Устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред Советский патент 1984 года по МПК G01N9/00 G01N11/16 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для одновременного измерения плотности и вязкости гомогенных жидкостей , в частности топлив на борту ле тательного аппарата. Известен плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности, выполнен ный в виде цилиндра с радиальными лопастями, укрепленный на свободном конце консольно закрепленного трубч того магнитострикциовного стержня, тороидальную и коаксиальную обмотки возбуждения, датчик колебательной скорости, соединенный с усилителем. Колебательный преобразователь вязкости и плотности вместе с датчиком колебательной скорости, усилителем коаксиальной обмоткой возбуждения образуют замкнутый контур - автогенератор, работающий в режиме незату хающих колебаний, частота которых является мерой плотности среды. Однако изменение амплитуды и час тоты незатухающих колебаний преобразователя вызывается изменением не только плотности, но и вязкости жидкости. Это обусловлено появлением дополнительного присоединенного момента инерции и присоединенной вязкости, являющихся функцией плотности, вязкости и частоты колебаний Изменение вязкости в широком,диапазоне не позволяет обеспечить высоку точность измерения плотности. Кроме того, недостатком схемы автогенерат ра, по которой выполнен известный плотномер, является невозможность обеспечить стабильность частоты незатухающих колебаний, величина кото рой будет меняться от влияния допол нительных сил, действующих на плотность . Известен также плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности, электромагнитный возбудитель колебаний, датчик колебательной скорости преобразователя, соединенный с измерителем частоты и с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления. Выход усилителя через фазосдвигающую цепь соединен с входом усилителя мощности, выход которого подключен ко входу электро магнитного возбудителя колебаний, В известном плотномере жидкости осуществляется компенсация влияния вязкости контролируемой среды на точность измерения плотности путем изменения коэффициента усиления уси лителя, обуславливающего изменение величины крутящего момента до тех пор, пока амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя не станет равной заданной величине С2 . Недостатком известного устройства является то, что изменение величины крутящего момента обеспечивает компенсацию влияния вязкости только в узком диапазоне изменения плотности. Кроме того, этому плотномеру присущи также недостатки автогенераторной схемы. Известен также плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности, выполненный в виде цилиндра с радиальными лопастями, укрепленного на свободном конце консольно закрепленного в корпусе трубчатого магнитострикционного стержня, снабженного двумя взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения: коаксиальной и тороидальной, последовательно соединенные датчики колебательной скорости колебательного преобразователя, фазовый детектор, интегратор, управляемый генератор, фазосдвигающую цепь, образующие возбудитель колебаний с-.фазовой автоподстройкой частоты, и управляемый усилитель, выход которого соединен с одной из обмоток возбуждения, а другая обмотка возбуждения соединена с источником постоянного тока. Выход управляемого генератора подключен к измерителю частоты и через фазосдвигающую цепь - к второму входу -фазового детектора. Устройство содержит сумматор, включенный между выходом фазового детектора и входом интегратора возбудителя колебаний, последовательно соединенные детектор, вход которого подключен к выходу упомянутого датчика, и компаратор напряжения, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - со вторым входом сумматора и управляющим входом управляемого усилител.я СЗ. В отличие от рассмотренных выше известный плотномер выполнен по схеме возбудителя с контуром фазовой автоподстройки частоты. С помощью контура стабилизации амплитуды скорости колебаний чувствительного элемента, включающего детектор, подключенный к выходу датчика колебательной скорости, и компаратор, где сравниваются опорный сигнал и сигнал с выхода детектора, осуществляется компенсация влияния вязкости на точность измерения плотности. При этом происходит не только изменение коэффициента усиления усилителя, но и изменение сигнала с выхода сумматора, который приводит к поиску резонансной частоты, ослабляя требования к диапазону изменения коэффициента усиления управляемого усилителя, с помощью которого устанавливается заданная амплитуда колебаний. таким образом, здесь используются

два канала координатной коррекции скорости колебаний колебательного преобразователя - иэмен&нием частоты и изменением крутящего момента.

Недостатком известного плотномера является наличие взаимных перекрестных связей контура фазовой автоподстройки частоты и контура управления величиной крутящего момента и сложность выбора весовых коэффициентов сигналов на входе сумматора и параметрическом входе усилителя тока, что ухудшает точность измерения плотности и динамические свойства плотномера. Как и во всех рассмотренных выше схемах плотномеров , в известном плотномере возможна только качественная оценка величины вязкости среды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред, содержащее колебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе, датчик колебательной скорости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой, включающий последовательно соединенные фазовый детектор, первый интегратор, управляемый генератор и фазосдвигающую цепочку, блок вычисления вязкости и плотности, регистраторы вязкости и плотности, блок измерения активной составляющей механического импеданса, содержащий последовательно соединенные фазочувствительный умножитель и второй интегратор, при этом выход датчика колебательной скорости связан с выходом возбудителя колебаний и с первым входом блока измерения активной составляющей механического импеданса, выход которого подключен к первому входу блока вы,числения вязкости и плотности, второй вход которого связан с вторытл выходом возбудителя колебаний, а третий вход подключен к первому выходу возбудителя колебаний и ко второму входу блока измерения активной составляющей механического импеданса, а регистраторы вязкости и плотности подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления вязкости и плотности 4.

Однако известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения плотности и вязкости вязких жидкостей и узкий изме ряемый диапазон, обусловленный тем, что при изменении величин плотности и вязкости жидкости в широком диапазоне значений изменяется общее демпфирование системы, а следовательно, и величина ее добротности. При этом постоянство амплитуды колебаний зонда достигается при

различных значениях величин коэффициента усиления, т.е. при различной намагниченности стержня. За счет этого при наличии в каналах измерения нелинейных элементов точность измерения понижается, а при большом (демпфировании амплитуда колебаний зонда с увеличением коэффициента усиления управляемого усилителя не увеличивается, а уменьшается, что

0 ограничивает измеряемый диапазон.

Цель изобретения - повышение точности измерения плотности и вязкости вязких жидкостей и расширение измеряемого диапазона.

5

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения плотности и вязкости жидких сред, содержащем колебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе,

0 датчик колебательной скорости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой, включающий последовательно соединенные фазовый детектор, первый интегратор, управляемый генера5тор и фазосдвигающую цепочку; блок вычисления вязкости и плотности, регистраторы вязкости и плотности, блок измерения активной составляющей механического импеданса, содержащий

0 последовательно соединенные фазочувствительный умножитель и второй интегратор, при этом выход датчика колебательной скорости связан с выходом возбудителя колебаний и с пер5вым входом блока измерения активной составляющей механического импеданса, выход которого подключен к первому входу блока вычисления вязкости и плотности, второй вход ко0торого связан с вторым выходом возбудителя колебаний, а третий вход подключен к первому выходу возбудителя колебаний и ко второму входу блока измерения активной составляющей механического импеданса, а ре5гистраторы вязкости и плотности подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления вязкости и плотности, в него дополнительно введены обратный преобра0зователь вязкости, состоящий из якоря с обмоткой и статора с обмоткой, жестко связанных с колебательным преобразователем и корпусом соответственно, усилитель тока, подключен5ный входом к выходу датчика колебательной скорости, а выходом - к об,мотке якоря, и усилитель мощности, вход которого связан с первым выходом возбудителя колебаний, а выход

0 подключен к возбуждакяцему входу колебательного преобразователя.

Совокупность указанных признаков позволяет сохранить неизменной добротность системы при изменении демп5фирования в широком диапазоне. За счет этого работа плотномера осуществляется при неизменном коэффици енте усиления усилителя (при неизменной велнчине намагниченности стержня). Последнее приводит к увеличению точности измерения плотности и вязкости вязких жидкостей и к расширению измеряемого диапазона. На чертеже представлена схема предложенного плотномера жидкости. Устройство содержит колебательны преобразователь 1 вязкости и плотности, выполненный, например,в виде цилиндра 2 с радиальными лопастя ми 3, закрепленный на свободном конце трубчатого магнитострикционно го стержня с помощью ступицы 5, другой конец которого жестко укреплен в корпусе б,и содержащий тороидальную обмотку возбуждения 7, расположенную внутри стержня 4 и подключенную к источнику постоянного тока, коаксиальную обмотку возбужде ния 8, охватывак)щую стержень 4 и образующую возбуждающий вход колеба тельного преобразователя 1, которая подключена к выходу усилителя мощности 9. Датчик колебательной скорости 10 колебательного преобразователя 1 подключен ко входу возбудителя колебаний 11 с фазовой автоподстройкой, к первому входу из мерителя активной составляющей меха нического импеданса 12 и ко входу усилителя тока 13. Возбудитель 11 содержит последовательно соединенные фазовый детектор 14, первый интегратор 15 и управляемый, генератор 16, выход которого через фазосдвига ющую цепь 17 подключен к опорному входу фазового детектора 14. Вход возбудителя 11 образует сигнальный выход фазового детектора 14, а первый выход - выход управляемого гене ратора 16, который подключен ко вто рому входу измерителя активной составляющей механического импеданса 12и ко входу усилителя мощности 9, второй выход образован выходом первого интегратора 15. Измеритель 12 содержит последовательно соединенные фазочувствительный умножитель 18 и второй интегратор 19. Выход второго интегратора 19 соединен с обмоткой статора 20 обратного преобразователя вязкости, жестко установленной на корпусе 6 с помощью держателя 21. Выход усилителя тока 13подключен к обмотке якоря 22 обратного преобразователя вязкости. Жестко укрепленной на цилиндре 2. Выходы второго 19 и первого 15 ин SferpaTOpa и первый выход возбудитеЯя 11 соединены соответственно с пе SfeiM, вторым и третьим входами блоКй вычисления вязкости и плотности 2 J,. первый и второй выходы которого соединены с регистраторами плотности 24 и вязкости 25 соответственно. Работа плотномера жидкости осуществляется следующим образом. При включении управляемого генератора 16 в колебательной обмотке возбуждения 8 протекает переменный ток, вызывающий появление переменного продольного магнитного потока в стержне 4. Помимо продольного магнитного потока в стержне 4 действует постоянный круговой магнитный поток, создаваемый постоянным током тороидальной обмотки возбуждения 7. В результате взаимодействия кругового и продольного магнитных потоков в стержне 4 создается результирующий геликоидальный магнитный поток, изменяющийся в пространстве и во времени и, как следствие, появляются крутильные колебания колебательного преобразователя 1, соответствующие частоте управляемого генератора 16. При движении 1 олебательного преобразователя .1 в. вязкой жидкости возникает момент сопротивления, пропорциональный активным и диссипативным силам, причем момент сопротивления, вызываемый активными силами, пропорционален присоединенному моменту инерции, а момент сопротивления, вызываемый диссипативными силами, пропорционален присоединенной вязкости , В результате действия контура фазовой .автоподстройки частоты, образованного датчиком колебательной скорости 10, возбудителем 11 и усилителем мощности 9, происходит непрерывная подстройка частоты генератора 16 на резонансную частоту колебательного преобразователя 1, погруженного в жидкость. Управление частотой генератора 16 происходит до тех пор и. пока не совпадут фазы сигнала на выходе датчика 10 и сигнала на выходе генератора 16, сдвинутого на Л/2 в фазосдвигающей цепи 17. При этом сигнал на выходе фазового детектора 14 равен нулю, а постоянная составляющая на выходе интегратора пропорциональна реактивной составляющей механического импеданса. Контур стабилизации амплитуды скорости колебательного преобразователя 1, образованный датчиком колебательной скорости 19, блоком измерения активной составляющей механи ческого импеданса 12, усилителем тока 13 и обратным преобразователем, содержащим обмотку якоря 22 и обмотку статора 20, осуществляет непрерывную стабилизацию амплитуды скорости колебательного преобразователя 1 следующим образом. Сигнал, поступающий на обмотку якоря 22 через усилитель тока 13 от датчика колебательной скорости 10, образует переменное магнитное поле в зазоре обратного преобразователя вязкости. При этом, если амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя 1 равна начальной, т.е. амплитуде скорости колебаний в воздухе, то сигнал на выходе умножителя 18 равен О, сиг нал на выходе второго интегратора 19 также равен нулю, в обмотке 20 статора обратного преобразователя вязкости ток отсутствует и компенсации сил, обусловленных присоединенно вязкостью, не происходит. Если плотность и вязкость изменяются, то изменяются как резонансная частота колебательного преобразователя 1, так и его амплитуда скорости При этом контур фазовой автоподстрой ки частоты подстроит частоту колебательного преобразователя 1. По той же причине появятся сигналы на выходах умножителя 18, второго интегратора 19 и ток в обмотке 20 статора обратного преобразователя вязкости, образующий постоянное магнитное поле в его зазоре, величина которого пропорциональна вязкости жидкости. Причем сигнал постоянного напряжения на выходе интегратора 19- пропорционален активной составляющей механиче кого импеданса и, следовательно, присоединенной вязкости исследуемой жидкости. Взаимодействие переменного магнит ного потока якоря и постоянного магнитного потока статора вызывает появление момента сил, действующих на колебательный преобразователь 1. Изменение тока в обмотке 20 статора обратного преобразователя вязкости происходит до тех пор, пока полностью не скомпенсируются демпфирующие свойства исследуемой жидкости и амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя не станет равной начальной. При этом изменение сигналов на выходах интеграторов 15 и 19 будет соответствовать изменению реактивной и активной составляющих механического импеданса колебательного преобразователя 1. Блок вычисления вязкости и плотности 23 по значениям реактивной и активной составляющих механического импеданса и величине частоты колебаний колебательного преобразователя 1, поступаквдей на третий вход блока 23, вычисляет значения плотности и вязкости жидкости, которые регистрируются регистраторами 24 и 25 соответственно . Испытания устройства показали, что использование предложенного изобретения по сравнению с базовым обеспечивает повышение измерения плотности жидких гомогенных сред от 0,3 до 0,15% с расширением измеряемого диапазона от 700-900 до 650-900 кг/м и повышение измерения вязкости от 0,3 до 0,2% с расширением измеряемого диапазона.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ СРЕД, содержащее колебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе, датчик колебательной скорости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой, включающий последовательно соединенные фазовый детектор,первый интегратор, управляемый генератор и фазосдвигающую цепочку, блок вычисления вязкости и плотности,регистраторы вязкости и плотности, блок измерения активной составляющей механического, импеданса, содержащий последовательно соединенные фазочувствительный умножитель и второй интегратор, при этом выход датчика колебательной скорости связан с выходом возбудителя колебаний и с первым входом блока измерения активной составляющей механического импеданса, выход которого подключен к первому входу блока вычисления вязкости и плотности, второй вход которого связан с вторым входом возбудителя колебаний, а третий вход подключен к первол-гу выходу возбудителя колебаний и ко второму входу блока измерения активной составляющей механического импеданса, а регистраторы вязкости и плотности подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления вязкости и п лотности, С (О отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере(Л ния плотности и вязкости вязких жидкостей и расширения измеряемого диапазона, в. него дополнительно введены обратный преобразователь вязкости, состоящий из якоря с обмоткой и статора с обмоткой, жестко связанных с колебательным преобразователем и корпусом соответственно, усилитель тока, подключенный вхосо to дом к выходу датчика колебательной скорости, а выходом - к обмотке якоря, и усилитель мощности, вход со которого связан с первым выходом возбудителя колебаний, а выход vj подключен к возбуждающему входу колебательного преобразователя.