ТЕНЗОДАТЧИК ДЛЯ ОБЪЕМНО-ВЕСОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И ОБЪЕМНО-ВЕСОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2023 года по МПК G01N9/20 

Изобретение касается контрольно-измерительной техники, а именно, объемно-весовых измерителей плотности жидкости (далее по тексту - ОВИПЖ) и тензодатчиков для осуществления их работы, и может применяться в различных отраслях промышленности, где есть необходимость измерения плотности жидкости, проходящей по трубопроводам, в частности в таких отраслях, как нефтедобывающая промышленность, строительство, химическая промышленность и др.

Общий принцип измерения в таких устройствах основан на зависимости веса заполненного жидкостью отрезка трубопровода фиксированного объема от плотности этой жидкости. Указанный отрезок трубопровода обычно связан с входным трубопроводом гибким упругим элементом, и его называют потокочувствительной трубой. Второй конец потокочувствительной трубы может быть открытым или связанным с продолжением трубопровода еще одним гибким упругим элементом.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является тензодатчик и ОВИПЖ на его основе, описанные в патенте Украины N° 109456, опубл. 08.11.2010.

Тензодатчик для объемно-весового измерителя плотности жидкости по указанному патенту включает упругий каркас в виде по крайней мере одного чувствительного элемента, оснащенного средством измерения деформации в виде по крайней мере двух тензометрических преобразователей, наклеенных на чувствительные к деформации поверхности упругого каркаса, гибкую упругую трубу, выполненную с возможностью герметичного присоединения к выходу входного трубопровода и ко входу потокочувствигельной трубы с соосевым размещением смежных отверстий, входное средство г рисоединения, выполненное с возможностью присоединения к выходу входного трубопровода, выходящее средство присоединения, выполненное с возможностью жесткого присоединения к потокочувствительной трубе, причем каждый из указанных чувствительных элементов связан с указанными средствами присоединения снаружи гибкой трубы. Также особенностью указанного тензодатчика является то, что гибкая труба выполнена в виде сильфона, жестко прикрепленного своими концами к указанным средствам присоединения с соосевым расположением его отверстий на концах, а каждый из указанных чувствительных элементов изготовлен в виде жесткой балки, жестко связанной с указанными средствами присоединения, где балки расположены вдоль гибкой трубы и выполнены с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии сильфона.

Недостатком приведенного тензодатчика-аналога является то, что с течением времени у него уменьшается точность измерения и он прекращает показывать корректные данные. Это происходит потому, что в качестве гибкой упругой трубы в нем используется сильфон, гофры которого забиваются изнутри пульпой, мусором, илом и другими неоднородными с потоком жидкости примесями, которые могут попадаться в нем. В результате такого засорения погрешность измерения существенно увеличивается и с течением времени, в зависимости от измеряемого материала, может достигать 10-20%, что вообще делает невозможным точное измерение плотности потока.

Из уровня техники известно использование втулки из полимерного материала в качестве гибкой упругой трубы, однако ее использование обычно не считается целесообразным, поскольку, несмотря на то, что такая втулка не имеет гофр, в которых происходит нежелательное засорение, она изготовлена из материала, который является упруго несовершенным.

Под действием постоянной деформации, которая может происходить при постоянной нагрузке потокочувствительной трубы, во втулке с течением времени происходит присущий полимерным материалам процесс релаксации напряжений, при котором снижается напряжение, возникающее во втулке, в связи с тем, что ее остаточная деформация увеличивается за счет уменьшения упругой составляющей деформации и нарастания вязкопластичной составляющей деформации. В результате этого после прекращения нагрузки от потокочувствительной трубы втулка не возвращается к своему исходному положению. Кроме того, происходит явление гистерезиса, когда деформация втулки отстает по фазе от ее напряжения.

Описанные физические явления влияют на реакцию втулки на действие потокочувствительной трубы. В результате деформация, которая фиксируется средствами считывания деформации втулки, не соответствует точному весу потокочувствительной трубы, и плотность потока определяется с определенной погрешностью, которая может достигать 2%.

Поэтому в основу этого изобретения была поставлена задача создать ОВИПЖ и тензодатчик для обеспечения его работы, которые способны обеспечить высокую точность измерения плотности жидкости, которая определяется в зависимости от веса потокочувствительной трубы, и не снижают точности измерений с течением времени. В частности, поставлена задача избежать наличия внутри гибкой упругой трубы полостей, которые могут забиваться, и при этом сохранить точность измерений, путем обеспечения приемлемых упругих свойств гибкой упругой трубы, чтобы ее деформация с высокой и постоянной точностью отвечала весу потокочувствительной трубы.

Поставленная задача относительно тензодатчика для ОВИПЖ решается за счет того, что в известном тензодатчике для объемно-весового измерителя плотности жидкости, включающего гибкую упругую трубу, расположенную внутри упругого каркаса, по крайней мере одно средство измерения деформации, входное и выходное средства присоединения со сквозными отверстиями, причем тензодатчик выполнен с возможностью присоединения входным средством присоединения к входному трубопроводу и выходным средством присоединения к потокочувствительной трубе с максимальным совмещением соответствующих отверстий; гибкая упругая труба выполнена с возможностью герметичного присоединения к входному и выходному средствам с соосевым расположением смежных отверстий, а упругий каркас жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, были произведены усовершенствования, которые заключаются в том, что гибкая упругая труба выполнена в виде втулки из полимерного материала, а упругий каркас выполнен с возможностью равномерного распределения вдоль всей длины втулки напряжений, возникающих в ее теле.

Чтобы сделать возможным использование в тензодатчике втулки из полимерного материала в качестве гибкой упругой трубы вместо сильфона и при этом избежать снижения точности измерений, разработчиками этого изобретения был осуществлен поиск средств, которые позволяют устранить очевидные недостатки использования такой втулки, обусловленные физическими свойствами материала, из которого она изготовлена. В частности, были проведены исследования по выявлению эффективного средства минимизации явлений релаксации, происходящих во втулке. В результате теоретических исследований и экспериментальных испытаний оказалось, что для снижения влияния явлений релаксации до уровня, на котором упругие несовершенства втулки перестают в значительной степени влиять на результат измерений, достаточно реализовать в тензодатчике средства, которые позволяют минимизировать общую деформацию втулки под действием потокочувствительной трубы таким образом, чтобы предотвратить образование локальных максимумов напряжений в ее теле.

Поэтому тензодатчик в соответствии с этим изобретением предусматривает использование втулки из полимерного материала вместе с упругим каркасом, который может иметь различную конструкцию, но который обязательно ограничивает ее деформацию так, что напряжения, которые в ней возникают, равномерно распределяются вдоль всего ее тела.

Указанное сочетание элементов тензодатчика является достаточным для устранения необходимости использования сильфона, гофры которого могут забиваться различным мусором, и сохранения высокой точности измеряемых показателей, избегая негативного влияния эффекта релаксации втулки из полимерного материала.

При этом для ограничения деформации втулки могут использоваться известные конструкции упругого каркаса. Однако из уровня техники неизвестно, чтобы такие конструкции использовались для распределения напряжений вдоль тела втулки с конкретной целью умышленного предотвращения образования максимумов напряжений.

Одним из лучших вариантов конструкции упругого каркаса является каркас, выполненный с возможностью ограничения деформации втулки деформацией чистого изгиба путем ограничения движения выходного средства присоединения таким образом, что во время деформации тензодатчика выходное средство присоединения поворачивается вокруг оси, удаленной от входного и выходного средств присоединения на одинаковое расстояние.

Деформация чистого изгиба является частным случаем деформации втулки, когда напряжения, которые в ней возникают, равномерно распределяются вдоль всего ее тела. Выполнение каркаса с возможностью ограничивать деформацию втулки подобным образом является наиболее подходящим с точки зрения возможности технической реализации в тензодатчике.

Самым лучшим вариантом технического исполнения каркаса, обеспечивающего деформацию чистого изгиба, является упругий каркас, выполненный с возможностью ограничивать движение выходного средства присоединения так, что траектория движения этого средства совпадает с дугой окружности, центр которой лежит на центральной оси тензодатчика, равноудаленной от входного и выходного средств присоединения, то есть оси, проходящей через центр тензодатчика перпендикулярно оси втулки и лежащей в горизонтальной плоскости. При таком варианте выполнения тензодатчика при его деформации выходное средство присоединения имеет возможность вращаться только вокруг этой оси, вместе с концом втулки, присоединенным к нему. Другой конец втулки является неподвижным, будучи присоединенным к входному средству присоединения, которое, в свою очередь, подсоединено к трубопроводу. Поэтому при деформации втулки радиусы кривизны любого ее сегмента являются одинаковыми, то есть во всех сечениях втулки действует одинаковый изгибающий момент, и таким образом втулка испытывает деформацию чистого изгиба.

Одним из лучших с точки зрения сочетания достаточной эффективности и экономичности вариантов выполнения каркаса, ограничивающего движение выходного средства присоединения описанным выше образом, является упругий каркас, который включает сильфон и балки с чувствительными к деформации поверхностями, на которых установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем сильфон жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри сильфона и жестко прикреплена к его гофрам, балки размещены снаружи сильфона параллельно втулке и жестко соединены с входным и выходным средствами присоединения, а поверхности, чувствительные к деформации каждой балки, находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения.

Из уровня техники, в частности из патента-аналога, известно выполнение каркаса тензодатчика в виде балок, которые обеспечивают возможность предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы. При этом средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей наклеены на наиболее чувствительные к деформации плоские параллельные друг другу поверхности балок. Такое выполнение тензодатчика обеспечивает возможность предотвратить влияние давления в жидкости и влияние температуры жидкости на показатели измерения, и при этом является простым и выгодным для массового производства средством.

Также из аналога известно использование в качестве гибкой упругой трубы сильфона вместо полимерной втулки, чтобы избежать негативного влияния упругих несовершенств полимерного материала.

В соответствии с этим изобретением к конструкции балок выдвигается дополнительное требование, чтобы кроме того, что они выполнены с возможностью ограничения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, они также были бы выполнены с возможностью ограничения движения выходного средства присоединения таким образом, чтобы втулка испытывала только деформацию чистого изгиба. В частности, балки должны ограничивать движение выходного средства присоединения, чтобы оно имело возможность вращаться только вокруг оси, удаленной от входного и выходного средств присоединения на одинаковое расстояние. Это решается тем, что чувствительные к деформации поверхности расположены посередине балок, а указанная ось проходит по центру этих поверхностей.

Это является существенным отличием этого изобретения от аналога, где указанное требование относительно балок полностью отсутствует, и чувствительные поверхности могут быть расположены, например, на крайних частях балок как в одном из допустимых вариантов аналога. Поэтому простые совершенствования тензодатчика согласно аналогу путем применения в нем втулки из полимерного материала в качестве гибкой упругой трубы не обеспечивают равномерного распределения деформации вдоль всего ее тела, тем более не обеспечивают деформацию ее чистого изгиба. Следовательно, сведений из уровня техники недостаточно, чтобы благодаря известной конструкции балок предотвратить негативное влияние упругой релаксации втулки из полимерного материала и сделать возможным ее использование для устранения проблемы засорения гофр сильфона.

Кроме того, в патенте-аналоге сильфон используется непосредственно в качестве гибкой упругой трубы, через которую проходит поток жидкости. В этом варианте заявляемого изобретения в качестве гибкой упругой трубы используется втулка, а сильфон используется в качестве составной части упругого каркаса, который ограничивает деформацию гибкой упругой трубы. Это допускает выполнение упругого корпуса не только в виде сильфона, но и других конструкций, которые не обязательно должны быть герметичными. Главное, чтобы такие конструкции мгновенно откликались на деформации, имели минимальную остаточную деформацию и показывали одинаковые упругие свойства вдоль всей своей длины.

Другим лучшим вариантом реализации упругого каркаса в тензодатчике, является его исполнение в виде конструкции, включающей совокупность колец, соединенных балками-перемычками, плоскость симметрии которых совпадает с горизонтальной плоскостью симметрии колец, и балки с чувствительными к деформации поверхностями, на которых установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем совокупность колец жестко соединена с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри совокупности колец и жестко прикреплена к каждому кольцу, балки размещены снаружи совокупности колец параллельно втулке и жестко соединены с входным и выходным средствами присоединения, а чувствительные к деформации поверхности каждой балки находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения. Конструкция указанной совокупности колец предполагает, что балки-перемычки попарно соединяют соседние кольца друг с другом в двух местах, где кольца пересекает их горизонтальная плоскость симметрии. При этом указанная горизонтальная плоскость совпадает с горизонтальной плоскостью симметрии балок-перемычек, которая делит их пополам, и проходит сквозь нейтральный слой совокупности колец, длина которого практически не меняется при сгибании. Таким образом, эта конструкция имеет подобные сильфону упругие свойства, которые обеспечивают равномерную деформацию изгиба прикрепленной к ней втулки, а также предотвращают ее деформации в радиальном направлении, помогая компенсировать упругое несовершенство втулки.

Усовершенствованием предыдущего варианта тензодатчика может быть тензодатчик, который отличается тем, что совокупность колец, соединенных балками-перемычками, встроена в тело втулки. Таким способом можно достичь уменьшения габаритов тензодатчика, снизив стоимость его производства и увеличив удобство его использования.

Следует отметить, что использование в указанных выше вариантах тензодатчика одних только сильфона или совокупности колец без балок или, наоборот, одних только балок в качестве упругого каркаса недостаточно, чтобы обеспечить ограничение деформации втулки должным образом. Равномерность деформации обеспечивается конструкцией упругого каркаса в целом. При этом также возможны другие варианты осуществления упругого каркаса, где он выполнен с возможностью обеспечивать равномерное распределение напряжений вдоль всей длины тела втулки при деформации тензодатчика.

Следующим усовершенствованным вариантом воплощения изобретения является тензодатчик, в котором втулка выполнена из абразивостойкого полимерного материала. Этот вариант изобретения имеет значительно лучшую износостойкость и соответственно больший срок службы.

Самым лучшим вариантом является тензодатчик, в котором втулка выполнена из полимерного материала с низкой остаточной деформацией. Использование специального материала с низкой остаточной деформацией для изготовления втулки является еще одним способом улучшения ее упругих свойств, что, в дополнение к указанным выше способам, позволяет еще больше повысить точность измерений.

Еще одним вариантом изобретения является тензодатчик, который содержит датчик давления, в частности в виде тензометрических преобразователей, выполненный с возможностью реагирования на изменения давления жидкости, проходящей через датчик. Это усовершенствование предусматривает наличие дополнительного датчика, который вместе со средствами измерения деформации может быть подключен к измерительному прибору, что позволяет уменьшить погрешность измерений на последующем этапе вычисления результатов, которые будут скорректированы в соответствии с показателями датчика давления, в частности, путем схемной компенсации.

Также одним из лучших вариантов изобретения является тензодатчик, который содержит датчик температуры. Учет показателей такого датчика, дополнительно подключенного к измерительному прибору, позволяет уменьшить погрешность измерений, которую может вызвать переменная температура потока.

Далее описывается конструкция измерителя, который позволяет решить поставленную в этом изобретении задачу устранения недостатков ОВИПЖ по аналогу, где использование сильфона со временем приводит к потере точности измерений.

ОВИПЖ настоящего изобретения включает потокочувствительную трубу, измерительный прибор и первый тензодатчик, который содержит гибкую упругую трубу, расположенную внутри упругого каркаса, по крайней мере одно средство измерения деформации, входной и выходной средства присоединения со сквозными отверстиями. Указанный первый тензодатчик выполнен с возможностью присоединения входным средством присоединения к входному трубопроводу и выходным средством присоединения - к потокочувствительной трубе с максимальным совмещением соответствующих отверстий, гибкая упругая труба выполнена с возможностью герметичного присоединения к входному и выходному средствам с соосевым расположением смежных отверстий, а упругий каркас жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, причем гибкая упругая труба выполнена в виде втулки из полимерного материала, а упругий каркас выполнен с возможностью равномерного распределения вдоль всей длины втулки напряжений, возникающих в ее теле во время деформации.

Гибкая упругая труба в указанном измерителе не забивается мусором, как это происходит при использовании сильфона, и благодаря конструкции упругого каркаса лишена негативного влияния упругих свойств полимерного материала, из которого она изготовлена. Это позволяет получить ОВИПЖ, который обеспечивает высокую точность измерений в течение значительно более длительного срока эксплуатации, чем известный аналог.

Лучшие варианты ОВИПЖ можно получить за счет раскрытых ранее в этой заявке усовершенствований тензодатчика, который в нем используется.

Так, в лучшем варианте ОВИПЖ упругий каркас первого тензодатчика выполнен с возможностью ограничения деформации втулки деформацией чистого изгиба путем ограничения движения одного из средств присоединения таким образом, что во время деформации этого тензодатчика указанное средство присоединения вращается вокруг оси, удаленной от входного и выходного средств присоединения на одинаковое расстояние. В этом варианте ОВИПЖ реализован наиболее удобный для выполнения способ ограничения деформации втулки таким образом, чтобы напряжения, которые в ней возникают, равномерно распределялись вдоль всего ее тела.

В еще лучшем варианте ОВИПЖ упругий каркас первого тензодатчика включает сильфон и по крайней мере одну балку с чувствительными к деформации поверхностями, на которой установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем сильфон жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри сильфона и жестко прикреплена к его гофрам, каждая балка расположена снаружи сильфона параллельно втулке и жестко соединена с входным и выходным средствами присоединения, а чувствительные к деформации поверхности каждой балки находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения. Этот вариант представляет собой простую и экономичную конструкцию, которая в достаточной мере обеспечивает равномерную деформацию втулки.

В альтернативном предыдущем варианте ОВИПЖ, упругий каркас первого тензодатчика включает совокупность колец, соединенных балками-перемычками, плоскость симметрии которых совпадает с горизонтальной плоскостью симметрии колец, и по крайней мере одну балку с чувствительными к деформации поверхностями, на которой установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем совокупность колец жестко соединена с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри совокупности колец и жестко прикреплена к каждому кольцу, каждая балка расположена снаружи совокупности колец параллельно втулке и жестко соединена с входным и выходным средствами присоединения, а чувствительные к деформации поверхности каждой балки находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения.

Еще лучшим усовершенствованием предыдущего варианта, которое позволяет получить более компактный ОВИПЖ, является выполнение совокупности колец упругого каркаса первого тензодатчика встроенными в тело втулки.

В одном из конкретных вариантов выполнения ОВИПЖ потокочувствительная труба выполнена прямой, что исключает ее отклонение под влиянием скорости потока жидкости.

В лучшем варианте ОВИПЖ потокочувствительная труба имеет открытый выходящий конец. Этим создается ОВИПЖ конечного типа и, в частности, исключается какое-либо воздействие на потокочувствительную трубу элементов со стороны открытого конца.

Еще в одном из конкретных вариантов выполнения ОВИПЖ конструкция предусматривает использование дополнительного второго тензодатчика. Потокочувствительная труба в таком варианте ОВИПЖ имеет U-образную форму, а второй тензодатчик аналогичен первому, то есть так же состоит из гибкой упругой трубы, расположенной внутри упругого каркаса, по крайней мере одного средства измерения деформации, входного и выходного средств присоединения со сквозными отверстиями. Гибкая упругая труба во втором тензодатчике также выполнена с возможностью герметичного присоединения к входному и выходному средствам с соосевым расположением смежных отверстий, а упругий каркас жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, причем гибкая упругая труба выполнена в виде втулки из полимерного материала, а упругий каркас выполнен с возможностью равномерного распределения напряжений, которые возникают в теле втулки вдоль всей ее длины.

Отличием второго тензодатчика от первого является то, что входным средством присоединения он присоединяется к потокочувствительной трубе, а выходным - к выходному трубопроводу. Таким образом, входное средство присоединения второго тензодатчика аналогично выходному средству присоединения первого тензодатчика и выполнено с возможностью присоединения к потокочувствительной трубе, а выходное средство присоединения второго тензодатчика аналогично входному средству присоединения первого тензодатчика и выполнено с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.

Выполнение ОВИПЖ с двумя тензодатчиками, присоединенными к измерительному прибору, позволяет получить измеритель с повышенной точностью, поскольку информация, поступающая к измерительному прибору от средств измерения деформации обоих тензодатчиков, позволяет сравнить их показатели и по предварительно установленным правилам корреляции вывести результирующие данные с минимальной погрешностью.

В еще лучшем варианте ОВИПЖ, который предполагает дополнительный второй тензодатчик и выполнение потокочувствительной трубы в U-образной форме, причем смежные средства присоединения первого и второго тензодатчиков выполнены в виде одной детали. Таким образом, входное средство присоединения второго тензодатчика выполнено с выходным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и при этом жестко присоединено к потокочувствительной трубе. В свою очередь, выходное средство присоединения второго тензодатчика выполнено с выходным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.

Такое выполнение ОВИПЖ позволяет уменьшить погрешность измерений за счет максимально точного размещения тензодатчиков относительно друг друга, а также устранения составляющей погрешности, которая обусловлена начальными напряжениями, возникающими при сборке конструкции тензодатчиков с отдельными средствами присоединения.

Дальнейшее усовершенствование ОВИПЖ обеспечивает больший срок эксплуатации за счет того, что по крайней мере в одном тензодатчике втулка выполнена из абразивостойкого полимерного материала.

Еще одним усовершенствованием ОВИПЖ является выполнение по крайней мере в одном тензодатчике втулки из полимерного материала с низкой остаточной деформацией, что позволяет увеличить точность измерений за счет улучшения упругих свойств втулки.

Лучший вариант ОВИПЖ предусматривает, что по крайней мере один тензодатчик содержит датчик давления, в частности в виде тензометрических преобразователей, выполненный с возможностью реагирования на изменения давления жидкости, проходящей через втулку. Такой вариант, обеспечивая получение измерительным прибором дополнительных показателей датчика давления, позволяет более точно учитывать влияние давления внутри втулки на результат измерения.

В еще лучшем варианте ОВИПЖ по крайней мере один тензодатчик содержит датчик температуры, что позволяет более точно учитывать влияние температуры жидкости на результат измерения за счет показателей, поступающих от датчика температуры к измерительному прибору.

Варианты исполнения тензодатчика для ОВИПЖ представлены на чертежах, в частности:

на Фиг.1 изображен общий вид варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде сильфона и балок;

на Фиг.2 изображен вид сбоку варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде сильфона и балок, с частичным продольным разрезом;

на Фиг.3 изображен вид сверху варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде сильфона и балок;

на Фиг.4 изображен общий вид варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде совокупности колец с балками-перемычками и балок;

на Фиг.5 изображен вид сбоку варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде совокупности колец с балками-перемычками и балок;

на Фиг.6 изображен вид сверху варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде совокупности колец с балками-перемычками и балок;

на Фиг.7 изображен вид спереди варианта тензодатчика с упругим каркасом в виде совокупности колец с балками-перемычками и балок, с частичным поперечным разрезом;

на Фиг.8 изображен вид сбоку ОВИПЖ, в котором использован тензодатчик с упругим каркасом в виде сильфона и балок.

на Фиг.9 изображен вид сверху лучшего варианта ОВИПЖ, содержащего два тензодатчика с упругими каркасами в виде сильфона и балок.

Тензодатчик для ОВИПЖ, представленный на Фиг.1, 2 и 3 включает гибкую упругую трубу, выполненную в виде втулки из полимерного материала 1, расположенную внутри упругого каркаса выполненного в виде сильфона 7 и балок 2 с чувствительными к деформации поверхностями 3, средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей 4, установленных на чувствительные к деформации поверхности 3 балок 2, входной 5 и выходной 6 средства присоединения со сквозными отверстиями, причем тензодатчик выполнен с возможностью присоединения входным средством присоединения 5 к входному трубопроводу и выходным средством присоединения 6 - к потокочувствительной трубе с максимальным совмещением соответствующих отверстий. Втулка 1 выполнена с возможностью герметичного присоединения к входному 5 и выходному 6 средствам с соосевым расположением смежных отверстий, а балки 2 жестко соединены с входным и выходным средствами присоединения и расположены таким образом, что предотвращается деформация тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии втулки.

При этом, за счет того, что чувствительные к деформации поверхности 3 расположены посередине балок 2 на одинаковом расстоянии от входного 5 и выходного 6 средств присоединения, напряжения, возникающие в теле втулки 1 при деформации, распределяются вдоль всей ее длины.

На Фиг.2, где сделан частичный фронтальный разрез, хорошо видно, что втулка 1 имеет гладкую внутреннюю поверхность, исключающую засорение грязью и мусором потока. При этом втулка 1 прикреплена к гофрам 8 сильфона 7, таким образом, что во время деформации ее движение дополнительно ограничено упругими свойствами сильфона.

Далее, на Фиг.4-7 представлен вариант тензодатчика для ОВИПЖ, где упругий каркас тензодатчика выполнен в виде балок 2 с чувствительными к деформации поверхностями 3 и совокупности колец 9, соединенных балками-перемычками 10, плоскость симметрии которых совпадает с горизонтальной плоскостью симметрии колец 10. Такая конструкция упругого каркаса так же обеспечивает равномерное распределения вдоль всей длины втулки 1 напряжений, возникающих в ее теле во время деформации.

На Фиг.8 представлен ОВИПЖ, содержащий вариант тензодатчика с сильфоном согласно Фиг.1-3. Этот ОВИПЖ имеет тензодатчик 11, жестко присоединенную к нему прямую потокочувствительную трубу 12 с открытым выходным концом и измерительный прибор 13, ко входам которого подключены выходы тензометрических преобразователей 4. Причем тензодатчик 11 деформируется под действием потокочувствительной трубы 12. Если трубопровод не является неподвижной относительно земли опорой, входящее средство присоединения может быть присоединено к дополнительной жесткой неподвижной опоре 14, как показано на этом чертеже.

На Фиг.9 представлен лучший вариант ОВИПЖ, в котором потокочувствительная труба имеет U-образную форму. При этом измеритель содержит первый тензодатчик 11 и аналогичный ему второй тензодатчик 1 1’. Входное средство присоединения 5' второго тензодатчика 11' выполнено с выходным средством присоединения 6 первого тензодатчика 11 в виде одной детали и при этом жестко присоединено к потокочувствительной трубе 12.

Выходное средство присоединения 6' второго тензодатчика 1 Г выполнено с входным средством присоединения 5 первого тензодатчика 11 в виде одной детали с возможностью присоединения к выходному трубопроводу (не показан).

В этом варианте ОВИПЖ упругий каркас первого тензодатчика 11 включает сильфон 7 и балку 2 с тензометрическими преобразователями 4. Так же второй тензодатчик 1 Г имеет каркас, включающий сильфон Т и балку 2' с тензометрическими преобразователями 4'. Балки из 2 и 2' выполнены таким образом, что их чувствительные к деформации поверхности находятся посередине.

Такое исполнение 2 и 2' балок и их расположение относительно сильфонов 7 и 7', предполагает, что выходное средство присоединения 6 и входное средство присоединения 5', выполненные как одна деталь, могут вращаться при деформации тензодатчика только вокруг оси, удаленной от средств присоединения 6 и 5' и средств присоединения 5 и 6' на одинаковое расстояние. Таким образом деформация втулок, которые находятся внутри сильфонов 7 и 7', ограничена деформацией чистого изгиба.

Далее описан принцип работы ОВИПЖ, представленного на Фиг.8, в составе которого также может быть использован вариант тензодатчика с совокупностью колец, показанных на Фиг.4-7.

Для начала работы ОВИПЖ присоединяется входным средством присоединения 5 тензодатчика 11 к входному трубопроводу, с которого подается поток жидкости. Когда поток жидкости проходит через потокочувствительную трубу, тензодатчик 11 начинает деформироваться под действием ее веса. В частности, начинает деформироваться упругий каркас и расположенная в нем втулка 1. При этом упругий каркас, выполненный в представленных на чертежах вариантах в виде балок 2 и сильфона (в варианте согласно Фиг.1-3, 8) или балок и совокупности колец, соединенных балками-перемычками (в варианте согласно Фиг.4-7), ограничивает деформацию втулки 1 таким образом, что эта деформация представляет собой чистый изгиб. При этом происходит равномерное распределение деформации в слоях материала, равноудаленных от нейтрального слоя упругого каркаса. В указанных вариантах исполнения тензодатчика нейтральный слой упругого каркаса совпадает с его горизонтальной плоскостью симметрии.

Далее, когда поток жидкости заполняет весь объем потокочувствительной трубы 12, становится возможным вычислить плотность жидкости, зная ее зависимость от деформации, которую вызывает вес заполненной потокочувствительной трубы. Для этого тензометрические преобразователи, которые реагируют на деформацию чувствительных поверхностей 3 балок 2, передают сигнал к измерительному прибору 1, где он обрабатывается известным в этой области образом, например, получая величину электронного напряжения, которое далее измеряется, в результате чего определяется плотность в соответствии с установленной заранее зависимостью. Чистый изгиб втулки 1 означает, что при ее деформации напряжения одинаковы по всей ее длине и ни один участок втулки не содержит локального максимума напряжений. При такой работе эффект упругой релаксации, свойственный полимерному материалу, минимизируется, и тензодатчик сохраняет высокую точность измерения плотности жидкости в течение всего установленного срока своей эксплуатации.

В соответствии с этим изобретением были изготовлены ОВИПЖ с использованием представленных на чертежах вариантов тензодатчиков. Благодаря описанным конструкциям упругого каркаса в изделиях было обеспечено равномерное распределение вдоль всей длины втулки напряжений, возникающих в ее теле во время деформации. В изделиях была использована втулка из полимерного материала с проходным диаметром 70 мм и толщиной 3 мм. По результатам тестирования изделий погрешность измерения плотности жидкости составила не более 0,5%. Вследствие отсутствия полостей, которые могут засоряться при наличии в потоке жидкости твердых примесей, погрешность измерения со временем практически не меняется.

Таким образом, созданный тензодатчик и ОВИПЖ на его основе позволяют избежать снижения точности измерений с течением времени за счет использования в качестве гибкой упругой трубы вместо сильфона втулки из полимерного материала, которые при этом обеспечивают высокую точность измерения плотности жидкости, несмотря на несовершенные упругие свойства материала, из которого изготовлена втулка.

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике: к объемно-весовым измерителям плотности жидкости и тензодатчикам для осуществления их работы. Тензодатчик для объемно-весового измерителя плотности жидкости включает гибкую упругую трубу, выполненную в виде втулки (1) из полимерного материала, расположенную внутри упругого каркаса (7), по крайней мере, одно средство измерения деформации (4), средства входного (5) и выходного (6) присоединения со сквозными отверстиями, которые присоединены к входному трубопроводу и потокочувствительной трубе соответственно. Втулка (1) выполнена с возможностью герметичного присоединения к средствам входного (5) и выходного (6) присоединения с соосным расположением смежных отверстий, а упругий каркас (7) жестко соединен с указанными средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии втулки (1). Упругий каркас (7) выполнен с возможностью равномерного распределения напряжений вдоль всей длины втулки (1), возникающих в ее теле во время деформации. Технический результат – обеспечение высокой точности измерения плотности жидкости. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Тензодатчик для объемно-весового измерителя плотности жидкости, включающий гибкую упругую трубу, расположенную внутри упругого каркаса, по крайней мере, одно средство измерения деформации, входной и выходной средства присоединения со сквозными отверстиями, причем тензодатчик выполнен с возможностью присоединения входным средством присоединения к входному трубопроводу и выходным средством присоединения - к потокочувствительной трубе с максимальным совмещением соответствующих отверстий, гибкая упругая труба выполнена в виде втулки из полимерного материала, с возможностью герметичного присоединения к входному и выходному средствам присоединения с соосевым расположением смежных отверстий, а упругий каркас жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, отличающийся тем, что упругий каркас включает сильфон и балки с чувствительными к деформации поверхностями, на которых установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем сильфон жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри сильфона и жестко прикреплена к его гофрам, балки размещены снаружи сильфона параллельно втулке и жестко соединены с входным и выходным средствами присоединения, а чувствительные к деформации поверхности каждой балки находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения.

2. Тензодатчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит датчик температуры.

3. Тензодатчик для объемно-весового измерителя плотности жидкости, включающий гибкую упругую трубу, расположенную внутри упругого каркаса, по крайней мере одно средство измерения деформации, входной и выходной средства присоединения со сквозными отверстиями, причем тензодатчик выполнен с возможностью присоединения входным средством присоединения к входному трубопроводу и выходным средством присоединения - к потокочувствительной трубе с максимальным совмещением соответствующих отверстий, гибкая упругая труба выполнена в виде втулки из полимерного материала, с возможностью герметичного присоединения к входному и выходному средствам присоединения с соосевым расположением смежных отверстий, а упругий каркас жестко соединен с входным и выходным средствами присоединения с возможностью предотвращения деформации тензодатчика в вертикальном направлении при растяжении или сжатии гибкой упругой трубы, отличающийся тем, что упругий каркас включает совокупность колец, 2 соединенных балками-перемычками, плоскость симметрии которых совпадает с горизонтальной плоскостью симметрии колец, и балки с чувствительными к деформации поверхностями, на которых установлены средства измерения деформации в виде тензометрических преобразователей, причем совокупность колец жестко соединена с входным и выходным средствами присоединения, втулка размещена внутри совокупности колец и жестко прикреплена к каждому кольцу, балки с чувствительными к деформации поверхностями размещены снаружи совокупности колец параллельно втулке и жестко соединены с входным и выходным средствами присоединения, а чувствительные к деформации поверхности каждой балки находятся посередине на одинаковом расстоянии от входного и выходного средств присоединения.

4. Тензодатчик по п. 3, отличающийся тем, что совокупность колец, соединенных балками-перемычками, встроена в тело втулки.

5. Тензодатчик по любому из пп. 3, 4, отличающийся тем, что содержит датчик температуры.

6. Объемно-весовой измеритель плотности жидкости, который включает потокочувствительную трубу, измерительный прибор и тензодатчик по п. 1.

7. Измеритель по п. 6, отличающийся тем, что потокочувствительная труба является прямой.

8. Измеритель по п. 7, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет открытый выходной конец.

9. Измеритель по п. 6, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет U-образную форму, а измеритель содержит два одинаковых тензодатчика по п.1, причем входное средство присоединения второго тензодатчика аналогично выходному средству присоединения первого тензодатчика и жестко присоединено к потокочувствительной трубе, выходное средство присоединения второго тензодатчика аналогично входному средству присоединения первого тензодатчика и выполнено с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.

10. Измеритель по п. 6, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет U-образную форму, а измеритель содержит два одинаковых тензодатчика по п.1, причем входное средство присоединения второго тензодатчика выполнено с выходным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и жестко присоединено к потокочувствительной трубе, а выходное средство присоединения второго тензодатчика 3 выполнено с выходным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.

11. Объемно-весовой измеритель плотности жидкости, который включает потокочувствительную трубу, измерительный прибор и тензодатчик по п. 3.

12. Измеритель по п. 11, отличающийся тем, что в тензодатчике совокупность колец, соединенных балками-перемычками, встроена в тело втулки.

13. Измеритель по любому из пп. 11, 12, отличающийся тем, что потокочувствительная труба является прямой.

14. Измеритель по п. 13, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет открытый выходной конец.

15. Измеритель по любому из пп. 11, 12, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет U-образную форму, а измеритель содержит два одинаковых тензодатчика по п. 3, причем входное средство присоединения второго тензодатчика аналогично выходному средству присоединения первого тензодатчика и жестко присоединено к потокочувствительной трубе, выходное средство присоединения второго тензодатчика аналогично входному средству присоединения первого тензодатчика и выполнено с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.

16. Измеритель по пп. 11, 12, отличающийся тем, что потокочувствительная труба имеет U-образную форму, а измеритель содержит два одинаковых тензодатчика по п.З, причем входное средство присоединения второго тензодатчика выполнено с выходным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и жестко присоединено к потокочувствительной трубе, а выходное средство присоединения второго тензодатчика выполнено с входным средством присоединения первого тензодатчика в виде одной детали и с возможностью присоединения к выходному трубопроводу.