СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N9/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения качества продукции в нефтепереработке, нефтехимии, строительном деле и других отраслях промышленности.

Известны способы измерения плотности твердых тел, заключающиеся в измерении массы образца, его объема и определении их отношения [1] . При осуществлении этих способов измерение массы и объема производят раздельно, последовательно при помощи различных измерительных процессов.

Недостатком этих способов является то, что определение плотности осуществляется в течение длительного времени и требует, как правило, лабораторных условий, трудно поддается автоматизации.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения является автоматический способ измерения плотности ρ образца по его массе m и объему V:
ρ= m/V , где масса образца определяется по параметрам его колебательного движения, а объем образца - по сжимаемости газа в замкнутой камере, в которую помещен образец [2] . По этому способу измерения образец размещают на упругой мембране, разделяющей две камеры, заполненные газом, возбуждают колебания мембраны, стабилизируют давление в одной камере, изменяют объем другой камеры до достижения равенства в них, а плотность определяют по отношению силы, затраченной на возбуждение колебаний мембраны, к величине изменения объема.

Недостатками известного способа являются низкая точность измерения и высокое энергопотребление, так как датчики давления в дифференциальной схеме измерения объема работают в дорезонансной области колебаний мембраны с образцом в газе выделенного объема, а задать резонансные колебательные движения для определения плотности образца нельзя, так как резонанс при любых параметрах измерительной системы (при любой массе образца) всегда характеризуется минимальным энергопотреблением, так что зависимость между силой тока, потребляемой приводом мембраны, и величиной закрепленной на мембране массы в условиях резонанса становится неточной (система измерения теряет чувствительность к измерению массы).

Цель изобретения - снижение энергозатрат и повышение точности измерения.

Сущность изобретения заключается в том, что по способу определения плотности образцов, состоящему в определении массы образца по параметрам его колебательного движения и объема по сжимаемости газа в замкнутой камере, в которую помещен образец на мембране, разделяющей две камеры, заполненные газом, контролируемый образец закрепляют на вялой мембране с жестким центром эталонной массы, которой сообщают резонансные колебания, определяют частоту резонанса при отсутствии образца и частоту резонанса при закреплении образца на мембране, массу образца определяют по формуле
m= m_эт(f21

/f22-1), где m_эт - эталонная масса жесткого центра мембраны;
f₁ - частота резонанса при отсутствии контролируемого образца;
f₂ - частота резонанса при закреплении контролируемого образца на мембране, а объем образца определяют по величине изменения объема одной из камер при закреплении образца на мембране, совершающего резонансное колебательное движение.

На чертеже приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство выполнено из камеры 1 неизменного объема V₁, вялой мембраны 2 с жестким центром 3 известной массы m_эт, привода 4 мембраны, датчиков 5, 6 давления, устройства 7 сравнения, привода 8 изменения объема, отсчетного устройства 9, камеры 10 изменяемого объема V₂, акустических фильтров 11, 12, генератора 13 управляемой частоты, фазочувствительного устройства 14, измерителя 15 частоты, контролируемого образца 16.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 13 путем воздействия на привод 4 приводит в колебательное движение жесткий центр 3 эталонной массы m_эт. При этом в камерах 1 и 10 создаются равные и противофазные пульсации давления газа. Сигнал, пропорциональный пульсациям давления, воспринимается датчиком 5 и подается на вход фазочувствительного устройства 14, выходной сигнал которого равен нулю лишь при сдвиге фаз сигнала с датчика 5 и с управляемого генератора 13 90^о (π /2). Иначе говоря, схема, состоящая из датчика 5 давления, управляемого генератора 13 и фазочувствительного устройства 14, работает как схема фазовой автоподстройки частоты резонанса
f₁= , где К - конструктивные параметры резонансной системы, определяющие ее эквивалентную жесткость.

На жестком центре 3 вялой мембраны 2 закрепляют контролируемый образец 16 массы m и объема V. Резонансная частота становится отличной от значения f₁. Сдвиг по фазе между сигналами на входе фазочувствительного устройства 14 становится отличным от 90^о (π/2), и, следовательно, сигнал на выходе фазочувствительного устройства 14 становится отличным от нуля. Выходной сигнал фазочувствительного устройства 14 воздействует на управляемый генератор 13 до тех пор, пока в системе не установится новая резонансная частота
, где m - масса контролируемого образца, присоединенного к массе жесткого центра вялой мембраны.

При этом сдвиг по фазе между сигналами на входе фазочувствительного устройства 14 вновь равно 90^о (π/2), а выходной сигнал фазочувствительного устройства 14 равен нулю.

Отсчет резонансных частот f₁ и f₂ делается измерителем 15 частоты. Выражения для f₁ и f₂ определяют величину контролируемой массы m:
m= m - 1.

При наличии контролируемого образца 16 сигналы с датчиков 5, 6 пульсаций давления воздействуют на устройство 7 сравнения до тех пор, пока привод 8 изменения объема V₂ не выравняет величину этого объема до значения объема V. При этом изменение объема V₂, наблюдаемое с помощью отсчетного устройства 9, равно объему V контролируемого образца, плотность которого, следовательно, может быть определена по формуле
ρ= .

По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает преимуществом по точности и позволяет снизить энергопотребление, что дает возможность использовать его при определении плотности образцов в условиях невесомости, что важно для решения задач, связанных с космическими исследованиями, когда уменьшение энергопотребления существенно для увеличения ресурса работы системы.

(56) Авторское свидетельство СССР N 321678, кл. G 01 N 9/00, 1972.

Авторское свидетельство СССР N 1173257, кл. G 01 N 9/14, 1984.

Использование: при измерении плотности твердых материалов. Сущность: плотность рассчитывают по величинам массы и объема образца. Образец закрепляют на вялой мембране с жестким центром эталонной массы m_эт , которой сообщают резонансные колебания, определяют частоту резонанса f₁ при отсутствии образца и частоту резонанса f₂ при закреплении образца на мембране. Массу m_x образца определяют по формуле . Объем образца определяют по величине изменения объема одной из камер при закреплении образца на мембране, содержащего резонансное колебательное движение. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦОВ , состоящий в опpеделении массы обpазца по паpаметpам его колебательного движения и объема по сжимаемости газа в замкнутой камеpе, в котоpую помещен обpазец на мембpане, pазделяющей две камеpы, заполненные газом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и снижения энеpгопотpебления, контpолиpуемый обpазец закpепляют на вялой мембpане с жестким центpом эталонной массы, котоpой сообщают pезонансные колебания, опpеделяют частоту pезонанса пpи отсутствии обpазца и частоту pезонанса пpи закpеплении обpазца на мембpане, массу обpазца опpеделяют по фоpмуле
m = m_эт· - 1,
где m_эт - эталонная масса жесткого центра мембраны;
f₁ - частота резонанса при отсутствии контролируемого образца;
f₂ - частота резонанса при закреплении контролируемого образца на мембране,
а объем обpазца опpеделяют по величине изменения объема одной из камеp пpи закpеплении обpазца на мембpане, совеpшающего pезонансное колебательное движение.