Устройство измерения плотности загрязненных и чистых жидких сред

 

Полезная модель относится к измерительной технике. Устройство измерения плотности загрязненных и чистых жидких сред характеризуется тем, что при проведении измерения плотности дифманометрическим способом конструктивно устройство (прибор) содержит один датчик давления - чувствительный пьезорезистивный элемент, который помещен в специальный корпус и делит внутреннюю полость устройства на две части при конструктивном обеспечении равенства их объемов, корпус прикреплен к пластине, два разделителя мембранных жестко прикрепленные на расстоянии (базе измерений) друг от друга по высоте с обратной стороны пластины вдоль нее, при этом каждый разделитель мембранный выполнен в виде корпуса с упругой мембраной толщиной от 0,05 до 0,08 мм и подмембранная полость каждого соединена жестко закрепленными трубками фиксированной конфигурации с соответствующей полостью корпуса пьезорезистивного элемента, нижняя и верхняя упругие мембраны сообщены через заполняющую полости устройства специально выбранную кремнийорганическую жидкость соответственно с лицевой и тыльной сторонами пьезорезистивного элемента разделяющего внутреннюю полость устройства на две, давление столба измеряемой жидкости, действующее на упругие мембраны разделителя мембранного, передается через кремнийорганическую жидкость на тыльную и лицевую стороны пьезорезистивного элемента преобразовывается в пропорциональный разности этих давлений и соответственно плотности электрический сигнал, а к корпусу первичного преобразователя прикреплен блок электроники, на плату которого поступает выходной разностный сигнал для преобразования в нормированный термокомпенсированный выходной токовый сигнал, к пластине прикреплена полая штанга (труба) с кабельными вводами для удержания устройства в вертикальном положении при погружении в жидкую среду и передачи по кабелю, проходящему через штангу этого выходного сигнала соответствующего величине измеряемой плотности жидкой среды. 2 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности касается конструкции устройств для измерения плотности жидких сред.

Известно устройство для измерения плотности раствора, чувствительными элементами датчиков давления в котором являются мембранные блоки, и в которых центр мембраны жестко связан с тензометрическим преобразователем усилия. Сигналы тензометрических преобразователей усилия усиливаются предварительными усилителями, и подаются на вход блока преобразования сигнала, где формируются нормированные сигналы датчиков давления и разностный сигнал, пропорциональный плотности раствора, в который погружены датчики давления (см. «Датчик плотности бурового раствора ICS SD 0001. Техническое описание и инструкция по эксплуатации», г.Саратов, «Информ-Компьютер-Сервис» 1998 г.стр.1-4, 12, 14).

Конструктивно прибор состоит из двух датчиков давления, трубчатого корпуса. устройства крепления датчиков, блока преобразования сигнала. Датчик давления включает в себя корпус из коррозионно-стойкого материала, мембранный блок с мембраной и приводом чувствительного элемента, тензометрический чувствительный элемент с системой термокомпенсации и предварительный усилитель сигнала чувствительного элемента.

Датчик выполнен в цилиндрическом корпусе, в одном торце которого закреплен мембранный блок, содержащий мембрану с приводом. Мембрана изготовлена из специальной стали толщиной 0.03 мм и во избежание налипания раствора отполирована электрохимическим методом. На мембранном блоке смонтированы с помощью упора тензометрический чувствительный элемент и на стойках печатная плата с элементами электрической схемы предварительного усилителя. Выводы печатной платы пропущены в трубчатый корпус и соединены с контактами блока преобразования. Корпус датчика внутри соединен с отрицательным проводом питания предварительного усилителя.

Измерение плотности производится дифманометрическим способом путем измерения двумя погружными датчиками давления разницы гидростатического давления раствора на постоянной базе измерения. Функция преобразования для данного принципа измерения имеет вид:

Р=P1-P2=yр-ра(H1 -H2)=yр-раН

где: Р - разница гидростатического давления на датчиках давления;

P1 - гидростатическое давление на нажнем датчике давления;

P2 - гидростатическое давление на верхнем датчике давления;

yр.ра - плотность раствора;

H1 - глубина погружения нижнего датчика давления;

Н2 - глубина погружения верхнего датчика давления;

Н=const - разница глубин погружения датчиков давления (база измерения).

В известном приборе давление столба бурового раствора воздействует на мембрану мембранного блока датчика давления. Усилие, сформированное этим давлением, жестким приводом, закрепленным в центре мембраны, передается на тензометрический чувствительный элемент. Чувствительный элемент выполнен в виде пластины из специальной стали, один конец которой жестко закреплен на корпусе мембранного блока, а на другой посредством ножевого зажима воздействует привод мембраны. На чувствительный элемент в месте наибольшего напряжения наклеены тензорезисторы, включенные в мостовую измерительную схему. Сигнал мостовой измерительной схемы пропорциональный усилию, создаваемому давлением столба бурового раствора, усиливается предварительным усилителем и передается в

блок преобразования сигнала. Система термокомпенсации мостовой схемы исключает влияние температуры датчика на выходной сигнал. В блоке преобразования из сигналов датчиков давления формируются нормированные сигналы датчиков давления и разностный сигнал, пропорциональный плотности раствора, в который погружены датчики давления. Эти сигналы по соединительному кабелю подаются на выходной разъем блока преобразования сигнала.

Недостаток данного устройства заключается в сложности конструкции и технологии изготовления и необходимости использования специальных материалов с по-парным подбором элементов, требовании для проведения измерений достаточно большой наименьшей глубины погружения (600 мм), что в конечном итоге приводит к тому, что прибор становится чувствительным к любым внешним изменениям (возмущающим воздействиям при проведении измерений), и точность полученных результатов будет иметь варьирующуюся от внешних условий погрешность.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата по упрощению конструкции и технологии изготовления, повышения надежности плотномера и повышению достоверности показателей замеров, в том числе при наличии возмущающих воздействий и возможности уменьшения глубины погружения до 200 мм.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство измерения плотности любых загрязненных и чистых жидких сред, характеризуется тем, что при проведении измерения плотности дифманометрическим способом конструктивно устройство (прибор) содержит один датчик давления - чувствительный пьезорезистивный элемент, который помещен в специальный корпус и делит внутреннюю полость устройства на две части при конструктивном обеспечении равенства их объемов, корпус прикреплен к пластине, два разделителя мембранных жестко прикрепленные на расстоянии (базе измерений) друг от друга по высоте с обратной стороны пластины вдоль нее, при этом каждый разделитель мембранный выполнен в виде корпуса с упругой мембраной толщиной от 0,05 до 0,08 мм и подмембранная полость каждого соединена жестко закрепленными трубками фиксированной конфигурации с соответствующей полостью корпуса пьезорезистивного элемента, нижняя и верхняя упругие мембраны сообщены через заполняющую полости устройства специально выбранную кремнийорганическую жидкость соответственно с лицевой и тыльной сторонами пьезорезистивного элемента разделяющего внутреннюю полость устройства на две, давление столба измеряемой жидкости, действующее на упругие мембраны разделителя мембранного, передается через кремнийорганическую жидкость на тыльную и лицевую стороны пьезорезистивного элемента преобразовывается в пропорциональный разности этих давлений и соответственно плотности электрический сигнал, а к корпусу первичного преобразователя прикреплен блок электроники, на плату которого, поступает выходной разностный сигнал для преобразования в нормированный термокомпенсированный выходной токовый сигнал, к пластине прикреплена полая штанга (труба) с кабельными вводами для удержания устройства в вертикальном положении при погружении в жидкую среду и передачи по кабелю, проходящему через штангу этого выходного сигнала соответствующего величине измеряемой плотности жидкой среды.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 корпус первичного преобразователя поз.4 и блок электроники поз.6 условно повернуты и приподняты над основанием поз.1 и сделаны частичные разрезы для наглядности;

фиг.2 - вид А по фиг.1, показано устройство без кожуха с частичными разрезами.

Согласно настоящего изобретения рассматривается устройство измерения разности давлений, которое конструктивно выполнено для целей автоматического контроля и измерения плотности любых, в том числе «грязных» (загрязненных) жидких сред и может быть отградуировано конкретно в единицах плотности.

Устройство выполнено в виде единой конструкции, закрепленной на несущей пластине, являющейся основанием 1 (далее - основание) с целью сохранения его параметров неизменными после окончательной сборки, настройки и градуировки, для проведения измерений путем вертикального погружения его в емкость с измеряемой жидкостью, либо обеспечения передачи воздействия столба этой жидкости на упругие мембраны разделителя мембранного иным способом, при условии сохранения вертикального расположения.

Для проведении измерения плотности дифманометрическим способом устройство содержит один датчик давления, представляющий собой чувствительный пьезорезистивный элемент, который помещен в прикрепленный к пластине корпус и делит внутреннюю полость устройства на две полости равного объема, два разделителя мембранных жестко прикрепленных на расстоянии, являющемся базой измерений, друг от друга по высоте с обратной стороны пластины вдоль нее, при этом каждый разделитель мембранный выполнен в виде корпуса с упругой мембраной и подмембранная полость каждого сообщена через прикрепленные жестко трубки с соответствующей полостью корпуса пьезорезистивного элемента, полости под упругими мембранами нижнее (внизу) и верхнее (вверху) расположенных разделителей мембранных сообщены через заполняющую их и трубки кремнийорганическую жидкость соответственно с полостями корпуса датчика давления с лицевой и тыльной стороны пьезорезистивного элемента, а к корпусу датчика давления прикреплен блок электроники, для обработки выходной разностного сигнала, полученного в результате разницы давлений столбов измеряемой жидкости, и преобразования его в нормированный термокомпенсированный выходной токовый сигнал, при этом к пластине прикреплена полая штанга с кабельными вводами для удержания устройства в вертикальном положении при погружении в жидкую среду и передачи по кабелю, проходящему через штангу, указанного выходного сигнала, соответствующего величине измеряемой плотности жидкой среды.

Ниже рассматривается конкретный пример исполнения устройства.

Конструкция устройства включает в себя один корпусированый специальным образом чувствительный пьезорезистивный элемент 3 (первичный преобразователь - датчик давления), который герметично разделяет устройство на две полости (два объема). Конструкция корпуса 4 первичного преобразователя обеспечивает возможность присоединения к нему через транспортные трубки 5 двух разделителей мембранных (далее - РМ) 2, содержащих упругие мембраны, подачи электрического питания на пьезорезистивный элемент 3 первичного преобразователя и вывод с него электрического сигнала для дальнейшей обработки платой блока электроники 6 (далее - БЭ), присоединенного к этому же корпусу 4.

Известные в настоящее время приборы для измерения плотности растворов, включают в себя два датчика давления, расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга. Однако использование в конструкции одного датчика давления (первичного преобразователя - пьезорезистивный элемент 3) при конструктивном обеспечении измерения разницы давлений двух уровней (высот - h=const) одного и того же столба жидкости обеспечивает повышение надежности и облегчает получение требуемого не худшего класса точности при снижении требований к классу используемого датчика.

Конструкция выполнена таким образом, что элементы устройства расположены по разные стороны основания 1. Корпуса 7 разделителей мембранных (далее - корпус РМ) приклеены к основанию 1 на герметик и притянуты к нему с обратной стороны гайкой. Корпус 4 первичного преобразователя с присоединенными к нему остальными элементами конструкции притянут болтами к другой стороне основания 1. РМ герметично соединяются с полостями корпуса 4 первичного преобразователя посредством металлических транспортных трубок 5. Один конец трубок резьбо-паяным неразъемным соединением присоединен к корпусу 4 первичного преобразователя, а другой через фланец, приваренный к другому концу трубки и прокладку посредством резьбового разъемного соединения прикреплен к корпусу 7 разделителя мембранного.

Таким образом, с учетом вертикального при эксплуатации расположения устройства конструктивно имеются две герметичные полости - нижняя 8 и верхняя 9. Общим разделяющим элементом этих полостей является первичный преобразователь (пьезорезистивный элемент 3). Все соединения, образующие полости, герметичны со степенью герметичности не хуже 10-5 мкм рт ст×л/с по допускаемому потоку натекания гелия.

Нижняя полость ограничена внутренними поверхностями следующих конструктивных элементов: нижней упругой мембраны 10 РМ, нижнего корпуса 7 РМ, нижней транспортной (соединительной) трубки 5, части корпуса 4 первичного преобразователя и лицевой стороной первичного преобразователя (пьезорезистивный элемент 3).

Верхняя полость ограничена внутренними поверхностями следующих конструктивных элементов: верхней упругой мембраны 10 РМ, верхнего корпуса 7 РМ, верхней транспортной (соединительной) трубки 5, части 4 корпуса первичного преобразователя и тыльной стороной первичного преобразователя.

Корпус 4 первичного преобразователя с присоединенным к нему БЭ 6 располагается, как уже указывалось, с обратной стороны основания относительно РМ, между ними по середине при максимально возможном смещении к краю основания 1 относительно вертикальной оси симметрии, по которой располагаются РМ.

Такое конструкторское решение позволяет наиболее эффективно конструктивно решить вопрос максимально возможного равенства внутренних объемов нижней и верхней полостей устройства и тем самым минимизировать дополнительную температурную погрешность, возникающую за счет температурного объемного расширения заполняющей их кремнийорганической жидкости и соответственно облегчает ее компенсацию до требуемого класса точности устройства, а также позволяет реализовать при этом минимальное расстояние между центрами двух РМ, то есть - минимальную базу измерений.

Для каждой полости в корпусе 4 первичного преобразователя имеются специальным образом выполненные отверстия для вакуумного безвоздушного заполнения полостей вполне определенной специально подобранной кремнийорганической жидкостью. После заполнения полостей отверстия герметично

«глушатся» конусными болтами. При этом чтобы в полостях не создавалось избыточное давление по мере вхождения конуса болта в полость вплоть до касания с острой кромкой, по которой он уплотняется, вытесняемая жидкость выливается через специальные отверстия. Такое конструкторское решение также позволяет избежать увеличения дополнительной температурной погрешности за счет излишнего напряжения мембранных элементов.

В качестве жидкости для заполнения, оптимальным образом сочетающей химические свойства, параметры необходимые для качественного вакуумного заполнения и обеспечения необходимых технических характеристик устройства, выбрана кремнийорганическая жидкость ПЭС5 (Полиэтилсилаксан 5). Жидкость образует в полостях гидравлические каналы, по которым воздействие измеряемой среды на упругие мембраны 10 РМ, являющиеся разделительными элементами устройства, передается на лицевую и тыльную стороны первичного преобразователя (пьезорезистивный элемент 3).

Таким образом, упругая мембрана 10 нижнего РМ и соответственно лицевая сторона пьезорезистивного элемента 3 первичного преобразователя через гидравлический канал воспринимает давление столба жидкой среды высотой h2 , a мембрана 10 верхнего РМ и соответственно тыльная сторона пьезорезистивного элемента 3 первичного преобразователя таким же образом воспринимает давление того же столба жидкой среды, но высотой h1. В итоге величина разницы давлений этих столбов жидкости (Р=(h2-h1)=h, где - плотность) суммарно действующая на чувствительный пьезорезистивный элемент 3 (первичный преобразователь) и преобразовывается им в пропорциональный выходной электрический сигнал напряжения. При этом h - определяется конструктивными параметрами устройства и равно расстоянию между разделителями мембранными.

Это расстояние определяется как база измерений и для различных моделей может быть от 100 мм и выше, и определяет линейные размеры устройства. Минимально реализованные размеры преобразователя составляют - 121×285×95 (ширина×высота×толщина). Размеры приведены с учетом защитных перфорированных кожухов 11.

Этот сигнал подается на плату БЭ 6, герметично присоединенного к корпусу 4 первичного преобразователя, для преобразования в нормированный выходной токовый сигнал величиной 4-20 мА и термокомпенсации температурного ухода нуля и чувствительности первичного преобразователя и преобразователя в целом в диапазоне рабочих температур в соответствии с заявленным классом точности. На плате БЭ 6 реализована специально разработанная для устройства электрическая схема, позволяющая осуществлять преобразование входного сигнала напряжения величиной от 5 мВ в нормированный токовый сигнал величиной 4-20 мА. При помощи этой же схемы осуществляются компенсации температурного ухода (температурной зависимости) отдельно и независимо нулевого сигнала и чувствительности Преобразователя отдельно и независимо в пределах класса точности до 0,1 для плюсовой и отрицательной ветки его рабочего температурного диапазона величиной до 5%×10°С -1 от сигнала соответствующего верхнему пределу измерений при нормальной температуре.

Электрическое питание схемы платы БЭ 6 и вывод рабочего сигнала устройства осуществляются по кабелю КУПЭВ (2×2×0,35)э. Кабель вводится в БЭ 6 через металлический кабельный ввод МВА 16-10. Кабельный ввод герметично соединяется с БЭ 6. Блок электроники и полость корпуса первичного преобразователя, через которую выводятся провода от первичного преобразователя, залиты специальным электроизоляционным компаундом.

Кабель выводится через металлическую штангу 12 (трубу), длина которой меняется в зависимости от необходимой глубины погружения устройства. Штанга крепится к основанию 1 при помощи втулок закрепленных на нем. Кабель вводится в штангу и выводится из нее через полиамидные кабельные вводы PGA9-08x герметично закрепленные на ее концах.

К нижней части основания 1 через втулки крепится выдвижная съемная опора 13, позволяющая поднять устройство на определенную высоту от дна емкости в которой находится измеряемая жидкость. На штанге имеется устройство закрепления 14, позволяющее прикрепить устройство к горизонтальной или вертикальной плоскости (поверхности).

Для удобства пользования и сохранности элементов конструкции устройства они защищены с обоих сторон основания 1 перфорированными кожухами 11, закрепленными на основании.

В зависимости от модели устройства корпус 4 первичного преобразователя может быть выполнен либо в виде сборного прямоугольного параллелепипеда с перпендикулярно закрепленным к одной из его сторон блоком электроники БЭ 6, либо в виде сборного цилиндра с закрепленным со стороны одного из его оснований БЭ.

Устройство измерения плотности загрязненных и чистых жидких сред, характеризующееся тем, что для проведения измерения плотности дифманометрическим способом устройство содержит один датчик давления, представляющий собой чувствительный пьезорезистивный элемент, который помещен в прикрепленный к пластине корпус и делит внутреннюю полость устройства на две полости равного объема, два разделителя мембранных, жестко прикрепленных на расстоянии, являющемся базой измерений, друг от друга по высоте с обратной стороны пластины вдоль нее, при этом каждый разделитель мембранный выполнен в виде корпуса с упругой мембраной, и подмембранная полость каждого сообщена через прикрепленные жестко трубки с соответствующей полостью корпуса пьезорезистивного элемента, полости под упругими мембранами ниже и выше расположенных разделителей мембранных сообщены через заполняющую их и трубки кремнийорганическую жидкость соответственно с полостями корпуса датчика давления с лицевой и тыльной стороны пьезорезистивного элемента, а к корпусу датчика давления прикреплен блок электроники для обработки выходного разностного сигнала, полученного в результате разницы давлений столбов измеряемой жидкости, и преобразования его в нормированный термокомпенсированный выходной токовый сигнал, при этом к пластине прикреплена полая штанга с кабельными вводами для удержания устройства в вертикальном положении при погружении в жидкую среду и передачи по кабелю, проходящему через штангу указанного выходного сигнала, соответствующего величине измеряемой плотности жидкой среды.



 

Наверх