ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в связи с переходом к рыночным отношениям и повышению стоимости энергоресурсов возникает необходимость использования расходомеров с коррекцией по таким параметрам, как плотность, влажность, вязкость. Большое влияние на точность объемных расходомеров оказывает плотность исследуемого нефтепродукта. При учете этого фактора погрешность измерения расхода может составить не более 2%. Следовательно создание плотномера проточного типа, который будет использоваться как корректирующее звено при измерении расхода - является актуальной задачей.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛОТНОМЕРОВ
По своему назначению гидравлические преобразователи плотности (ГПП) делятся на две большие группы: ГПП непрерывного действия, которые служат для непрерывного или периодического измерения плотности измеряемой среды непосредственно в технологической линии и ГПП дискретного действия.
По принципу действия плотномеры разделяются на следующие основные группы:
1) поплавковые;
2) весовые, основанные на непрерывном взвешивании определенного объема жидкости;
3) гидростатические, в основу которых положено измерение давления столба жидкости постоянной высоты;
4) радиоактивные;
5) ультразвуковые, основанные на измерении скорости распространения звука в жидкости в зависимости от ее плотности;
6)вибрационные;
7) электрические, основанные на емкостном или высокочастотном методе.
1.1. Поплавковые плотномеры
Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении выталкивающей силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество. Существует множество различных конструкций плотномеров с частично погруженным поплавком. Они обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерения плотности в узком диапазоне (всего 0,005-0,01 г/см3) с погрешностью (1,5-3%) от диапазона измерений. Эти плотномеры применяются для контроля плотности однородных, довольно чистых капельных жидкостей. Основным недостатком плотномеров с плавающем поплавком являются их громоздкость, зависимость показаний от капиллярных свойств жидкости и скорости потока, необходимость применения открытого корпуса прибора. В плотномерах с погруженным поплавком измеряется действующая на него выталкивающая сила (или пропорциональное ей перемещение поплавка), которая связана с искомой плотностью жидкости зависимостью:
р = F / (V*q),
где V - объем поплавка,
q - ускорение свободного падения.
При увеличении плотности жидкости выталкивающая сила возрастает.
Автоматические плотномеры с полным погружением поплавка применяются в основном для контроля плотности однородных чистых жидкостей. По сравнению с плотномерами с плавающим поплавком они имеют меньшую погрешность из-за поверхностного натяжения среды и обладают почти равномерной шкалой. Основным источником погрешности приборов этого типа является динамическое воздействие потока жидкости на поплавок.
1.2. Весовые плотномеры
Весовые плотномеры основаны на том, что масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорционально плотности и для измерения последней достаточно непрерывно взвешивать определенный объем жидкости, протекающей по трубопроводу. К достоинству весовых плотномеров следует отнести: возможность их применения для пульп, суспензий и летучих жидкостей; независимость показаний от скорости протекания жидкости; высокую точность (до±0,5%).
1.3. Гидростатические плотномеры
В гидростатических плотномерах плотность определяется по давлению столба жидкости определенной высоты: P=p*q*H,
где р - плотность жидкости;
q - ускорение свободного падения;
Н - высота столба жидкости.
Гидростатические плотномеры подразделяются на две группы:
1) приборы, непосредственно измеряющие давление столба жидкости
(колокольные, мембранные, двух жидкостные);
2) приборы, измеряющие давление столба жидкости косвенным методом (через жидкость продувается сжатый газ, давление которого пропорционально давлению столба жидкости, преодолеваемого воздухом).
Достоинством гидростатических плотномеров является то, что в жидкость не погружаются подвижные части прибора. Такими плотномерами модно измерять плотность вязких жидкостей и жидкостей насыщенных газом, причем они пригодны как для открытых так и для закрытых резервуаров.
К недостаткам следует отнести то, что для получения высокой точности измерений (порядка 0,1%) требуется большая высота столба жидкости (порядка 1м), что приводит к громоздкости прибора: непрерывное продувание газа через жидкость искажает показания из-за насыщения жидкости газом.
В гидростатических плотномерах компенсация температурных погрешностей достигается либо установкой в испытуемую жидкость термометра сопротивления, включенного в схему моста, либо применением гидравлического устройства в виде сосуда со вспомогательной жидкостью.
1.4. Радиоактивные плотномеры
Радиоактивный метод измерения относится к бесконтактным методам измерения. В связи с этим радиоактивные плотномеры целесообразно применять в тех случаях, когда измеряется плотность агрессивных или весьма вязких жидкостей, пульп и жидкостей, находящихся под высоким давлением или имеющих высокую температуру, и когда другие приборы не применимы.
Существенным недостатком этих приборов является зависимость показаний от природы жидкости, что требует индивидуальной градуировки прибора для определенной жидкости.
В радиоактивных плотномерах, использующих источник с гамма - излучением, измерение плотности среды возможно по поглощению излучения данной средой или по рассеиванию излучения исследуемой средой, источник и приемник излучения размещают по одну сторону трубопровода и экранируют так, что в приемник поступают лишь те гамма - лучи, которые претерпели рассеяние в жидкости; прямой пучок гамма - лучей улавливается свинцовым экраном.
В настоящее время в промышленных приборах используется первый способ, т.е. измерение падения интенсивности прямого пучка гамма - излучения.
Величина измерительного диапазона может быть выбрана в пределах 0,3-2,5 г/см3; точность ±2% от диапазона измерения; быстродействие не превышает 1,5 мин.
1.5. Вибрационные плотномеры
Вибрационные плотномеры обладают высокой точностью (при плотности примерно 1г/см3 погрешность измерения составляет ±1%) и не реагирует на изменение вязкости среды. Но его можно применять только при чистых жидкостях, не дающих отложений на чувствительном элементе прибора.
Датчик вибрационного плотномера представляет собой тонкостенный цилиндр, внутри которого расположена электронная схема сообщающая цилиндру непрерывные колебания. Колебания цилиндра передаются окружающей среде, причем частота колебаний тем меньше, чем больше плотность среды. Зависимость частот от плотности имеет вид:
где f - частота при плотности р;
f0 - частота при начальной плотности;
k - постоянная прибора, зависящая от диаметра и толщины стенок цилиндра.
Частоту измеряют при помощи подключенного к усилителю частотомера.
1.6. Ультразвуковые плотномеры.
Ультразвуковые плотномеры относятся к приборам, обеспечивающим бесконтактные измерения плотности любых жидкостей. Показания прибора не зависят ни от свойств, ни от состава жидкости. Приборы характеризуются высокой чувствительностью, безинерционностью.