УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01N9/26 G01N9/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения плотности сыпучих материалов и тел произвольной формы, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в химической, пищевой, фармацевтической и др.

Известно устройство для измерения плотности (Пестов Н.Е. Физико-химические свойства зернистых и порошкообразных химических продуктов. М.- Л.: Изд-во АН СССР, 1947, с.152), содержащее блоки измерения массы и объема вещества, в котором осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют его объем и по их отношению судят о насыпной плотности вещества
Недостатком такого устройства для измерения плотности является невозможность определения плотности частиц сыпучего материала, а также отсутствие единства процесса измерения.

Известно устройство для измерения плотности (Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973, 216 с.), позволяющее измерять плотность частиц вещества. В таком устройстве осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют его объем путем погружения в сосуд с жидкостью и фиксации объема вытесненной веществом жидкости. После измерения массы m_в и объема V_в вещества определяют плотность ρ_в вещества из отношения
Основной недостаток такого устройства состоит в том, что оно неприменимо для измерения плотности пористых и сыпучих веществ, не допускающих смачивания какой-либо жидкостью. Кроме этого, в устройстве отсутствует единый измерительный процесс, что снижает оперативность измерения.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство для измерения плотности сыпучих материалов (Безменов B.C., Суровцев Р. А. Пневмодинамические измерительные преобразователи объема для контроля качества картофеля// Приборы и системы управления, 9, 1997, с.29-32.), содержащее измерительную емкость с контролируемым веществом, сравнительную емкость, источник постоянного давления, два пневматических сопротивления, триггер, реле времени и измеритель времени. Определение плотности с помощью такого устройства заключается в определении объема тела с известной массой путем измерения разности давлений, накопленных в измерительной и сравнительной емкостях за время τ.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является невысокая оперативность измерений из-за отсутствия единого измерительного процесса.

Технической задачей изобретения является повышение оперативности измерений за счет обеспечения единства измерительного процесса.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что устройство дополнительно содержит формирующий блок и источник импульсов управления, источник расхода газа, пропорционального массе контролируемого материала, включающий в себя пневматический повторитель, пневматический сумматор, при этом измерительная емкость является входной камерой пневматического повторителя, выход которого непосредственно подключен к одному из входов пневматического сумматора и через первое пневматическое сопротивление ко второму входу пневматического сумматора, к первому входу формирующего блока и к входу измерительной емкости, третий вход пневматического сумматора соединен со вторым входом формирующего блока и с входом сравнительной емкости, к которой через второе пневматическое сопротивление подключен выход пневматического сумматора, третий вход формирующего блока соединен с выходом источника импульсов управления, а выход формирующего блока соединен с измерителем времени.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения плотности; на фиг.2 приведена временная диаграмма его работы.

Устройство для измерения плотности состоит из измерительной камеры 1 с контролируемым веществом 2, но которой снабжено чувствительным элементом, выполненным, например, в виде мембраны 3, воспринимающей силовое действие контролируемого материала и давления со стороны емкости 1. Мембрана 3 отделяет емкость 1 от камеры 4, в которую через пневматическое сопротивление 5 подано давление питания Р_пит. В камере 4 установлено сопло 6. Выход камеры 4 подключен к входу 7 пневматического сумматора 8 и к входу пневматического переменного сопротивления 9. Выход пневматического переменного сопротивления 9 соединен с входом 10 сумматора 8, с входом 11 измерительной емкости 1 и с входом 12 формирующего блока 13, вход 14 которого соединен с входом 15 сумматора 8, с входом 16 сравнительной емкости 17, с выходом переменного пневматического сопротивления 18, вход которого подключен к выходу пневматического сумматора 8. К входу 19 формирующего блока 13 присоединен выход источника импульсов управления 20. Выход формирующего блока 13 подается на вход измерителя длительности 21.

Камера 4 и измерительная емкость 1, разделенные мембраной 3, пневматическое сопротивление 5 и управляемое пневматическое сопротивление сопло 6 - заслонка, функцию которой выполняет мембрана 3, представляют собой пневматический повторитель 22. Пневматический повторитель 22, пневматический сумматор 8 и два пневматических сопротивления 9 и 18 образуют источник расхода газа 23.

Устройство для измерения плотности работает следующим образом.

Контролируемое вещество 2 помещают в измерительную емкость 1, которую после этого герметично закрывают. Процесс измерения начинается в момент поступления (момент времени t₁ на фиг.2) на вход 19 формирующего блока 13 с выхода источника импульсов управления 20 сигнала P₂₀=1. Этим сигналом осуществляется отключение измерительной и сравнительной емкостей от атмосферы.

При P₂₀= 0 (момент времени t₄ фиг.2) происходит соединение емкостей 1 и 17 с атмосферой и подготовка к очередному циклу измерения.

На мембрану 3 со стороны измерительной емкости 1 действует сила F_m=m_Bg, где g - ускорение свободного падения, а также сила F_P1=P₁S от давления P₁ в емкости 1 на поверхность мембраны 3 с площадью S. Действие силы F₁=F_m+F_p1 уравновешивается силой F₂=P₄S от давления P₄ в камере 4, т.е. F₁=F₂.

Под действием силы F₁ мембрана перемещается вниз. Расстояние между соплом и заслонкой уменьшается, уменьшается сброс воздуха через него в атмосферу, что приводит к росту давления в камере 4.

Для обеспечения процесса измерения необходимо подавать в измерительную 1 и сравнительную 17 емкости газа с постоянным расходом, пропорциональным массе контролируемого материала.

При поступлении давления Р₄ на вход дросселя 9 с проводимостью α₉ начинается процесс заполнения сжатым газом емкости 1 с контролируемым веществом 2, сопровождающийся ростом давления P₁, причем массовый расход газа через линейный дроссель 9 остается постоянным.

Камеры 1 и 4 пневматического повторителя соединены между собой линией с установленным в ней пневматическим переменным сопротивлением 9, расход газа G₉ через который
G₉ = α₉(P₄-P₁).
Так как давление

то

где коэффициент пропорциональности.

Давления, образующие разность поступают на входы 7 и 10 пневматического сумматора 8, выполняющего функцию повторителя перепада давления на дросселях 9 и 18.

Расход газа G₁₈ через пневматическое сопротивление 18 в сравнительную емкость 17 равен
G₁₈ = α₁₈(P₈-P₁₇),
так как то
При α₉ = α₁₈ расходы газа в измерительную и сравнительную емкости будут равными. Источник расхода 23 позволяет сформировать и поддерживать расход газа пропорциональным массе контролируемого материала.

С момента подачи импульса Р₂₀=1 начинаются процессы заполнения емкостей 1 и 17, сопровождаемые ростом давления в них.

Как только давление Р₁ станет равным Р_зад на выходе формирующего блока 13 появится сигнал единичного уровня, т.е. Р₁₃=1 (момент времени t₂, фиг.2). Этим сигналом включается измеритель времени 21. Измеритель времени 21 останавливается и фиксирует время t₂₃, определяемое разностью времен заполнения емкостей 1 и 17.

Таким образом, о плотности частиц сыпучего материала судят по разности времен заполнения измерительной и сравнительной емкостей до заданного давления.

Предлагаемое устройство для измерения плотности позволяет проводить неразрушающий контроль сыпучих, пористых, волокнистых материалов и тел произвольной формы за счет обеспечения единства измерительного процесса и использования одного источника энергии - давления сжатого воздуха.

Использование в различных отраслях промышленности, например в химической, пищевой и фармацевтической. Устройство для измерения плотности снабжено измерительной и сравнительной емкостями, формирующим блоком, источником импульсов управления, источником расхода газа, пропорционального массе контролируемого материала, включающим в себя пневматический повторитель, два переменных пневматических дросселя, пневматический сумматор. Технический результат: повышение точности и оперативности измерений. 2 ил.

Устройство для измерения плотности, содержащее измерительную и сравнительную емкости, два пневматических сопротивления, источник постоянного давления и измеритель времени, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит формирующий блок, источник импульсов управления, источник расхода газа, пропорционального массе контролируемого материала, включающий в себя пневматический повторитель, пневматический сумматор, при этом измерительная емкость является входной камерой пневматического повторителя, выход которого непосредственно подключен к одному из входов пневматического сумматора и через первое пневматическое сопротивление ко второму входу пневматического сумматора, к первому входу формирующего блока и входу измерительной емкости, третий вход пневматического сумматора соединен со вторым входом формирующего блока и входом сравнительной емкости, к которой через второе пневматическое сопротивление подключен выход пневматического сумматора, третий вход формирующего блока соединен с выходом источника импульсов управления, а выход формирующего блока соединен с измерителем времени.