УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01N9/32 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологических процессах, где необходим контроль за плотностью применяемых растворов в пищевой, химической, микробиологической, нефтеперерабатывающей промышленности.

2. Уровень техники.

Известны устройства, содержащие вибратор, возбуждающий резонанс колебательной системы, в состав которой входит жидкость, чью плотность необходимо измерить [1, 2]. Плотность в таких устройствах связана с измеряемой величиной - резонансной частотной квадратичной зависимостью, поэтому по точности они уступают устройствам, в которых реализуется прямо пропорциональная зависимость между измеряемой и определяемой величинами. Известны вибрационные преобразователи с инерционной массой, выходное напряжение которых при воздействии вибрации пропорционально ее величине [3]. Известно устройство калибровки вибрационных преобразователей, состоящее из вибратора, с установленными на нем контрольным и калибруемым вибропреобразователями [4], для которого характерна высокая точность, что, однако, не решает проблему измерения плотности жидкости.

3. Сущность изобретения.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном устройстве, содержащем вибратор с установленными на нем контрольным и вибрационным преобразователями в качестве последнего взят преобразователь с инерционной массой, выполненной в виде полой оболочки, внутренний объем которой заполнен рабочей жидкостью через впускной штуцер.

Целью изобретения является создание измерительного устройства с более высокой точностью измерения за счет прямо пропорциональной зависимости между измеряемой величиной и плотностью жидкости, и за счет относительного характера измерений.

В известном устройстве напряжение U на выходе вибрационного преобразователя при ускорении a, создаваемом вибратором и измеряемом контрольным преобразователем, пропорционально величине инерционной массы
U = αma,
где m - величина инерционной массы;
α - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора типа чувствительного элемента: электромагнитный, емкостной, пьезоэлектрический и т.д.

В предлагаемом устройстве инерционная масса определяется суммой массы m_о оболочки и массы рабочей жидкости, помещенной внутри оболочки, равной Vρ_o, где ρ_o - плотность жидкости; V - объем полости.

Так как объем полости инерционной массы фиксирован, то напряжение на выходе вибрационного преобразователя при постоянном ускорении a равно
U = α(m_o+Vρ_o)a
и пропорционально плотности рабочей жидкости, что позволяет проводить ее измерения.

При коэффициенте преобразования контрольного преобразователя, равном K, напряжение на его выходе U_K равно U_K= Ka, а значение плотности жидкости определяется из соотношения

Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуются относительные измерения плотности, что обуславливает их большую точность.

Введение в оболочку инерционной массы выпускного штуцера позволяет осуществить непрерывное движение рабочей жидкости через вибрационный преобразователь и тем самым обеспечить непрерывный контроль за ее плотностью.

4. Перечень чертежей.

На фиг. 1. схематично представлено предлагаемое устройство, состоящее из вибратора 1, контрольного преобразователя 2 и вибрационного преобразователя, например, пьезоэлектрического типа, включающего в себя пьезоэлемент 3, инерционную массу, представляющую собой оболочку 4, охватывающую полость 5, объем которой заполнен рабочей жидкостью, и оснащенную штуцером 6 для ее слива и налива.

На фиг. 2 - инерционная масса вибрационного преобразователя, выполненная в виде оболочки 4, охватывающей полость 5, снабжена впускным 6 и выпускным 7 штуцерами, обеспечивающими непрерывное движение жидкости через инерционную массу.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Для оценки возможности создания предлагаемого устройства был создан соответствующий фиг. 2 макет пьезоэлектрического преобразователя. В качестве измерительной аппаратуры использовались приборы и оборудование фирмы "Робботрон".

Напряжение на выходе вибрационного преобразователя, при протекании через него рабочей жидкости, плотность которой ρ_o в некоторый момент времени изменяется на величину Δρ, при ускорении, создаваемом вибратором и контролируемым контрольным преобразователем, равным 1 мс^-2, равно

где d₃₃ - пьезоэлектрический модуль;
C - емкость пьезоэлемента;
U₀ - составляющая, - постоянное напряжение;
флуктуации напряжения, обусловленные флуктуациями плотности, рабочей жидкости;
U_ш - шумовые напряжения, обусловленные шумовыми виброускорениями, электронными шумами измерительного тракта и шумами обтекания жидкости.

По экспериментальным оценкам U_ш в 1/3 октавной полосе частот со средней частотой 180 Гц составляет: U_ш = 5•10^-6 В.

Для измерения среднеквадратичных значений напряжения ΔU с относительной погрешностью 0,5% необходимо, чтобы ΔU = 10U_ш. При этом условии флуктуации плотности связаны с шумовыми напряжениями соотношением

Таким образом, минимальные изменения Δρ_min плотности рабочей жидкости, измеряемые с относительной погрешностью 0,5%, для выбранных значений
C = 20 пФ; d₃₃ 3000 пК/Н; V = 10^-4 м³;
составляют: Δρ_min= 3•10^-2 кг/м³.

Для экспериментальной проверки в качестве рабочей жидкости использовались два соляных раствора с плотностями 1020 и 1025 кг/м³. Изменение плотности растворов, равное 5 кг/м, приводило к изменению выходного напряжения вибрационного преобразователя около 7•10^-3 В, что существенно превышало напряжения шумов U_ш = 5•10^-6 В и подтверждало принципиальную возможность создания предлагаемого устройства.

Литература
1. Проточный вибрационный плотномер. А.с. N 360591, кл. G 01 N 9/32, 1971.

2. Камертонный преобразователь для жидких сред. А.с. N 396590, кл. G 01 N 9/32, 1972.

3. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем, Мир, 1992, т. 2, стр. 71-125.

4. Ю.А.Иориш. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1993, с. 627-635.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля плотности жидкости в различных технологических процессах в пищевой, химической, микробиологической, нефтеперерабатывающей промышленности. Устройство содержит вибратор с установленными на нем контрольным и вибрационным преобразователями, при этом инерционная масса вибрационного преобразователя выполнена в форме полой оболочки со впускным штуцером для заполнения ее внутренней полости исследуемой жидкостью. Инерционная масса может также содержать впускной и выпускной штуцеры, что позволяет обеспечить непрерывное движение жидкости через вибрационный преобразователь и тем самым проводить текущий контроль ее плотности. Устройство измеряет плотность с высокой точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Измерительное устройство, состоящее из вибратора с установленными на нем контрольным и вибрационным преобразователями, выходы которых подключены к регистрирующей аппаратуре, отличающееся тем, что в качестве вибрационного преобразователя выбран преобразователь с инерционной массой, выполненной в виде полой оболочки, внутренний объем которой заполнен рабочей жидкостью через впускной штуцер. 2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что в полую оболочку инерционной массы вибрационного преобразователя введен выпускной штуцер.