РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД НА БАЗЕ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

​DEVELOPMENT OF A PHYSICAL PRINCIPLE FOR MEASUREMENT OF LIQUID DENSITY BASED ON OPTICAL-MECHANICAL DISPLACEMENT TRANSDUCER

Yuliya Gashenko

Senior lecturer, postgraduate, Samara State Technical University,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Среди плотномеров непрерывного контроля плотности выделяется поплавковый способ измерения как один из самых простых и точных. На его основе предлагается разработка волоконно-оптической информационно-измерительной системы для непрерывного определения плотности жидких пожароопасных сред, в которой в качестве измерительного преобразователя используется закрепленный на сильфонах сверху и снизу поплавок, перемещающий растровую решетку, а также две пары подводящих и отводящих оптических волокон. Произведено математическое моделирование процессов, происходящих в механической части измерительного преобразователя, рассмотрено влияние сил, воздействующих на поплавок, помещенный в исследуемую жидкую среду. Была получена функциональная зависимость измеряемой плотности жидкости от величины перемещения поплавка, а также сделан вывод о линейности данной зависимости, который подтверждается экспериментально.

ABSTRACT

Among the densitometers, the float method of measurement stands out as one of the simplest and most accurate. On its basis, it is proposed to develop a fiber-optic information and measuring system for continuous determination of the fire-hazardous liquid density, in which a float fixed on bellows at the top and bottom, moving a raster grid, as well as two pairs of supply and discharge optical fibers are used as a measuring transducer. Mathematical modeling of the processes occurring in the mechanical part of the measuring transducer is performed, the influence of forces acting on the float placed in the liquid is considered. A functional dependence of the measured liquid density on the value of the float movement was obtained, and a conclusion was made on the linearity of this dependence, which is confirmed experimentally.

Ключевые слова: поплавковый плотномер; сильфон; плотность; информационно-измерительная система; волоконно-оптическая измерительная система; измерительный преобразователь плотности.

Keywords: float densimeter; bellows; density; information-measuring system; fiber-optic measuring system; density measuring transducer.

Измерение плотности нефти и нефтепродуктов является актуальной задачей, так как это один из ключевых показателей качества на этапах добычи, переработки и транспортировки. Своевременный и оперативный контроль плотности позволяет не только отслеживать и прогнозировать качество продукции и сырья в соответствии с международными стандартами, но и осуществлять массовый, объемный и качественный учет нефти и нефтепродуктов.

Общими требованиями к датчикам и измерительным системам для непрерывного определения плотности жидких сред в нефтеперерабатывающей отрасли являются: высокая точность и повторяемость показаний; сохранение работоспособности при экстремально высоких температурах и резких температурных перепадах; способность выдерживать контакт с агрессивными средами; безопасность в использовании. Возрастающие требования, предъявляемые к контролю плотности, задают тенденцию к разработке новых и совершенствованию существующих измерительных систем для определения плотности веществ.

Наиболее простыми применительно к жидким средам являются поплавковые плотномеры, которые имеют высокую чувствительность и предназначены для измерения плотности гомогенных жидкостей и суспензий. Анализ существующих решений поплавковых датчиков показал, что среди выпускаемых поплавковых плотномеров для непрерывного контроля параметра в промышленных условиях наиболее применимы плотномеры с магнитострикционным и тензометрическим преобразователями. Однако имеющиеся решения не обеспечивают простоты и легкости конструкции и эксплуатации, работоспособности в высокотемпературных условиях, надежности, а преобразование и расчет искомой величины является достаточно трудоемким. Также стоит отметить наличие электрических элементов в области измерений у большинства датчиков, что может послужить причиной возникновения взрыво- и пожароопасных ситуаций.

Предлагается разработка волоконно-оптической информационно-измерительной системы для непрерывного измерения плотности жидких пожароопасных сред, в основе которой лежит поплавковый преобразователь плотности. Первичный измерительный преобразователь плотности жидкости в составе системы [2] показан на рисунке 1 и представляет собой поплавок 1, полностью погруженный в измерительную среду, закрепленный сверху и снизу на сильфонах 2 одинаковой жесткости и присоединенный к стенке емкости 3 с помощью кронштейнов 4. К поплавку крепится шток-толкатель 5 жёстко соединенный с растровой решеткой из диоксида кремния 6. Пропорционально плотности жидкости поплавок перемещается вертикально и через шток-толкатель перемещает растровую решетку, имеющую чередующиеся темные и прозрачные области шириной 8 мкм, попеременно пропускающие световой поток от подводящих оптических волокон 7 к отводящим оптическим волокнам 8. В качестве источника ИК-излучения используются светодиоды 9, в качестве приемника излучения - фотодиоды 10.

Рисунок 1. Устройство первичного измерительного преобразователя плотности жидких сред

На поплавок в состоянии равновесия действуют равные противоположно направленные силы – сила тяжести погруженного тела и сила Архимеда (выталкивающая сила жидкости), которые уравновешивают друг друга.

При уменьшении или увеличении плотности жидкости поплавок движется вниз (рисунок 2, а), либо вверх (рисунок 2, б). Следует учитывать, что при перемещении поплавка на него начинают действовать силы упругости двух сильфонов, которые возникают при их деформации и стремятся вернуть их в исходное состояние.

а                                                     б

1,2 – сильфоны, F_A – сила Архимеда, mg – сила тяжести, F_y1,F_y2- силы упругости сильфонов

Рисунок 2. Случай перемещения поплавка

Принимая во внимание то, что оба сильфона имеют одинаковые коэффициенты жесткости и смещаются на одинаковое расстояние, то условие равновесия сил при полностью погруженном поплавке запишется:

,

где ρ – плотность жидкости, V – объем поплавка, x₀ – перемещение поплавка относительно среднего положения поплавка, m_п – масса поплавка, m_ст – масса стержня, g – ускорение свободного падения.

Коэффициент жесткости сильфона можно рассчитать следующим образом [1]:

,

где Е – модуль Юнга (нормальной упругости) материала сильфона;

D_н – наружный диаметр сильфона, мм;

D_в– внутренний диаметр сильфона, мм;

t – шаг гофр, мм;

δ– толщина стенки сильфона, мм;

n – число гофр.

Уравнение плотности запишется как:

.

Знак модуля указывает на то, что перемещение x₀ может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от направления движения поплавка (вверх или вниз). Данное утверждение верно, если точкой начала координат берется условное положение равновесия поплавка [3]. Для простоты расчетов наиболее удобным будет принять точкой отсчета положение поплавка в крайнем нижнем положении. Соответственно уравнение плотности жидкости в этой системе координат запишется следующим образом:

.

Для простоты дальнейших преобразований и расчетов вводятся следующие обозначения:

 – нижний предел измерения датчика; случай, когда поплавок находится в крайнем нижнем положении. Данное значение является постоянной величиной для конкретного измерительного преобразователя и зависит от его конструктивных параметров, таких как масса поплавка, масса стержня, объем поплавка, жесткость сильфонов, величина растяжения и сжатия сильфонов.

 – коэффициент пропорциональности, позволяющий преобразовать перемещение поплавка в изменение плотности жидкости, вызвавшее данное перемещение. Данный коэффициент также является постоянной величиной для конкретного измерительного преобразователя и зависит от объема поплавка и жесткости сильфонов.

Упрощенное уравнение плотности жидкости имеет вид:

.

Следовательно, можно сделать предположение о линейности функции преобразования плотности жидкости, которое подтверждается экспериментально на трех образцах поплавков разной массы, объема и формы в различных экспериментальных жидкостях, таких как вода, спирт, сырая нефть, бензин, керосин, мазут, нефтяной растворитель и дизельное топливо. Для полученных экспериментальных данных была проведена аппроксимация линейной функцией по методу наименьших квадратов, которая показала, что зависимость плотности от перемещения поплавка действительно является линейной функцией. Данная зависимость в дальнейшем применяется для преобразования измеряемого перемещения поплавка под действием изменения плотности жидкой среды в искомую плотность с помощью программно-аппаратной части разрабатываемой информационно-измерительной системы.

В ходе работы был проведен анализ существующих методов и способов измерения плотности жидких сред, среди которых был выделен поплавковый способ измерения как один из самых простых и точных. Предложена разработка волоконно-оптической информационно-измерительной системы для непрерывного определения плотности жидких пожароопасных сред, в основе которой лежит поплавковый преобразователь плотности. Произведено математическое моделирование процессов, происходящих в механической части измерительного преобразователя и рассмотрены силы, воздействующие на поплавок. В результате была получена расчетная зависимость измеряемой плотности жидкости от величины перемещения поплавка и сделан вывод о линейности данной зависимости, который был подтвержден экспериментально.

Список литературы:

1. Андреева Л.Е., Горячева Л.Н. Уточненный расчет жесткости и напряжений в сильфоне. Сб. «Расчеты на прочность», изд. «Машиностроение», М., 1969, вып.14.
2. Гашенко, Ю. В. Оптоэлектронный прибор с волоконно-оптическими линиями связи для измерения плотности пожароопасных жидкостей / Ю. В. Гашенко, В. Н. Астапов // Автоматизация в промышленности. – 2021. – № 11. – С. 50-52. – DOI 10.25728/avtprom.2021.11.10.
3. Патент на полезную модель № 206142 U1 Российская Федерация, МПК G01N 9/12. Оптоэлектронное устройство для измерения плотности жидкости с оптоволоконными линиями связи: № 2021106837 : заявл. 15.03.2021 : опубл. 25.08.2021 / В. Н. Астапов, Ю. В. Гашенко.