ДАТЧИК ВИБРАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА Российский патент 1994 года по МПК G01N9/32 

Предлагаемое изобретение относится к приборам для измерения плотности и вязкости жидких сред, например, углеводородных топлив. Датчик вибрационного плотномера может быть использован во многих отраслях промышленности, когда требуется измерить плотность, вязкость жидкостей, или их комбинацию.

Известен плотномер [1], который содержит корпус, внутри которого установлен пустотелый чувствительный элемент с фланцем, омываемый с внутренней и наружной поверхностей и приспособления для возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента, выполненные в виде электромагнитных катушек. Недостатком такого плотномера является снижение точности при измерении плотности вязких жидкостей, например, при пониженных температурах. Электромагнитные системы возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента для эффективной работы требуют малых зазоров между магнитопроводами и стенками чувствительного элемента. Эти зазоры при заполнении их жидкостью, особенно вязкой, приводят к сильному демпфированию чувствительного элемента и снижению точности измерения, а иногда и к невозможности выполнения самого измерения.

Известен вибрационный плотномер (2), в котором исследуемая жидкость впрыскивается внутрь V-образного трубчатого вибратора с жестко закрепленными концами. Плотность жидкости определяется на основе измерения периода собственных колебаний вибратора, наполненного жидкостью. Пьезоэлектрические элементы установлены в области узла колебаний вибратора с целью возбуждения его колебаний и индикации этих колебаний. Недостатком плотномера является то, что чувствительный элемент омывается исследуемой жидкостью только с одной стороны, и при наличии давления в резонаторе появляются напряжения, приводящие к изменению частоты, а следовательно, к погрешности измерения параметров исследуемой жидкости от давления.

Наиболее близким техническим решением является датчик-зонд (3), позволяющий измерять уровень жидкости, плотность, вязкость или комбинацию указанных параметров. Зонд представляет собой цилиндрическую трубку, закрепленную во фланец, которая подвергается вибрации. Внутри трубки эпоксидным клеем закреплены два пьезоэлектрических преобразователя, один из которых служит для получения вибрации, а другой - для восприятия. Недостатком датчика-зонда является то, что чувствительный элемент (вибратор) омывается исследуемой жидкостью только с одной стороны, и при наличии давления в резонаторе появляются напряжения, приводящие к изменению частоты, а следовательно, к погрешности измерения параметров исследуемой жидкости от давления.

Основным недостатком датчика-зонда является то, что пьезоэлементы для обеспечения функционирования вибратора требуют непосредственного соприкосновения с тонкостенной частью вибратора, что вносит дополнительную массу к вибратору и снижает чувствительность вибратора, т.е. увеличивает погрешность измерения. Кроме того, контакт пьезоэлементов с вибратором снижает его добротность, а следовательно, и точность измерения параметров исследуемой жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике вибрационного плотномера, содержащем корпус и закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор с фланцем, пьезоэлементы возбуждения и восприятия колебаний резонатора установлены на фланце резонатора.

Установка пьезоэлементов на фланце резонатора позволяет:
- устранить влияние давления контролируемой среды, так как контролируемая среда омывает резонатор с обеих сторон;
- устранить дополнительную массу с резонатора, и тем самым повысить чувствительность резонатора;
- устранить контакт пьезоэлементов с чувствительной частью резонатора и этим повысить добротность резонатора.

Все это позволяет повысить точность измерения параметров контролируемой жидкости (плотность, вязкость, а также уровень жидкости или их комбинацию).

Элемент вибратора в сечении представлен на фиг. 1, где 1 - резонатор, 2-фланец, 3-пьезоэлемент, т.е. установка пьезоэлементов на фланце позволяет увеличить момент, воздействующий на тонкостенную часть, где М ≈F*h.

Это обстоятельство позволяет значительно уменьшить мощность, необходимую для создания колебаний вибратора.

На фиг. 1 приведен схематический частичный разрез датчика плотномера в месте расположения возбуждающего или приемного пьезоэлемента; на фиг. 2 и 3 - варианты исполнения датчика плотности.

Полый цилиндрический резонатор 1 с фланцем 2 закреплен в корпусе 4 или в его заглушке с помощью полых опор 5 так, что контролируемая жидкость омывает резонатор, как с наружной, так и с внутренней стороны. К внутренней поверхности фланца 2 с помощью контакта 6, изолятора 7, прокладки 8 и пружины 9 поджат пьезоэлемент 3. Пружина необходима для обеспечения усилия поджатия при изменении линейных размеров деталей под действием температуры. В качестве такого упругого элемента могут быть применены, например тарельчатые пружины. Полость пьезоэлемента герметизируется крышкой 10, приваренной к фланцу, а провода 11, служащие электрическим выводом пьезоэлементов, проходят через полые опоры резонатора на штепсельный разъем датчика.

Для возбуждения колебаний резонатора на электроды пьезоэлемента 3 подается переменное напряжение резонансной частоты. Пьезоэлемент под действием приложенного напряжения колеблется с изменением толщины и, будучи поджат к поверхности фланца 2, вызывает изгибные колебания фланца. Так как фланец непосредственно связан с тонкостенной частью резонатора, его колебания вызывают колебания резонатора. Аналогичную конструкцию имеет устройство измерения колебаний.

В этом случае деформации фланца вызывают сжатие пьезоэлемента, а с его электродов снимается переменное напряжение, частота которого соответствует частоте колебаний резонатора и служит параметром, характеризующим плотность среды, в которую погружен резонатор. Количество возбуждающих и измерительных пьезоэлементов определяется типом колебаний цилиндрического резонатора, который необходимо реализовать, и соображениями конструктивного или схематического характера и прямого отношения к достигаемому техническому эффекту не имеет. В описываемом примере реализации предлагаемого устройства, например, использованы два возбуждающих и два измерительных пьезоэлемента.

Благодаря тому, что механический контакт и взаимодействие пьезоэлементов осуществляется с фланцем, амплитуда колебаний которого значительно меньше и соответствует фактической амплитуде колебаний самого пьезоэлемента, удается их согласовать со значительно большими по амплитуде колебаниями стенки резонатора без снижения его добротности.

Преимуществом предлагаемого устройства также является отсутствие каких бы то ни было деталей, расположенных в непосредственной близости по отношению к тонкой стенке резонатора по всей его длине и тем самым отсутствие демпфирования, возникающего при заполнении образующихся зазоров измеряемой средой.

Использование: в нефтяной промышленности для измерения плотности жидкости, особенно вязких. Сущность изобретения: датчик вибрационного плотномера содержит корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор, омываемый с внутренней и наружной сторон и имеющий фланец и пьезоэлементы, отделенные от контролируемой среды и установленные на фланце. 3 ил.

ДАТЧИК ВИБРАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА, содержащий корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор с фланцем и пьезоэлементы, отличающийся тем, что пьезоэлементы установлены на фланце резонатора.