Устройство для измерения плотности и уровня жидкости
Использование: для контроля плотности и уровня жидкости в резервуарах, в частности, для растворов радиохимической переработки облученного ядерного топлива. Сущность полезной модели:
Устройство для измерения плотности и уровня жидкости содержит три пьезотрубки, источник питания пьезотрубок сжатым газом, распределители, два дифманометра, трубу ввода газа, импульсные линии, блок регистрации и управления. Две пьезотрубки погружены в контролируемую среду на разную глубину, а третья - подсоединена к газовому пространству резервуара. Один распределитель управляет подачей газа на устройство, а остальные - в импульсные линии пьезотрубок. В импульсные линии пьезотрубок встроены ограничители расхода газа, выполненные из капиллярных трубок. Плюсовые входы дифманометров объединены и соединены с длинной пьезотрубкой, минусовый вход одного дифманометра подсоединен к короткой пьезотрубке, а другого дифманометра - к третьей пьезотрубке. На трубе ввода газа в устройство установлены обратный клапан и защитный фильтр. Технический результат - повышение точности измерения плотности и уровня жидкости в резервуаре, сокращение эксплуатационных расходов, расширение сферы применения, безопасная эксплуатация на радиохимических объектах.
Техническое решение относится к пневмометрическим приборам и может быть использовано в сложных технологических условиях, например, для контроля уровня и плотности технологических растворов переработки облученного ядерного топлива.
Широко известны пневмометрические уровнемеры, принцип действия которых основан на том, что по трубке, вертикально погруженной в жидкость, непрерывно пропускается газ, обычно воздух, и измеряется его давление в трубке. Давление в трубке равно давлению в жидкости на уровне нижнего торца трубки. Поскольку давление столба жидкости пропорционально глубине погружения трубки H, следовательно, измеряемое давление воздуха в трубке P, при известной плотности жидкости 
, является мерой уровня жидкости («Измерения в промышленности. Справочник» / ред. проф. док. П.Профос. М.: Машиностроение, 1980):
H=P/(·g)
где g - ускорение свободного падения.
Аналогично при известном постоянном уровне жидкости в резервуаре давление воздуха в трубке является мерой плотности. Если постоянство уровня жидкости не может быть обеспечено, применяются пневмометрические плотномеры, выполненные по дифференциальной схеме.
Для измерения плотности в резервуар с испытуемой жидкостью погружены две трубки, продуваемые воздухом. Трубки устанавливаются так, чтобы одна из них была опущена ниже другой. Расстояние по высоте между нижними торцами погруженных трубок h фиксируется. Измеряется разность давлений 
P в трубках, которая пропорциональна плотности жидкости (С.С.Кивилис. Плотномеры. М.: Энергия, 1980):
=P/(g·h)
Использование в одном резервуаре двух одинаковых приборов нецелесообразно. Этот недостаток устранен в последующих изобретениях.
Известно устройство для измерения уровня, плотности и положения границы раздела жидкостей в резервуаре, содержащее вертикальную трубку, погруженную в контролируемую среду, на которой равномерно, через одинаковые расстояния установлены клапаны, блок питания сжатым воздухом, включающий два канала магистрали высокого давления, задатчик давления, два регулятора расхода, распределители (пневмоклапаны), дифманометр, пневмоемкость и контроллер (патент России 
2238527, МПК G01F 23/16, G01N 9/26).
Клапаны на трубке, управляемые распределителями, могут перекрывать или соединять полость трубки с контролируемой средой. В трубку и к распределителям из блока питания подается сжатый воздух.
Работа устройства осуществляется циклически. Перед измерением уровня в резервуаре все клапаны открыты. Воздух, подаваемый в трубку из блока питания, свободно проходит через клапаны, расположенные выше уровня жидкости, в газовое пространство резервуара. Перепад давления, измеряемый дифманометром, равен нулю. Закрывая поочередно, сверху вниз клапаны на трубке, определяют номер клапана (отсчет от верхнего клапана), при закрытии которого показание дифманометра отлично от нуля. Это указывает на то, что уровень среды в резервуаре находится между последним закрытым клапаном и предыдущим. Перекрывая следующие клапаны и измеряя при этом показания дифманометра, рассчитывается плотность среды.
Порядок переключений клапанов, определение перепадов давлений и расчеты уровня и плотности среды осуществляются по программе, записанной в контроллер.
Недостатком данного прибора является продолжительность измерений, что при быстро меняющихся величинах плотности и уровня, например, при смешивании растворов, может привести к увеличению погрешности их определения.
Кроме того, эксплуатационная надежность клапанов, работающих под уровнем жидкости, особенно если она коррозионноактивная или кристаллизующаяся, невысока. Проведение ремонта клапанов затруднено из-за сложности их демонтажа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и принятым за прототип является устройство для измерения плотности жидкостей, содержащее в качестве датчика две пьезотрубки, погруженные в контролируемую жидкость, источник питания сжатым воздухом, распределители (электропневматические преобразователи), дроссели переменного и постоянного сопротивления, дифманометр, контроллер (программатор) с блоками памяти, деления и регистрации (патент России 1627915, МПК G01N 9/28).
Пьезотрубки импульсными линиями соединены с источником сжатого воздуха, а через четыре распределителя - с входами дифманометра, причем положительный вход связан с длинной пьезотрубкой, а отрицательный - с короткой. Переключением распределителей короткая пьезотрубка может быть соединена с плюсовым входом дифманометра. Оба входа дифманометра могут быть переключены на атмосферу.
Выход дифманометра электрическим кабелем связан с блоком памяти и далее с входом контроллера. Выходы контроллера соединены электрически с входами распределителей. Блок памяти соединен с блоком деления, который имеет выход на регистрирующие устройства.
Устройство для измерения плотности работает дискретно по программе, заложенной в контроллер.
При измерении плотности жидкости контроллер отключает все распределители. Сжатый воздух по импульсным линиям поступает в обе пьезотрубки. Давление воздуха в длинной пьезотрубке передается на плюсовой вход дифманометра, а от короткой пьезотрубки - на минусовой вход дифманометра. Разность давлений преобразуется в аналоговый электрический сигнал, соответствующий текущему значению плотности контролируемой жидкости, и поступает в блок памяти, в котором сигнал запоминается и одновременно поступает на регистрацию в соответствующий блок. После определения значения плотности контроллер переключает распределители, соединяя минусовой вход дифманометра с короткой пьезотрубкой, а плюсовой - с атмосферой. Выходной электрический сигнал с дифманометра через блок памяти поступает в блок деления, где делится на величину сигнала от плотности, находящегося в блоке памяти. В результате на регистрирующее устройство поступает сигнал, пропорциональный величине уровня жидкости.
После определения уровня контроллер переключением распределителей соединяет оба входа дифманометра с атмосферой. Отличный от нуля результат поступает в блок памяти, где запоминается для корректировки на данную величину сигналов плотности и уровня.
Устройство для измерения плотности - прототип имеет следующие недостатки.
В устройстве расход воздуха в пьезотрубки не контролируется и не ограничивается. Известно, что при высоких скоростях воздуха в пьезотрубках имеет место струйный режим истечения воздуха в жидкость, при котором в показания пневмометрических приборов вносится большая погрешность (А.К.Макаров, В.М.Свердлин. Автоматические устройства контроля уровня. М.: Энергия, 1966).
Высокий расход воздуха на проведение измерений ограничивает область применения устройства. В конденсаторах и выпарных аппаратах избыточная концентрация неконденсирующих газов (воздуха) во вторичном паре ухудшает эффективность процесса его конденсации. По опытным данным допустимая массовая доля неконденсирующих газов в паре не должна превышать 0,1% (С.С.Кутателадзе, В.М.Боришанский. Справочник по теплопередаче. М-Л.: Госэнергоиздат, 1959).
При использовании устройства в радиохимическом производстве большой расход воздуха перегружает систему газоочистки.
Кроме того, устройство-прототип не соответствует критерию радиационной безопасности, вследствие отсутствия изолирующих элементов, предназначенных для предотвращения выхода радиоактивных веществ из резервуара через коммуникации прибора в случае аварии («Установки по переработке отработавшего ядерного топлива. Требования безопасности». НП-013-99).
Заявляемое техническое решение направлено на устранение перечисленных недостатков.
Предлагаемое устройство решает задачу повышения точности измерения плотности и уровня жидкости в резервуаре, сокращает эксплуатационные расходы за счет уменьшения потребления сжатого газа, расширяет сферу применения и повышает безопасность его эксплуатации на радиохимических объектах.
Технический результат, получаемый от реализации заявленной полезной модели, обеспечивается тем, что в известное устройство для измерения плотности и уровня, содержащее в качестве датчика две пьезотрубки, погруженные в резервуар с контролируемой жидкостью на разную глубину, источник питания пьезотрубок сжатым газом, распределители, дифманометр, трубу ввода газа, импульсные линии, блок регистрации и управления, в состав которого входит контроллер, введены третья пьезотрубка, подсоединенная к газовому пространству резервуара, второй дифманометр, три ограничителя расхода газа, выполненные из капиллярных трубок, обратный клапан и защитный фильтр, при этом один распределитель установлен на трубе ввода газа в устройство, а три других - установлены на импульсных линиях пьезотрубок на участках от входов дифманометров до пьезотрубок, ограничители расхода газа встроены в импульсные линии пьезотрубок на участках от трубы ввода газа до входов дифманометров, плюсовые входы дифманометров объединены и соединены с длинной пьезотрубкой, минусовой вход одного дифманометра подключен к короткой пьезотрубке, а второго дифманометра - к третьей пьезотрубке, на трубе ввода газа после распределителя установлены обратный клапан и защитный фильтр.
Заявленная полезная модель соответствует критериям патентоспособности: обладает новизной, так как из уровня техники заявителем не выявлено техническое решение, характеризуемое такой же совокупностью признаков, и промышленно применима, так как устройство и все его признаки выполнимы и воспроизводимы. Ничто в предлагаемом техническом решении не противоречит и не мешает использованию его в промышленном производстве с достижением ожидаемого технического результата. Доказательство тому - ниже приведенное описание конструктивного оформления устройства для измерения плотности и уровня жидкости и его работы.
На рисунке, прилагаемом к описанию полезной модели, иллюстрируется предложенное устройство. Устройство для измерения плотности и уровня жидкости содержит три пьезотрубки 1, 2, 3, источник питания сжатым газом магистраль 4, труба ввода газа 5 в устройство, обратный клапан 6, защитный фильтр 7, ограничители расхода газа 8, распределители 9, 10, 11, 12, дифманометры 13, 14, импульсные линии 15, блок управления с контроллером 16, электрокабели 17. Пьезотрубки 1 и 2 погружены в контролируемую жидкость 18 на разную глубину. Расстояние по высоте между нижними торцами пьезотрубок равно h. Пьезотрубка 3 подсоединена к газовому пространству 19 резервуара 20. Магистраль 4 по трубе подачи сжатого газа 5 через распределитель 9, обратный клапан 6, защитный фильтр 7 и ограничители расхода 8 соединена с пьезотрубками. Длинная пьезотрубка 1 соединена с магистралью 4 через распределитель 11, короткая пьезотрубка 2 - через распределитель 12, а третья - через распределитель 10. Давление газа от длинной пьезотрубки 1 передается на плюсовые входы дифманометров 13 и 14. На минусовой вход дифманометpa 14 передается давление газа из короткой трубки 2, а давление из третьей пьезотрубки передается на минусовой вход дифманометра 13.
Четыре выхода контроллера 16 электрическими кабелями 17 соединены с входами управления распределителей 9, 10, 11, 12, а два входа - с выходами дифманометров 13 и 14. К контроллеру подключены внешние устройства регистрации и управления (на рисунке не показаны).
В качестве составных частей устройства могут быть использованы следующие комплектующие изделия:
- распределители 9, 10, 11, 12, тип MHE3-M1H-3/2G-1/8-К, обратный клапан 6, тип HA-M5-QS-4, фильтр 7, тип MS4-LFM-1/8-ARM (Каталог фирмы «Festo», 2010 г.);
- ограничители расхода воздуха 8-капиллярная трубка ГОСТ 14162-79;
- дифманометры 13, 14 - преобразователи дифференциального давления, тип АИР-10М (Каталог фирмы «ЭЛЕМЕР», 2006 г.);
- контроллер 16 - микроконтроллер семейства Х51.
Заявляемое устройство измеряет плотность и уровень жидкости при всех режимах эксплуатации резервуара, как под вакуумом так и под давлением.
Устройство может проводить измерения в двух режимах.
Первый режим измерения - непрерывный, при котором по команде контроллера 16 открываются распределители 9-12. Сжатый газ из магистрали 4 через распределитель 9, обратный клапан 6, фильтр 7, ограничители расхода 8 и распределители 10, 11, 12 по импульсным линиям 15 поступает в пьезотрубки 1, 2 и 3. Благодаря малому сечению капилляров, из которых выполнены ограничители 8 (в сравнении с сечением импульсных линий и пьезотрубок) расход сжатого газа незначителен, его скорость в пьезотрубках мала. Режим истечения газа из пьезотрубок в жидкую среду не струйный, а пузырьковый, не вносящий больших искажений в результаты измерений разности давлений. Газ из резервуара 20 эвакуируется по сдувочному трубопроводу 21 на газоочистку. Дифманометр 14 измеряет разность давлений Pп в пьезотрубках 1 и 2. Сигнал с дифманометра 14 по кабелю поступает в контроллер 16, где поступившая информация обрабатывается, определяется плотность жидкости, значение которой выдается на регистрирующее устройство:
=Pп/(g·h)
Дифманометр 13 измеряет разность давлений Pу между давлением в длинной пьезотрубке 2 и давлением в надрастворном, газовом пространстве 19 резервуара 20. Сигнал от дифманометра 13 также поступает в контроллер, на второй вход. По измеренным Pп и Pу рассчитывается величина уровня H жидкости в резервуаре 20, отсчитываемого от нижнего конца пьезотрубки 2:
H=Pу·h/Pп
Результаты расчетов непрерывно выводятся на регистрирующее устройство.
Второй режим измерения - дискретный. При этом режиме исходное положение: распределитель 9 открыт для прохода газа, остальные - закрыты. По сигналу контроллера распределители 10-12 открываются, пропуская воздух в пьезотрубки, а распределитель 9 закрывается. Сигналы с дифманометров 13, 14 поступают в контроллер 14, где обрабатываются. Полученные результаты направляются на внешний блок регистрации и управления. Затем контроллер закрывает распределители 10-12 и открывает распределитель 9 до проведения повторного измерения. Продолжительность измерений и временной паузы между измерениями, а также обработка результатов измерений, вид их представления осуществляются контроллером по специальному программному обеспечению.
При эксплуатации резервуара под давлением в случае аварии, например, при исчезновении давления сжатого воздуха в магистрали 4 срабатывает обратный клапан 6, что препятствует выходу газа и жидкой среды из резервуара 20 и из импульсных линий устройства. Возможный унос аэрозолей с газом в начальный момент устраняется фильтром 7.
Из вышеизложенного следует, что заявляемое устройство обладает существенным преимуществом перед известным устройством для измерения плотности и уровня жидкости. Его преимущество заключается в повышении точности измерений, в сокращении эксплуатационных расходов, в расширении сферы применения, в безопасной эксплуатации на радиохимических объектах.
Устройство для измерения плотности и уровня жидкости, преимущественно радиоактивной, содержащее две пьезотрубки, погруженные в резервуар с контролируемой жидкостью на разную глубину, источник питания пьезотрубок сжатым газом, распределители, дифманометр, трубу ввода газа, импульсные линии, блок управления и регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено третьей пьезотрубкой, сообщенной с газовым пространством резервуара, вторым дифманометром, тремя ограничителями расхода газа, обратным клапаном и защитным фильтром, при этом один из распределителей, обратный клапан и защитный фильтр установлены последовательно на трубе ввода газа в устройство, а три других распределителя установлены на импульсных линиях пьезотрубок на участках от входов дифманометров до пьезотрубок, ограничители расхода газа, выполненные из капиллярных трубок, встроены в импульсные линии пьезотрубок на участках от трубы ввода газа до входов дифманометров, плюсовые входы дифманометров объединены и соединены с длинной пьезотрубкой, минусовой вход одного дифманометра подключен ко второй короткой пьезотрубке, а другого дифманометра - к третьей пьезотрубке.
