Плотномер Советский патент 1985 года по МПК G01N9/00 

11 Изобретение относится к океанографическим измерениям и может быть использовано для определения профиля плотности морской воды вблизи границы раздела море-атмосфера в условиях морского волнения. Кроме того, оно применимо для измерения профиля плотности в устройствах технологического контроля плотности различных жидкостей. Известен плотномер, содержащий вибрирующий чувствительный элемент возбуждающие и приемные 1 атушки, оси которых лежат в плоскости, перпендикулярной чувствительному элементу, расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического резонатора. Цилиндр совершает радиаль ные колебания на резонансной частоте, которые возбуждаются и поддерживаются цепью положительной обратной связи, состоящей из приемника и иозбуждак) катушки, соединенной со входом усилителя m. Достоинством данного плотномера является высокая точность и надежность, непосредственное преобразов ние измеряемой плотности в частный выходной сигнал, возможность применения при высоких давлениях для широкой номенклатуры контролируемых сред. Однако известный плотномер не м жет быть применен для измерения на границе раздела двух сред. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является плотномер, содержащий чувствитель- ный элемент в виде струны из ферромагнитного материала и закрепленной параллельно ей струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствител ного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивления - частота, вхо которого соединен с чуйствительным элементом, а выход - со входами регистратора и смесителя, второй вход смесителя соединен со вторым входом предварительного усилителя, выход смесителя подключен ко втором входу регистратора. Вблизи вибрирующей струны установлены три индуктивные катушки, подключенные через сумматор к предварительному усилителю Ff , Достоинством данного плотномера является относительно высокая точность, чувствительность, надежность, возможность измерения профиля плотности воды вблизи границы раздела вода - воздух в условиях морского волнения. К недостаткам данного устройства относят наличие погрешностей, связанных, во-первых, с тем, что высота волны резистивным и вибрирующим чувствительными элементами определяется в разных точках взволнованной поверхности, поскольку эти элементы находятся на некотором расстоянии друг от друга, во-вторьк, с наличием паразитной вибрации корпуса, вызванной ударами о него волны, в третьих, с наличием электромагнитных наводок в блоке приемных катушек от возбуждающей катушки. Кроме того, наличие двух струн и трех приемных индуктивных катушек усложняет устройство. Цель изобретения - снижение погрешности измерения и упрощение устройства. Поставленная цель достигается тем, что в плотномере, содержащем чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивление-частота, вход которого соединен с чувствительным элементом, а выходсо входами регистратора и смесителя, второй вход смесителя соединен со вторым выходом предварительного усилителя, вход смесителя подключен . ко второму входу регистратора, на чувствительном элементе в месте расположения возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала, верхний конец чувствительного элемента прикреплен к упругой пластине из диэлектрического материала, механически соединенной с пьезоэлементом, причем в устройство дополнительно введен фильтр низких

частот, вход которого подключен к выходу пьезоэлемента, а выход - ко входу предварительного усилителя.

Выполнение резистивного .чувствительного элемента с ферромагнитным телом, закрепленным в месте расположения, возбуждающей катушки, позволяет использовать его в качестве вибрирующего чувствительного элемента. Прикрепление к нему пьезоэлемента (через упругую крепежную диэлектрическзто пластину) и включение пьезоэлемента на вход предварительного усилителя (через фильтр низких. . частот) обеспечивает возможность измерения плотности исследуемой среды по схеме, аналогичной прототипу, но с одним и тем же чувствительным элементом. Использование одного чувствительного элемента вместо двух обусловливает упрощение устройства и исключение погрешности измерения, вызываемой тем, что струны- в прототипе погружены в воду на разную высоту.

Введение в устройство пьезоэлемента, механически соединено с чувствительным элементом, позволяет осуществлять съем сигналов с резистивной струны, при этом упростить устройство и исключить погрешности измерения, вызываемые в прототипе взаимным влиянием возбуждающей и приемных катушек.

Наличие упругой диэлектрической пластины между чувствителы Ы.м элементом и пьезоэлементом создает возможность укрепить верхний конец чувствительного элемента и передать механические колебания чувствительного элемента на пьезоэлемент с ми.нимальными искажениями.

Введение в плотномер фильтра низких частот между выходом пьезоэлемента и входом предварительного усилителя позволяет выделить основн то гармонику колебаний чувствительного элемента, исклю-чив искажения, вносимые упругой диэлектрической пластиной, и тем самым снизить погрешность измерения.

. г

На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов вьтолнения предложенного плотномера; на фиг. 2 структурная схема плотномера; на фиг. 3 - чувствительные элементы прототипа, погруженные во взволнованную жидкость.

Плотномер содержит (фиг. 1) корпус 1 Б виде отрезка трубы, герметич но закрытого накидными гайками 2, Корпус заполнен демпфирующе жидкостью. На верхнем и нижнем концах корпуса и между ними закреплены втулки 3. К средней втулке жестко прикреплена возбуж ающая катушка А, а к верхней и нижней втулкам прикреплены кронштейны 5. На нижнем кронштейне имеется диэлектрическая деталь 6 с отверстием, в котором яа креплен нижний конец чувствительного элемента 7 с помощью болта 8. На верхнем кронштейне 5 в стакане 9 жестко закреплена упругая пластина 10, в отверстии которой закреплен верхний конец чувствительного элемента 7, на наружной стороне пластины 10 приклеен пьезоэлемент 11. Упругая пластина 10 выполнена из диэлектрика

Чувствительный элемент 7 представляет собой струну из высокоомного материала, расположенную вблизи возбуждающей катушки 4 так, что она перпендикулярна оси возбуждающей катушки 4. В месте пересечения чувствительного элемента (струны 7) осью возбуждающей катушки 4 на чувстЕите-пьном элементе 7 закреплено ферромагнитное тело 12, например, в виде шарика.

Для уменьшения вредных вибраций и ослабления натяжения чувствительного элемента 7 между втулками 3 и корпусом 1 выполнены резиновые кольца 13, которые уплотнены прижимными крьииками 14 посредством винтов.

Плотномер содержит (фиг. 2) фильт низких частот 15, предварительный усилитель 16, смеситель 17, амплитудный селектор 18, усилитель мощности 19. преобразователь сопротивлениечас гота 20, регистратор 21. Ко входу флтльтуа низких частот подсоединен ннход пьезоэлемеггта 11. Выход фильтра 15 подключен к соединенным последовательно предварителыюьгу усилителю 16, амплитудному селектору 18, yci-шителю мощности 19. Выход усилителя мощности 19 подсоед1П ен к катушке возбу;вдеяия 4. Ко входу преобразователя сопротивление - частота 20 подключен верхний конец чувствительного элемента 7, а выходы преобразователя 20 подключены ко входам г.ме- . сителя 17 и регистратора 21. Ко второму входу смесителя 17 подсоединен

второй выход предварительного усилителя 16, а выход смесителя 17 подсоединен ко второму входу регистратора 21.

Механическая часть чувствительного элемента 7 с пьезоэлементом 11 (через упругую пластину 10) и связь чувствительного элемента 7 с возбуждающей катушкой 4 через электромагнитное поле возбуждающей катушки показана на фиг. 2 прерывистыми линиями „

Плотномер устанавливают, на поверхности исследуемой жидкости так, чтобы чувствительный элемент 7 занимал вертикальное положение.

Плотномер работает следующим образом.

При подаче питания на измерительную схему плотномера срабатывает возбуждающая катушка 4, которая, воздействуя на ферромагнитное тело (шарик 11), притягивает чувствительный элемент 7. Питание катушки 4 отключается, но чувствительный элемент (струна 7) совершает колебания которые передаются через упругую диэлектрическую пластину 10 пьезоэлементу 11. Пьезоэлемент 11 преобразовывает механические колебания чувствительного элемента 7 и пластины 10 в электрих1еские сигналы, которые передаются на фильтр низких частот 15„ Фильтр 15 отрезает-высокочастотную составляющую сигнала и передает его на предварительный усилитель 16 После усиления сигнал поступает на первый вход смесителя 17 и на вход амплитудного селектора 18.

Собственная частота колебаний чувствительного элемента 7 в воздухе определяется по формуле

(1)

гдеВ - длина чувствительного элемента (струны);

Т сила натяжения чувствительного элемента (струны);

Ро линейная плотность материала чувствительного элемента (струны),

Собственную частоту малых колебаний чуствительного элемента, (струны) полностью погруженного в- жидкость, можно рассчитать -по формуле

f - 2(2)

4 . I-t„ r-, ri и j f

- a AjVei po

где p - плотность жидкости;

R - площадь продольного разреза чувствительного элемента (струны) (миделево сечение);

С положительный коэффициент, зависящий от свойств жидкости;

Едлина чувствительного элемента (струны).

0 В формуле (2) первое слагаемое под корнем определяет собственную частоту колебаний чувствительного элемента (струны) в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую влияние сопротивления жидкости на собственную частоту колебаний чувствительного элемента (струны) . Причем, как видно из формулы (2), эта поправка всегда отрицательна, т.е. при полном погружении чувствительного элемента (струны) в жидкость ее собственная частота уменьшается ( ).

Если чувствительный элемент (струну) поместить на границе раздела

жидкость - воздух так, что часть его находится в воздухе, и периодически возбуждать собственные колебания, то частота колебаний определяется 0 каждый момент времени плотностью жидкости и высотой волны 2j. Пог , скольку чувствительный элемент (вибрирующая стгруна) изготовлена из высокоомного провода, то волна, щунтиC РУЯ часть его, изменяет омическое сопротивление чувствительного элемента по закону изменения высоты волны, и по изменению этого сопротивления можно определять высоQ ту волны.

Если из высоты волны, полученной по изменению собственной частоты колебаний, которая также зависит и от плотности жидкости, вычесть высоту 5 волны, полученную по изменению омического сопротивления, которая от плотности не зависит, то получим

значение плотности жидкости.

Таким образом, возгшкновение колебания чувствительного элемента (струны 7) вследствие присутствия воды являются затухающими. Как только амплитуда колебаний чувствительного элемента (струны), преобразованная пьезоэлементом 11 в электрический сигнал, станет равной порогу чувствительности амплитудного селектора 18J через фильтр 15 и пред-

7

варительный усилитель 16 срабатывает амплитудный селектор 18. Сигнал с амплитудного селектора 18 поступает на усилитель мощности 19 и далее на возбуждающую катушку 4, Процесс повторяется, т.е. после действия каждого очередного импульса амплитуда колебаний чувствительного элемента (струны) возрастает, а затем постепенно затухает, срабатывает амплитудный селектор 18 и т.д.

Сигнал, пропорциональный высоте волны и определяемьй омическим сопро тивлением части резистивной струны, загаунтированной жидкостью, поступает на вход преобразователя сопротивление - частота 20 и далее на смеситель 1 7. Одновременно из смесителя 17 поступает сигнал с. вьпсода предварительного усилителя 16. Результирующий сигнал, длительность импульса которого пропорциональна плотности морской воды, с выхода смесителя 17 поступает на регистратор (частотомер) 21, где одновременно регистрируется частота с выхода преобразователя сопротивление - частота 20, несущая информацию о высоте морской волны.

Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со сме сителя 17 на регистратор 21, пропорциональна только плотности морской волны, поскольку в смесителе 17 происходит вычитание сигналов двух частот: сигнала с выхода предварительного усилителя 16 (частота которого зависит как от высоты волны, так и от плотности морской воды) и сигнала с выхода преобразователя 20 (частота которого зависит от высоты волны).

По сравнению с прототипом точность измерений в предлагаемом плотномере повышается вследствие з амены двух струн одной струной.

Кроме того, точность увеличивается за счет устранения погрешностей.

0018

связанных с наличием вибрации корпуса, электромагнитных наводок в блоке приемньк , а также исключения высших гармоник в спектре колебаний струны и упругой пластины,

Резистивный чувствительный элемент обеспечивает измерение высоты морской волны с погрешностью i1 мм. Однако в прототипе pz при измерении

высоты волны возникает методическая погрешность, связанная с тем, что вибрационный и резистивный чувствительньй элементы находятся на неко тором расстоянии d друг от друга

(фиг. 3). Из фиг. 3 видно, что

i Xsr+dvCgotj

где дХ - разность глубин погружения двух струп в морскую воду;

d - расстояние между струнами (резистивным и вибрирующим чувствительными элементами) ; tgci- крутизна MopcKofi волны.

При реальном морском волнении

крутизна волны может доходить до величины и потому uXRtd. Для уменьшения этой погрешности желательно выбирать d как можно меньше. Однако, как показывает опыт работы с плотномером 2 , минимальное значение d равно 3 мм, так как амплитуда вибрирующей струны равна 2 мм и зазор между вибрирующей и резистивной струнами должен быть не менее 1 мм. Таким образом, i мм, в результате чего возрастает погрешность собственно резистивного чувствительного элемента. В предлагаемом приборе эта

методическая погрешность отсутствует, В предлагаемом плотномере погрешность определения профиля плотности жидкости на границе раздела не превышает 0525%, следовательно измерение

профхшя гшотности жидкости на границе раздела предлагаемым устройством повышает точность в два раза по сравKenHJo с базовым устройством.

Фие. I

ПЛОТНОМЕР, содержащий чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке. преобразователь сопротивление - частота, вход которого соединен с чувствительным элементом, а выход - с входами регистратора и смесителя, второй вход смесителя соединен с вторым выходом предварительного усилителя, выход смесителя подключен к второму входу регистратора, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений и упроще1и1я конструкции устройства, на чувствительном элементе в месте. расположения возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала, верхний конец чувствительнего элемента прикреплен к упругой пластине .из диэлектрического матери(Л ала, механически соединенной с пье3O3J:eMeHTOM, причем дополнительно введен фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу пьезоэлемента, а выход - к входу предва аш рительного усилителя. liiMk