Устройство для измерения плотности и уровня жидких сред

Использование: в системах управления технологическими процессами, в частности, для измерения плотности и уровня жидких сред, в том числе буровых и цементных растворов в емкостях при их перемешивании. Сущность технического решения: устройство для измерения плотности и уровня жидких сред, преимущественно буровых и цементных растворов в процессе их приготовления, включает источник сжатого воздуха, две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере сообщающейся через выполненную в ней щелевую прорезь с емкостью с контролируемым раствором, перемешиваемым посредством мешалки, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, при этом на погруженных в раствор концах пьезометрических трубок на высоте не менее 1/5 диметра их выходного отверстия выполнено, по меньшей мере, одно боковое отверстие, диаметр которого меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок. В предпочтительных вариантах реализации устройства: диаметр бокового отверстия меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок не более чем в 10 раз. концы пьезометрических трубок выполнены в виде наконечников с антиадгезионным покрытием. Устройство позволяет: проводить измерения при приготовлении малых объемов вязких растворов на малых дискретных промежутках времени с одновременным увеличением отношения сигнал/помеха. 1 н.з.п., 2 з.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах управления технологическими процессами, в частности, для измерения плотности и уровня жидких сред, в том числе буровых и цементных растворов в емкостях при их перемешивании.

Известно устройство для измерения плотности жидких сред, например буровых и цементных растворов, содержащее источник сжатого воздуха, две вертикально установленные в емкости с контролируемой жидкостью пьезометрические трубки, одни концы которых погружены в жидкость на различную глубину, и преобразователь разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал (SU 1374097, G01N 9/26, 1988).

Недостатком устройства является сложность конструкции и его настройки.

Также известно устройство для измерения плотности жидких сред, содержащее источник сжатого воздуха, две вертикально установленные в емкости с контролируемой жидкостью пьезометрические трубки, одни концы которых погружены в жидкость на различную глубину, и преобразователь разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал, причем погруженные в жидкость концы пьезометрических трубок оснащены наконечниками с антиадгезионным покрытием, выходной канал источника сжатого воздуха через соответствующий нормально закрытый пневмоклапан и постоянный дроссель соединен с входным штуцером не погруженного конца соответствующей пьезометрической трубки и с каналом управления соответствующего пневмоклапана, выходные штуцеры пьезометрических трубок, через первое и второе инерционные звенья соединены с глухими входами указанного преобразователя, а выход преобразователя является выходом устройства (RU 2122196, G01N 9/26, 1997).

Устройство обеспечивает высокую точность измерения, надежность измерения плотности буровых и цементных растворов, но не позволяет применять его для измерения плотности жидких сред типа буровых и цементных растворов в емкостях при их интенсивных перемешиваниях при приготовлении смесовых растворов с помощью различных мешалок. Причиной этого является несоответствие давления на концах пьезометрических трубок статическому состоянию, которое описывается следующими формулами: давление Р(1,2)=gH(l,2), где Р(1,2) - давление соответственно в первой и второй трубке, Н(1,2) - глубина погружения в емкость соответственно первой и второй трубки;

плотность =gP, где Р=(Р1-Р2) - разность давлений в первой и второй трубках. При перемешивании жидкости в емкости возникают ламинарные (не перемешивающиеся слои) или турбулентные (перемешивающиеся) перемещающиеся потоки, причем жидкость в емкости движется неравномерно по слоям на разных уровнях и в разных направлениях. При движении жидкости возле выхода воздуха из пьезометрических трубок давление уже не пропорционально столбу жидкости, а равняется: Рст.+V²/2, где V - скорость движения жидкости возле конца пьезометрической трубки. Поскольку концы измерительных трубок находятся в разных точках от дна и стенок внутри емкости, то и при перемешивании скорости движения жидкости в этих точках различны по величине и направлению и, как следствие, измеренная разность давлений Р уже не будет пропорциональна реальной плотности.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения плотности жидких сред, преимущественно буровых и цементных в процессе их приготовления, включающее источник сжатого воздуха и две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере с выполненной в ней щелевой прорезью и сообщающейся с емкостью с перемешиваемым посредством мешалки контролируемым раствором, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, причем щелевая прорезь ориентирована в сторону, противоположную вектору направления потока контролируемого раствора в емкости (RU 71769, G01N 9/26, 2007).

Указанное устройство обеспечивает высокую точность и надежность измерения плотности и уровня буровых и цементных растворов, но не позволяет применять его при измерении плотности и уровня в емкостях с предельно низким уровнем жидкости, меньшим, чем глубина погружения одной из пьезометрических трубок.

Кроме того, при проведении измерений в вязких растворах при диаметре выходного отверстия порядка 10 мм даже антиадгезионное покрытие наконечников не решает проблемы закупорки пьезометрических трубок. Например, при измерении плотности бурового и цементного растворов, диаметр выходных наконечников должен быть не менее 50 мм, однако увеличение диаметра приводит к увеличению диаметра отделяемых пузырьков воздуха и, соответственно, к повышению уровня шумов. В этих условиях для получения необходимой точности измерения (0,5-1%) время измерения составит 30-40 сек. (время усреднения). Уменьшить фактор влияния на изменение давления при выходе пузырька из трубки можно, уменьшая диаметр трубки, поскольку чем меньше диаметр трубки, тем меньше указанное влияние и выше точность. В тоже время минимальный диаметр трубок ограничен условиями закупорки пьезометрических трубок и поэтому не может быть меньше 40-50 мм.

Помимо указанного, при приготовлении растворов из нескольких компонентов и доведения их до определенной плотности (например, цементных, буровых) требуется непрерывный контроль величины плотности со скоростью реакции на добавление того или иного компонента раствора в 2-3 сек., что не достигается при диаметре выходного отверстия 40-50 мм.

В основу настоящей полезной модели положена задача создания устройства для измерения плотности и уровня жидких сред, обеспечивающего проведение измерений при приготовлении малых объемов вязких растворов на малых дискретных промежутках времени с одновременным увеличением отношения сигнал/помеха.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения плотности и уровня жидких сред, преимущественно буровых и цементных растворов в процессе их приготовления, включает источник сжатого воздуха, две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере сообщающейся через выполненную в ней щелевую прорезь с емкостью с контролируемым раствором, перемешиваемым посредством мешалки, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, при этом на погруженных в раствор концах пьезометрических трубок на высоте не менее 1/5 диметра их выходного отверстия выполнено, по меньшей мере, одно боковое отверстие, диаметр которого меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок.

В предпочтительных вариантах реализации устройства:

- диаметр бокового отверстия меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок не более чем в 10 раз.

- концы пьезометрических трубок выполнены в виде наконечников с антиадгезионным покрытием.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показано сечение по А-А, на фиг.3 показан вариант выполнения пьезометрической трубки с антиадгезионным наконечником.

Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, две пьезометрические трубки 2 и 3, концы которых погружены на разную глубину в измерительную камеру 4, размещенную в емкости 5 с контролируемой жидкостью. Измерительная камера 4 имеет щелевую прорезь 6 и может в отдельных случаях сообщаться с контролируемой жидкостью через гидравлическую фильтрующую камеру 7 с щелевой прорезью 8, смещенной относительно прорези 6. Выходной канал источника сжатого воздуха 1 каналами 9 и 10 соединен через пневмоклапаны 11 и 12 и постоянные дроссели 13 и 14 с входными штуцерами 15 и 16 пьезометрических трубок 2 и 3. Каналы управления 17 и 18 пневмоклапанов 11 и 12 соединены с выходным каналом источника сжатого воздуха 1. Выходной штуцер 19 пьезометрической трубки 2 через первое инерционное звено (дроссель 20 и емкость 21) связан с положительным глухим входом 22 преобразователя 23 разности давлений в пьезометрических трубках в пропорциональный электрический сигнал, а выходной штуцер 24 пьезометрической трубки 3 через второе инерционное звено (дроссель 25 и емкость 26) связан с отрицательным глухим входом 27 преобразователя 23. Выходной сигнал преобразователя 23 является выходом устройства. Измерительная и гидравлическая фильтрующая камеры 4 и 7 выполняют роль экранов и создают «застойные» (статические) зоны в области пьезометрических трубок 2 и 3 при перемешивании жидкости посредством мешалки 28 и исключают влияние динамической составляющей давления на измерение плотности.

Концы пьезометрических трубок 2 и 3 имеют антиадгезионное покрытие или могут быть выполнены в виде наконечников 29 и 30 с антиадгезионным (противоприлипающим) покрытием и имеют, по меньшей мере, одно боковое отверстие 31, 32 на каждой трубке с диаметром меньшим, чем выходные отверстия пьезометрических трубок или наконечников.

Указанные боковые отверстия выполняют на высоте не менее 1/5 диметра выходного отверстия трубок.

Значения диаметра боковых отверстий 31, 32 и высоты их расположения относительно выходного отверстия трубок выбирают в зависимости от величины коэффициента поверхностного натяжения контролируемого раствора.

Гидравлическая фильтрующая камера 7 с щелевой прорезью 8, установлена концентрично с измерительной камерой 4, и их щели смещены относительно друг друга. Наличие камеры 7 предусматривается в случаях особо точных измерений плотности (менее 0,3%).

Измерительная и гидравлическая фильтрующая камеры 4 и 7 могут иметь цилиндрическую или прямоугольную форму.

Устройство для измерения плотности в емкостях в процессе перемешивания раствора работает следующим образом.

С помощью камер 4 и 7 создаются «застойные» зоны, в которых находятся пьезометрические трубки, где динамическая составляющая давления равная V²/2, для обоих концов трубок равна 0, а статическое давление равно Р(1,2)=gH(l,2).

При включении источника сжатого воздуха 1 нормально закрытые клапаны 11 и 12 открываются и давление питания от источника 1 через пневмоклапаны 9 и 10 и постоянные дроссели 13 и 14 подводится к входным штуцерам 15 и 16 пьезометрических трубок 2 и 3, при этом на положительном (22) и отрицательном (27) входах преобразователя 23 создаются избыточные давления Р1=gHl и Р2=gH2, где - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, H1 и Н2 - глубины погружения боковых отверстий пьезометрических трубок в жидкость. Разность давлений на входах преобразователя 23 Р=(Р1-Р2)=g (H1-Н2)=gd, (где d=(H1-Н2)=const - постоянная величина) пропорциональна измеряемой плотности р.

Следовательно, выходной электрический сигнал преобразователя 23 также пропорционален плотности р.

Контроль уровня в емкости производится путем измерения глубины погружения HI боковых отверстий пьезометрической трубки 2 под уровень жидкости. Для этого отрицательный вход 27 преобразователя 23 сообщается с атмосферой, а выходной штуцер 24 пьезометрической трубки 3 заглушается. При измерении уровня значение величины H1=P1 g при известной величине плотности преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, который считывается с выхода преобразователя 23.

Инерционные звенья (поз.20, 21 и 25, 26) выполняют функцию сглаживания пульсаций давления в пьезометрических трубках 2 и 3, возникающих вследствие отделения пузырей воздуха от боковых отверстий 31, 32 наконечников 28 и 29. При такой конструкции устройства для измерения плотности и уровня при выходе пузырька (уменьшение давления в трубке) жидкость в наконечнике будет колебаться возле нижнего уровня отверстия, постоянно смачивая поверхность наконечника и из-за большого диаметра, даже при длительном по времени измерении отверстие не будет закрываться. В результате проведенных экспериментальных исследований установлена зависимость близкого к нулевому значению сигнала помехи при усреднении за 2-3 сек и диаметром выходного бокового отверстия. Установлено, что значение последнего должно находиться в пределах 4-6 мм.

В конкретном примере реализации устройства пьезометрические трубки на концах имеют наконечники с выходным отверстием диаметром 50 мм и более, а выходное отверстие для выхода пузырьков 4-6 мм расположены сбоку на уровне 10-15 мм от края. (Фиг.3).

При этом малое значение диаметра пузырьков, выходящих из трубки позволяет увеличить отношение сигнал/помеха, достичь времени измерения, при котором возникло измерение плотности с точности 0,5-1% за 2-3 сек. и установить базу измерительных трубок до 10 см, тем самым уменьшить минимальный объем жидкости в измерительной емкости.

Таким образом, в описанном устройстве на основе предложенного технического решения может быть обеспечено надежное измерение плотности и уровня жидких сред малого объема с высокой точностью и малым временем измерения в процессе их приготовления.

За счет обеспечения минимального объема измеряемой жидкости и минимального времени измерения открывается путь для создания следящих систем контроля плотности и уровня при приготовлении растворов.

1. Устройство для измерения плотности и уровня жидких сред, преимущественно буровых и цементных растворов в процессе их приготовления, включающее источник сжатого воздуха, две пьезометрические трубки, одни концы которых размещены в измерительной камере, сообщающейся через выполненную в ней щелевую прорезь с емкостью с контролируемым раствором, перемешиваемым посредством мешалки, а другие концы подсоединены к преобразователю разности давлений, при этом на погруженных в раствор концах пьезометрических трубок на высоте не менее 1/5 диметра их выходного отверстия выполнено, по меньшей мере, одно боковое отверстие, диаметр которого меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр бокового отверстия меньше диметра выходного отверстия пьезометрических трубок не более чем в 10 раз.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концы пьезометрических трубок выполнены в виде наконечников с антиадгезионным покрытием.