ПЛОТНОМЕР ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 1995 года по МПК G01N9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности газов, жидкостей, смесей, а также для измерения плотности твердых сыпучих сред.

Известно устройство для контроля состава жидкости путем непрерывного измерения плотности жидкости с помощью поплавка, помещенного в трубопровод, и двух параллельно расположенных пластин, заключенных в трубопровод и образующих конденсатор; между обкладками конденсатора помещена механически связанная с поплавком пластина из диэлектрика [1].

В таком устройстве напряжение на выходе датчика изменяется в зависимости от глубины погружения поплавка, т.е. плотности контролируемой жидкости.

Недостатками такого устройства являются громоздкость и невысокая точность измерения, обусловленная наличием поплавка.

Наиболее близким техническим решением является устройство контроля плотности жидкостей, основанное на сравнении электрических параметров емкостных датчиков, один из которых находится в контролируемой среде, а другой - в контрольной того же состава и свойств, что и контролируемая среда [2]. Причем сравнение электрических параметров датчиков производят по изменению частоты колебаний электрического сигнала, имеющего вид синусоиды.

Недостатками такого устройства являются низкая точность и сложность измерения плотности различных сред, связанные с необходимостью замены контрольной среды каждый раз при переходе с одной среды на другую и соответственно с настройкой прибора, а также с тем, что датчики находятся в разных средах с разными температурными режимами (необходимо термостатирование); невозможность определения абсолютных цифр плотности контролируемой среды.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит рабочую камеру 1 с установленными в нем датчиками-конденсаторами 2 и 3, которые подключены к генератору 4 импульсов электрического тока прямоугольной формы с постоянными амплитудной тока и его длительностью и стабильной частотой подачи к блоку 5 обработки электрических сигналов.

Датчики выполнены в виде стержней 6, 7, которые выведены через изоляторы 8 и 9 за пределы рабочей камеры 1, причем скорость одного датчика (рабочего) С_р включает емкость С_ко, образованную стержнем 6, изолятором 8, корпусом рабочей камеры 1, и емкость С_р1, образованную стержнем 6, контролируемой средой и корпусом рабочей камеры 1, а емкость второго (компенсационного) датчика С_к включает емкость С_ко, образованную стержнем 7, изолятором 9 и корпусом рабочей камеры 1.

Изоляторы 8 и 9 выполнены из материала с малым температурным коэффициентом изменения диэлектрической проницаемости, например, из фторопласта.

C_p=C_p1+C_ко;
С_к=С_ко
С целью уменьшения температурного дрейфа рабочего датчика 2 используется компенсационный датчик 3, который включен в полумостовую дифференциальную схему.

Таким образом, суммарная емкость будет равна
C_Σ= C_p-C_к= C+C- C= C; C_Σ= C
Так, например, для цилиндрического конденсатора
C= ε 4/2 ln(D/d), где С - электрическая емкость;
ε- диэлектрическая проницаемость среды;
L - длина цилиндрического конденсатора (стержня датчика);
D - наружный диаметр цилиндрического конденсатора (диаметр рабочей камеры);
d - внутренний диаметр цилиндрического конденсатора (диаметр стержня).

Геометрические параметры датчиков постоянны, а емкость C_Σ линейно зависит от ε- диэлектрической проницаемости контролируемой среды.

Контролируемая среда подается и выводится через каналы 10, 11.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом замеров генератор 4 импульсов тока отключают от датчиков 2, 3 и на выходе его устанавливают напряжение, равное нулю.

Когда в рабочей камере 1 находится воздух, блока 4 подключают к датчикам. В этом состоянии производят регулировку устройств 4, 5 так, чтобы на выходе блока 5 обработки электрических сигналов было напряжение, равное единице.

Каждое вещество обладает химическим составом и структурой, что определяет его характерную резонансную частоту возбуждения. Поэтому необходима подача такого электрического сигнала, который обеспечивает возбуждение как можно большего количества составляющих контролируемой среды. Таким сигналом являются импульсы тока прямоугольной формы, обладающие наиболее широким спектром частот, что позволяет контролировать наличие практически всех составляющих контролируемой среды.

Подача на датчики тока постоянной амплитуды, постоянной длительности и стабильной частоты обеспечивает линейную зависимость между C_Σ-суммарной емкостью датчиков и выходным напряжением V блока 5 обработки электрических сигналов, а следовательно, и ε -диэлектрической проницаемостью контролируемой среды.

V= NI C_Σ/T, где V - выходное напряжение блока 5;
C_Σ - суммарная емкость датчиков;
N - коэффициент преобразования блока обработки электрических сигналов, N=const,
I=const - амплитуда тока;
T=const - длительность импульса тока.

Далее, реализуя формулу
ρ = K(ε) (1) определяем плотность среды. В первоначальном случае среда - воздуха, т.е. фиксируется ε =1 (ε - воздуха). Таким образом устанавливается масштаб измерений.

Затем через канал 10 или 11 подается контролируемая среда в рабочую камеру 1. Генератор 4 импульсов тока осуществляет подачу импульсов электрического тока прямоугольной формы с постоянными величинами амплитуды длительности и стабильной частотой на датчики 2, 3.

Среда, проходя между стержнем 6 и стенками рабочей камеры, изменяет емкость рабочего датчика 2, тем самым изменяет напряжение, возникающее на датчик. Это напряжение пропорционально изменению ε среды. При этом датчик 3 выполняет функцию компенсационного датчика, включенного в полумостовую дифференциальную схему с рабочим датчиком с целью компенсации температурных изменений.

Далее полученная разность напряжений на датчиках 2 и 3, равная диэлектрической проницаемости контролируемой среды, подается на блок 5 обработки электрических сигналов, где происходит преобразование напряжения по формуле (1) в значения плотности контролируемой среды.

Причем, как показали испытания, коэффициент К для неполярных диэлектриков и, в частности, для жидких и газообразных нефтепродуктов будет постоянен или будет очень слабо зависеть от ε.

Устройство позволяет контролировать плотность среды, состоящий из различных по химическому составу и структуре веществ, является средством неразрушающего контроля, экологически чистым и может быть использовано в различных автоматизированных дозирующих и контрольных устройствах.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: измеряют диэлектрическую постоянную среды с помощью двух электрических емкостных датчиков путем подачи на них электрического сигнала прямоугольной формы с постоянными амплитудой тока и его длительностью и стабильной частотой подачи. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ПЛОТНОМЕР ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД, содержащий два емкостных датчика, подключенных к генератору импульсов тока и блоку обработки электрических сигналов, отличающийся тем, что в качестве генератора импульсов тока использован генератор импульсов прямоугольной формы с постоянными амплитудой тока и его длительностью и стабильной частотой подачи. 2. Плотномер по п.1, отличающийся тем, что он содержит корпус, в котором расположены датчики, выполненные в виде стержней с изоляторами, при этом один из стержней выступает за пределы торцевой поверхности изолятора в полость корпуса, а торец другого стержня расположен в одной плоскости с торцевой поверхностью изолятора.