналого-цифровой преобразователь входного сигнала и микропроцессор, обеспечивающий: регистрацию входного сигнала; обработку информации; периодическую генерацию импульсных последовательностей на двух выходах блока 4, выполненных в виде электронных ключей, для управления дозаторами 2 и 3; обмен данными через информационный выход блока 4, представляющего собой, например, стандартный СОМ-порт.
Капиллярные соединительные линии 5 и 6 могут быть выполнены из материала, инертного как к контролируемой, так и к разделительной жидкостям, например, металлическими (в частности, из нержавеющей стали), а их внутренний диаметр должен составлять примерно 1-2 мм. В варианте исполнения устройства могут быть установлены как две, так и большее количество соединительных линий, например, три или четыре. В этом случае первые две линии могут использоваться для измерения плотности, а вторые две или вторая и третья - для измерения уровня жидкости. При этом могут быть установлены клапаны, например, электромагнитные, для переключения линий на один датчик дифференциального давления или использоваться два аналогичных датчика.
Свободные концы соединительных линий 5 и 6 выполнены в виде горизонтальных участков линий небольшой длины и жестко закреплены в контролируемом резервуаре 8 в заданных точках с разностью высот, равной Н. Произвольное смещение точек закрепления концов соединительных линий недопустимо, так как это приведет к погрешности в измерениях.
Соединительные линии 5 и 6 выведены из резервуара 8 через верхнюю крышку 9, а их длина может составлять до нескольких десятков метров. Для использования в условиях радиохимического производства наиболее целесообразным является размещение соединительных линий 5 и 6 с повышением от резервуара 8 к датчику 1, но в любом случае датчик 1 должен быть расположен только после выхода соединительных линий за пределы радиационной защиты технологического оборудования.
Если уровень жидкости Н относительно свободного конца линии 6 больше величины Н, то есть если свободные концы линий 5 и 6 находятся в контролируемой жидкости, то устройство выполняет функцию контроля плотности жидкости. В другом случае, когда конец линии 6 погружен в жидкость, а конец линии 5 находится выше нее, то устройство предназначено для контроля уровня жидкости. В последнем случае непосредственно под свободным концом линии 5 установлена горизонтальная площадка 7, площадь которой может составлять, например, несколько квадратных сантиметров.
Устройство работает следующим образом.
Для случая контроля плотности жидкости дозатор 3 по команде блока 4 регистрации и управления в течение заданного интервала времени с заданным небольшим расходом дозирует разделительную жидкость в соединительную линию 6. В процессе дозирования из-за наличия гидродинамического сопротивления линии 6 разность давлений, регистрируемая датчиком 1, получает приращение, пропорциональное по величине гидродинамическому сопротивлению линии 6. Если указанное приращение превысит по величине заданный порог, то дозирование прекращается, и в блоке 4 регистрации и управления формируется аварийный сигнал для внешних устройств, означающий неисправность линии 6, связанную, в частности, с ее «засорением» или скоплением в ней пузырьков воздуха.
При дозировании избыточная разделительная жидкость поступает из свободного конца линии 6 в контролируемую жидкость. С учетом этого, в качестве разделительной жидкости, как правило, выбирается такая, которая растворяется в контролируемой жидкости и практически не меняет ее состав, так как дозируемый объем разделительной жидкости (доли или единицы миллилитров) на несколько порядков меньше объема контролируемой жидкости. После окончания работы дозатора 3 по команде блока 4 регистрации и управления дозатор 2 аналогичным образом дозирует разделительную жидкость в соединительную линию 5, свободный конец которой находится ниже уровня жидкости. При этом, как и для линии 6, может быть сформирован аварийный сигнал для внешних устройств, означающий неисправность линии 5.
После окончания работы дозатора 2 через некоторое время, занятое переходным процессом, на выходе датчика 1 дифференциального давления регистрируется величина Pдатч, пропорциональная разности гидростатических давлений, создаваемых столбом разделительной жидкости и столбом контролируемой жидкости с равными высотами Н. Аналогично устройству с применением мембранных разделителей, искомая величина плотности контролируемого раствора определяется с помощью блока 4 регистрации и управления из выражения:
где рж - плотность разделительной жидкости.
Измерение Pдатч и определение производится многократно, до проведения очередных процедур дозирования разделительной жидкости в соединительные линии 5 и 6. Интервал между двумя последующими процедурами дозирования может быть достаточно большим. Его величина, а также объем отдельной порции дозируемой жидкости определяются следующими факторами.
Во-первых, если разделительная жидкость характеризуется небольшим и медленным газовыделением, например, дистиллированная вода, то необходимо прокачивать разделительную жидкость в количествах, позволяющих обновить содержимое каждой капиллярной соединительной линии 5 и 6 в течение приблизительно 6-8 часов. Например, объем капиллярной линии длиной 20 метров и внутренним диаметром 2 мм составляет около 60 мл. В указанных условиях средний расход разделительной жидкости для каждой соединительной линии 5 и 6 составляет приблизительно 10 мл/час. Мембранные микронасосы типа 7604 фирмы «Bürkert» обеспечивают производительность 5 мл/мин. Соответственно, для выбранного примера общее время работы каждого дозатора 1 или 2 составит 2 минуты в течение часа. Если периодически включать дозаторы 1 и 2 на короткое время, например, по 3 секунды каждый, то средний расход разделительной жидкости величиной 10 мл/час будет обеспечен при проведении процедуры дозирования один раз в 90 секунд. При этом измерение плотности может вестись с периодом 10÷15 секунд без помех со стороны процедуры дозирования.
С другой стороны, в сечениях свободных концов капиллярных соединительных линий 5 и 6 происходит взаимодействие контролируемой и разделительной жидкостей. Скорость этого взаимодействия и влияние изменения состава разделительной жидкости в зоне свободных концов линии 5 и 6 зависит от конкретных составов указанных жидкостей. Например, при контроле азотнокислых растворов и использовании в качестве разделительной жидкости дистиллированной воды процесс носит крайне медленный характер. В течение часа на расстоянии 1 см от отверстия концентрация азотной кислоты в разделительной жидкости не превышает 2% от концентрации азотной кислоты в контролируемом растворе. Т.е. изменение концентрации практически не выйдет за пределы начального горизонтального участка свободных концов линий 5 и 6. Кроме того, процессы перемешивания в линиях 5 и 6 идентичны. Соответственно, в течение часа останется неизменным значение плотности разделительной жидкости в вертикальных участках, влияющее на величину измеряемой разности давлений Р.
В случае, если скорость взаимодействия контролируемой и разделительной жидкостей выше, устанавливается меньший период дозирования и меньший объем дозируемой порции. Объем порции должен быть значительно большим, чем внутренний объем начального горизонтального участка свободных концов линий 5 и 6. Последний при длине начального участка в 10 мм и внутреннем диаметре 2 мм составляет приблизительно 0,03 мл. В приведенном выше примере при периодичности процедуры дозирования 90 секунд и ее продолжительности в 3 секунды для дозатора 1 или 2 объем отдельной порции разделительной жидкости составит 0,25 мл, что существенно больше внутреннего объема горизонтального участка свободных концов линий 5 и 6.
Для определения уровня раствора в резервуаре необходимо, чтобы поверхность жидкости находилась ниже свободного конца соединительной линии, т.е. чтобы выполнялось условие Н<Н. В этом случае, в отличие от измерения плотности, при дозировании разделительной жидкости в соединительную линию 5 избыточная разделительная жидкость поступает из свободного конца линии 5 на площадку 7, которая исключает возможность образования висящей капли разделительной жидкости на свободном конце линии 5. Наличие площадки 7 повышает точность определения уровня жидкости Н, т.к. при зависании на свободном конце линии 5 капли разделительной жидкости возникает систематическое смещение измеренной разности давлений Р, что вызывает соответствующую погрешность определения уровня Н, эквивалентную примерно 2÷5 мм.
После окончания процедур дозирования регистрируется величина Pдатч, пропорциональная разности гидростатических давлений, создаваемых столбом разделительной жидкости высотой Н и столбом контролируемой жидкости высотой Н. Аналогично устройству с применением мембранных разделителей, величина Н определяется из выражения:
где рж - плотность разделительной жидкости.
Процедура дозирования разделительной жидкости в линии 5 и 6 может осуществляться как поочередно, так и одновременно в обе линии. В последнем случае, если разность давлений Pдатч в процессе ближайших измерений практически не изменяется, то это означает, что обе капиллярные линии одинаково не засорены, и в них отсутствуют скопления пузырьков газа. Если же Р изменяется, например, в положительную сторону, то это свидетельствует о том, что увеличилось гидродинамическое сопротивление линии, подключенной к положительному входу датчика дифференциального давления, а если Р изменяется в отрицательную сторону, то очевидно, что засорена другая капиллярная линия.
Таким образом, благодаря процедуре дозирования разделительной жидкости в устройстве производится регулярное диагностирование рабочего состояния капиллярных соединительных линий, причем в процессе работы устройства, что способствует повышению точности определения измеряемых величин и, тем самым, повышению надежности работы устройства.
Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает уменьшение погрешности определения уровня жидкости по сравнению с прототипом и аналогами за счет наличия в нем горизонтальной площадки 7, которая препятствует образованию капель разделительной жидкости на свободном конце линии 5 и тем самым устраняет систематическое смещение измеренной разности давлений Pдатч.
Вместе с тем, надежность предлагаемого устройства в условиях радиохимического производства оказывается существенно выше, чем у прототипа, т.к. в зоне расположения технологического оборудования в условиях высоких радиационных полей размещаются только узлы, выполненные из металла, включая металлические капиллярные соединительные линии 5 и 6, а какие-либо чувствительные либо исполнительные элементы устройства отсутствуют. Датчик 1 дифференциального давления, управляемые дозаторы 2 и 3 разделительной жидкости, блок 4 регистрации и управления могут быть размещены вне зоны расположения технологического оборудования. При этом стоимость замены элемента устройства, не находящегося в зоне расположения технологического оборудования, невысока, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов в условиях радиохимического производства.
Использование заявленного технического решения позволяет также расширить область его применения для сложных технологических условий, в частности, для радиохимического производства.
1. Устройство для измерения уровня или плотности жидкости, содержащее датчик дифференциального давления, резервуар с контролируемой жидкостью и размещенные между ними соединительные линии с разделительной жидкостью, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок регистрации и управления и два управляемых дозатора разделительной жидкости, при этом электрически выход датчика дифференциального давления соединен с входом блока регистрации и управления, информационный выход блока служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока подключены к управляющим входам дозаторов, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика дифференциального давления и входами соединительных линий, а соединительные линии выполнены в виде капиллярных трубок, свободные концы которых установлены в резервуаре с контролируемой жидкостью и жестко закреплены в заданных точках с образованием разности высот.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что свободные концы соединительных линий выполнены в виде горизонтальных участков небольшой длины.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в непосредственной близости под свободным концом верхней соединительной линии дополнительно установлена плоская пластина, параллельная поверхности жидкости.
