УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1996 года по МПК G01N9/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различного рода суспензий гидростатическим методом с помощью пьезометрического прибора.

Известны устройства для измерения плотности суспензий [1] в основе которых используется принцип уравновешивания веса столба суспензии определенной высоты и давления воздуха, издаваемого в пьезотрубки из коллектора.

Эти устройства содержат коллектор, пьезотрубки, пневматические сопротивления. При изменении плотности суспензии изменяется сопротивление пьезотрубок, вызывая уменьшение или увеличение расхода воздуха, протекающего по пьезотрубкам. Разность давлений измеряется дифманометром, а автоматическая следящая система путем изменения сопротивления уменьшает или увеличивает расход воздуха до тех пор, пока разность давления в камерах дифманометра станет равна нулю.

Недостатком подобных устройств является относительная сложность процесса измерения плотности, обусловленная с одной стороны сложностью и длительностью процесса уравновешивания давления воздуха в пьезотрубках, а другой - необходимостью дополнительных приспособлений для избежания возникновения различного рода погрешностей (изменение базы, наличие различных сопротивлений в разных участках емкости и т.д.).

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, описанное в [2]
Данное устройство плотномер содержит ферромагнитный поплавок, помещенный в полый вал (пьезотрубку), который заполняется жидкостью. Перемещение поплавка определяется с помощью дифференциально-трансформаторного датчика. Конец вала (пьезотрубки), погружаемый в исследуемую суспензию соединен с герметичными камерами, отделенными от исследуемой жидкости эластичными мембранами.

Плотность исследуемой суспензии измеряется с помощью тахометра (регистратора).

Описанное устройство имеет существенный недостаток относительную сложность измерения плотности, обусловленную необходимостью обеспечения вращения пустотелого вала с герметическими камерами и мембранами.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение процесса измерения плотности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения плотности, содержащем пьезотрубку, конец которой, погружаемый в исследуемую суспензию, соединен с герметичной камерой, отделенной от исследуемой суспензии эластичной мембраной, поплавок, размещенный на нейтральной линии датчика, и регистратор герметичная камера выполнена в виде раструба конической формы, датчик расположен на мерной части пьезотрубки и выполнен в виде полого цилиндра с набором последовательно расположенных слаботочных катушек индуктивности, поплавок снабжен короткозамкнутым витком, а регистратор выполнен в виде опросно-пересчетной электронной схемы, при этом параметры устройства выбраны, исходя из условий:
; L=0,01 H, l_к=l_в=0,5•L,
где S_м площадь эластичной мембраны;
S_п площадь сечения пьезотрубки;
H база (глубина погружения) пьезотрубки;
L шаг между катушками индуктивности;
l_к высота катушки индуктивности;
l_в высота короткозамкнутого витка.

Для обеспечения проверки регистрирующей электронной схемы непосредственно в процессе работы устройства, датчик может быть выполнен съемным, а на мерной части пьезотрубки нанесена шкала делений, соответствующих значению шага между катушками индуктивности.

Устройство для измерения плотности может быть снабжено второй аналогичной пьезотрубкой, размещенной по глубине погружения на некотором расстоянии от первой, при этом соответствующие катушки индуктивности датчиков обеих пьезотрубок должны быть соединены в электрическим отношении в полумост.

Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что заявленные признаки в совокупности, их размещение и соотношения геометрических размеров позволяют определять плотность исследуемой суспензии максимально просто, а именно, по количеству шагов между катушками индуктивности, высвечиваемому на цифровое табло регистратора. Нанесение же шкалы с делениями, соответствующими шагу между катушками индуктивности, на мерную часть пьезотрубки позволяет при снятии датчика одновременно визуально определять плотность и осуществлять контроль всей измерительной части в процессе работы устройства.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается конструктивным выполнением герметичной камеры, поплавка, датчика, регистратора, их размещением и геометрическими размерами устройства.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение же заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение с прототипом, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях народного хозяйства, где необходимо измерять плотность исследуемой суспензии.

Изобретение будет более понятно из приведенных чертежей. На фиг. 1 представлено заявляемое устройство в общем виде. На фиг. 2 представлена пьезотрубка с нанесенной шкалой делений в сборе с раструбом и эластичной мембраной. На фиг. 3 график изменения прогиба мембраны. На фиг. 4 схематично изображен вариант использования 2-х пьезотрубок. На фиг. 5 схема электрического соединения катушек индуктивности 2-х пьезотрубок.

Заявленное устройство (фиг. 1) содержит пьезотрубку 1, нижний конец которой соединен с раструбом 2, отделенным от исследуемой суспензии 3 эластичной мембраной 4. Датчик 5 выполнен в виде полого цилиндра с набором последовательно расположенных слаботочных катушек индуктивности 6. Поплавок 7 снабжен короткозамкнутым витком 8. Регистратор 9 выполнен в виде опросно-пересчетной электронной схемы, осуществляющей подсчет количества шагов от катушки, соответствующей нулевому уровню (например, I) до катушки (например, II), вблизи которой находится короткозамкнутый виток 8 поплавка 7.

Датчик 5 может быть выполнен съемным, тогда на мерной части пьезотрубки 1 (фиг. 2) нанесены деления 12, соответствующие значению шага L, между катушками индуктивности 6.

В случае, когда нет возможности организовать столб суспензии необходимой высоты H или уровень слива не остается стабильным, следует использовать две пьезотрубки (фиг. 4) 1 и 13. Пьезотрубка 13 размещена по глубине погружения на расстоянии Н по отношению к первой.

В этом случае соответствующие катушки индуктивности 6 датчиков 5 соединены в электрическом отношении в полумост (фиг. 5), а опросно-пересчетное устройство 9 осуществляет подсчет количества шагов от катушки, вблизи которой находится короткозамкнутый виток одной пьезотрубки до короткозамкнутого витка другой.

По количеству шагов между катушками индуктивности определяется плотность исследуемой суспензии.

Геометрические размеры заявляемого устройства выбраны экспериментальным путем, исходя из условия обеспечения минимальной погрешности.

Так оптимальным размером шага между катушками индуктивности L и соответствующими ему делениями шкалы, нанесенной на мерную часть пьезотрубки является сотая часть глубины погружения Н трубки 1 в суспензию 3, т.е. L= 0,01 H.

При этом столб контрольной жидкости в пьезотрубке поднимается на высоту (H+ΔH). В соответствии с законами гидростатики:
Q_c•H = Q_в•(H+ΔH), (1)
где Q_c плотность суспензии;
Q_в плотность контрольной жидкости в трубке (например, воды)
Отсюда плотность суспензии:
(2)
или (в процентах)

Уравнение (1) справедливо в случае, когда можно пренебречь силой упругого сопротивления мембраны 4, точнее ее влиянием на гидростатическое равновесие соответствующих столбов суспензии и контрольной жидкости.

Именно для выполнения этого уровня герметичная камера, соединенная с нижним концом пьезотрубки выполнена в виде раструба 2 конической формы.

Жесткость мембраны имеет явно выраженный нелинейный характер. На фиг. 3 представлена в общем виде зависимость силы сопротивления F (жесткости) мембраны от ее перемещения ξ относительно ее нейтрального (горизонтального) положения. Из представленной зависимости видно, что если обеспечить малое перемещение мембраны вблизи нейтрального положения (x пренебрежимо мало), то исчезающе малым будет и сопротивление F мембраны, а следовательно влиянием последней на процесс измерения можно пренебречь. К примеру, если диаметры трубки d и раструба D различаются более чем в 15 раз (D>15d), то площади мембраны и трубки отличаются уже более чем в 200 раз (S_м>200 S_п). Следовательно, при регистрации плотности суспензии, например Q=1200 кг/м³ при Н=0,5 м, заявляемое устройство позволяет получить превышение столба контрольной жидкости (например, воды) DH== 100 мм, при этом прогиб мембраны будет . Задавая еще большее соотношение (15 30) можно получить пьезотрубку, мембрана которой практически не будет прогибаться в процессе измерения, а следовательно, и погрешность измерений будет минимальной.

Выбранная величина шага позволяет измерять плотность с точностью до долей процента. Пьезотрубка имеет внутри отверстие d≈2-3 мм для пропускания контрольной жидкости. Отверстие одновременно является и гидравлическим сопротивлением, гасящим колебания столба контрольной жидкости от возмущения (через мембрану) со стороны суспензии при измерениях в движущемся потоке. Мерная часть пьезотрубки имеет внутренний диаметр, равный 10 мм, необходимый для размещения поплавка.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

По мере перемещения поплавка (при изменении плотности суспензии меняется и уровень контрольной жидкости в мерной части пьезотрубки) соответствующие катушки индуктивности экранируются короткозамкнутым витком поплавка, их индуктивность при этом резко меняется (падает примерно на 30%), что легко регистрируется опросно-пересчетной схемой.

Авторами был создан опытный образец заявляемого устройства для определения плотности известкового молока.

Глубина погружения пьезотрубки равна 500 мм, шаг между катушками индуктивности составил 5 мм, при этом размер катушек по сечению обмотки равен 6 мм² (2,5 х 2,5 мм). Опросно-пересчетная схема построена так, что опрос изменения индуктивности всех катушек составляет достаточно короткое время ≈5. 15 с.

Число шагов численно равно (в процентах) плотности исследуемой суспензии, при этом дискретность отсчета составила 0,5%
Подведя итог всему сказанному, можно сделать вывод, что использование заявляемого устройства позволяет максимально просто измерить плотность любой исследуемой суспензии.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения плотности различного рода суспензий гидростатическим методом с помощью пьезоэлектрического прибора. Сущность изобретения: герметичная камера выполнена в виде раструба конической формы, датчик расположен на мерной части пьезотрубки и выполнен в виде полого цилиндра с набором последовательно расположенных слаботочных катушек индуктивности, поплавок снабжен короткозамкнутым винтом, а регистратор выполнен в виде опросно-пересчетной электронной схемы, при этом параметры устройства выбраны из условий: ; L=0,01 H, l_к=l_в=0,5 L, где S_м - площадь эластичной мембраны; S_п - площадь сечения пьезотрубки; Н - база (глубина погружения) пьезотрубки; L - шаг между катушками индуктивности; l_к - высота катушки индуктивности; l_в - высота короткозамкнутого витка. Для обеспечения проверки регистрирующей электронной схемы непосредственно в процессе работы устройства, датчик может быть выполнен съемным, а на мерной части пьезотрубки нанесена шкала делений, соответствующих значению шага между катушками индуктивности. Устройство может быть снабжено второй пьезотрубкой, при этом соответствующие катушки индуктивности датчиков обеих пьезотрубок соединены в электрическом отношении в полумост. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения плотности, содержащее пьезотрубку, конец которой, погружаемый в исследуемую суспензию, соединен с герметичной камерой, отделенной от исследуемой суспензии эластичной мембраной, поплавок, размещенный на нейтральной линии датчика, и регистратор, отличающееся тем, что герметичная камера выполнена в виде раструба конической формы, датчик расположен на мерной части пьезотрубки и выполнен в виде полого цилиндра с набором последовательно расположенных слаботочных катушек индуктивности, поплавок снабжен короткозамкнутым витком, а регистратор выполнен в виде опросно-пересчетной электронной схемы, при этом параметры устройства выбраны, исходя из условий:
S_м/S_п≥200; L=0,01H; l_к=l_в=0,5L,
где S_м площадь эластичной мембраны;
S_п площадь сечения пьезотрубки;
H база (глубина погружения) пьезотрубки;
L шаг между катушками индуктивности;
l_к высота катушки индуктивности;
l_в высота короткозамкнутого витка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик выполнен съемным, а на мерной части пьезотрубки нанесена шкала делений, соответствующих значению шага между катушками индуктивности. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено второй аналогичной первой, пьезотрубкой, размещенной по глубине погружения на некотором расстоянии от первой, при этом соответствующие катушки индуктивности датчиков обеих пьезотрубок соединены в электрическом отношении в полумост.