Устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред Советский патент 1991 года по МПК G01N11/06 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам для измерения физико-химических свойств жидких сред, таких как плотность р , вязкость rj и поверхностное натяжение о, и может найти применение в химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей.

На чертеже изображено устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред.

Внутри измерительного сосуда 1 с контролируемой жидкостью размещены металлические сетки . и 3 В дне сосуда 1 по оси

установлена барботажная трубка 4 в виде цилиндра с отверстием 5 по центру. Барботажная трубка 4, выполняющая также функцию электрического вибратора, соединена с выходом генератора 6 СВЧ и измерителем 7 резонансной частоты.

В стенке измерительного сосуда 7 между дном 8 и сеткой 2 установлена первая приемная петля 9 связи, соединенная через усилитель 10 с входом 11 элемента 12, реализующего операцию Запрет, и с входом блока 13 автоматической подстройки частоты (АПЧ). Выход элемента 12 подключен к входу блока 14 измерения экстремума аналогового сигнала. Выход блока 13 подключен к входу элемента НЕ 15 и входу 16

О

VI о

К)

VI о

элемента 17, реализующего функцию Запрет.

В стенке сосуда 1 между металлическими сетками 2 и 3 установлена вторая приемная петля 18 связи, соединенная с входом дифференциатора 19, выход которого подключен к входам времяизмерительного устройства 20, реле 21 времени и входу 22 триггера 23. Выходы триггера 23 и реле 21 времени подключены к исполнительному механизму 24 клапана 25, установленного на линии подачи контролируемой среды, и входу импульсатора 26. Выход импульсато- ра 26 устройства, предназначенного для сдвига во времени переднего, заднего или обоих фронтов дискретных сигналов, соединен с входом 27 триггера 28. Выход триггера 28 подключен к входу 29 элемента 17, присоединенного своим выходом к входу управления генератора 6 СВЧ,

В. отверстии 5 барботажной трубки 4 включен выход 30 трехходового клапана 31 с исполнительным механизмом 32 и входом усилителя-формирователя 33. Вход 34 клапана 31 соединен с выходом регулятора 35 расхода воздуха, а вход 36 - с атмосферой. К входу исполнительного механизма 32 присоединены вход 37 элемента 12 и выход триггера 38, вход 39 которого соединен с выходом усилителя-формирователя 33. Выход элемента 15 соединен с входом 40 триггера 28 и входом 41 триггера 38.

Объем измерительного сосуда 1, ограниченный металлической сеткой 2, барботажной трубкой 4 и стенками нижней части измерительного сосуда 1, представляет собой тороидальный объемный резонатор. Объем измерительного сосуда 1, ограниченный сетками 2 и 3, образует цилиндрический объемный резонатор. Вход 42 триггера 23 соединен с кнопкой 43 пуска устройства. Центральное отверстие 44 в сетке 2 выполнено излучающим.

Устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред работает следующим образом.

Пуск предложенного устройства осуществляется нажатием кнопки 43 пуска. После чего триггер 23 за счет сигнала . пустившего на вход 42, переводится в состояние с единичным выходным сигналом . Сигнал воздействует на исполнительный механизм 24 клапана 25, который при этом открывается. Контролируемая среда поступает в измерительный сосуд 1. Как только уровень жидкости станет больше уровня, соответствующего месту установки металлической сетки 3, на выходе дифференциатора 19 сформируется импульс, который включит реле времени 21 и переведет

триггер 23 в состояние с нулевым выходом. Через время t2i, устанавливаемое на реле времени, на выходе реле 21 времени появится нулевой сигнал. Клапан 25 срабатывает, прекращая подачу жидкости в измерительный сосуд 1, На этом заканчивается операция пробоотбора и подготовки устройства к измерению.

Генератор 6 СВЧ подключен к барботажной трубке 4, являющейся возбудителем электромагнитного поля в тороидальном объемном резонаторе. Измерительный сосуд 1 заполнен контролируемой жидкостью, имеющей плотность р , поверхностное натяжение 5 и вязкость г), кроме того, магнитная проницаемость жидкости/иа const и ее диэлектрическая проницаемость еа f (p) есть функция плотности.

Резонансная частота fp.top тороидального объемного резонатора определяется формулой

f

р.тор

1

(1)

25

2 7Г Хма Ја

ЬУ

D (a+b)d

где а - радиус измерительного сосуда 1;

b - радиус металлического цилиндра сопла барботажной трубки 4;

d - высота тороидального объемного резонатора;

д - расстояние от верха сопла барботажной трубки 4 до сетки 2.

Радиус гс центрального отверстия 44 в сетке 2 выбирается большим максимального радиуса воздушного пузырька и удовлетворяющим условию гс- 0,1 Ятор , где Агор - длина волны резонатора. В этом случае центральное отверстие 44 является возбуждающим в цилиндрическом резонаторе поле типа Еою с резонансной частотой

t рЕоЮ

(2)

45

Еа 3

Размеры a,b,d и д резонаторов должны удовлетворять

1

у ( a- D ya ( а + b ) д

2,405 а

(3)

В этом случае резонансные частоты обоих резонаторов (тороидального и цилин- дрического) одинаковы. Длина С объемного цилиндрического резонатора выбирается произвольной, так как резонансная частота fpEoio из (2) от С не зависит. Однако для повышения точности при измерении вязкости по времени подъема пузырька газа в камере между металлическими сетками 2 и 3 необходимо выбрать ее значительно больше d.

При отсутствии пузырька газа в жидкости всегда выполняется равенство Fp тор fpEoio- Указанные частоты при этом функционально зависят от Ја жидкости и р .

При отсутствии пузырька газа в измерительном сосуде 1 сигнал, воспринимаемый петлей 9 связи, усиливается на усилителе 10 и поступает на управляемый вход блока 13 автоматической подстройки частоты. Пусть выхода блока 13 не равен нулю, т.е. резонансная частота fp rop.ffr. При этом сигнал на выходе элемента НЕ 15 и поступает на вход 40 триггера 28, переводя его в состояние с выходным сигналом V28-1. Элемент запрет 17 при поступлении на вход 29 сигнала пропускает выходной сигнал с блока 13 автоматической подстройки частоты на вход управления генератора 6 СВЧ. Частота fr при этом изменяется до тех прр, пока не наступит равенство

ff fp.rop fpEoiCb

(4)

По величине резонансной частоты fr, измеряемой измерителем 7, судят о плотности контролируемой жидкости. После того, как наступит равенство (4), сигнал на выходе блока 13 равен нулю, который после прохождения элемента 15 переводит триггер 28 в состояние с нулевым выходом, а триггер 38 - в состояние с единичным выходным сигналом (). Выход блока 13 отключается от входа управления генератора 6. Сигналом соединяется выход усилителя 10 с входом блока 14 измерения минимума аналогового сигнала, кроме того воздействует на исполнительный механизм 32 трехходового клапана 31, соединяя выход регулятора 35 расхода газа и отверстие 5 барботажной трубки 4. На выходе барбо- тажной трубки 4 происходит рост пузырька газа. При росте пузырька газа в пространство между цилиндром барботажной трубки 4 и металлической стекой 2 изменяется резонансная частота fp.rop. Ранее имеющий высокий уровень сигнал с приемной петли 9 связи уменьшается и становится минимальным, когда объем пузырька достигает максимальной величины перед отрывом. При достаточно малом расходе газа объем пузырька Vn пропорционален поверхностному натяжению и обратно пропорционален плотности жидкой среды, т.е.

Vn-K2.

где К - коэффициент пропорциональности, Так как минимальный уровень сигнала на выходе усилителя 10 Vic определяется объемом Vn пузырька, то, измеряя этот ми- 5 нимальный уровень с помощью блока 14 измерения минимума аналогового сигнала, определяют величину поверхностного натяжения ff.

После отрыва пузырька газа давление в

10 канале с отверстием 5 падает, при этом срабатывает усилитель-формирователь 33 и сигналом , поступающим на вход 39 триггера 38, последний занимает положение с нулевым выходным сигналом .

5 При трехходовой клапан 31 отключает источник расхода газа от отверстия 5 и элемент 12 разрывает связь между выходом усилителя 10 и входом блока 14.

После отрыва пузырька газа от барбо0 тажной трубки он выходит из тороидального объемного резонатора через центральное отверстие 44 в сетке 2 и поступает в цилиндрический объемный резонатор. Так как при появлении пузырька газа в цилиндрическом

5 объемном резонаторе он находится в зоне максимального электрического поля структуры Бою его появление приведет к тому, что fr 5й fpEoiOi и сигнал, снимаемый с приемной петли 18 связи, упадет. практически

0 до нуля (). После дифференциатора 19 сигналом, соответствующим моменту скачкообразного изменения Vig, включаются времяизмерительное устройство 20 и реле 21 времени. Процесс измерения в дальнейшем повторяется аналогично ука- . занному.

Таким образом, измеряя резонансную частоту, минимальное значение сигнала после усилителя 10 и время Дг нахождения

0 пузырька газа в цилиндрическом объемном резонаторе, судят, соответственно, о плотности р, поверхностном натяжении аи вязкости т контролируемой жидкой среды. Все измерения осуществляются автоматически

5 с достаточно высокой точностью. Измерительный сосуд для исключения влияния на показания изменения температуры необходимо термостатировать.

Формула изобретения

0 Устройство для измерения физико-химических параметров жидких сред, содержащее времяизмерительное устройство, измерительный сосуд с контролируемой средой, в нижней части которого размещена

5 барботажная трубка, подключенная к первому входу трехходового клапана, второй и третий входы которого соединены соответственно с атмосферой и выходом регулятора расхода газа, при этом первый вход треххо5

дового клапана через усилитель-формирователь подключен к первому входу первого триггера, выход которого соединен с исполнительным механизмом трехходового клапана, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей, оно дополнительно снабжено усилителем, двумя триггерами, первой и второй петлями связи, дифференциатором, генератором СВЧ, блоком автоматической подстройки частоты, первым и вторым элементами ЗАПРЕТ, элементом НЕ, измерителем частоты, блоком измерения экстремума сигнала, первой и второй металлическими сетками, установленными внутри измерительного сосуда, репе времени, импульсатором, кнопкой пуска, клапаном с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи контролируемой среды, при этом выход генератора СВЧ подключен к барботажной трубке и к измерителю частоты, а вход генератора СВЧ подключен к выходу первого элемента ЗАПРЕТ, соединенного первым входом с выходом Слока автоматической подстройки

частоты, вход которого соединен через уси- лигель с первой приемной петлей связи, расположенной между дном измерительного сосуда и первой металлической сеткой, и

выход второго элемента ЗАПРЕТ связан с блоком измерения экстремума сигнала, первый вход второго элемента ЗАПРЕТ присоединен к выходу первого триггера, второй вход которого соединен с выходом элемента

НЕ и первым входом второго триггера, вход элемента НЕ подключен к выходу блока автоматической подстройки, второй вход второго триггера подключен к выходу импульсатора, вход которого соединен с исполнительным механизмом клапана, с выходом третьего триггера и с выходом реле времени, вход которого соединен с первым входом третьего триггера, с входом время- измерительного устройства и с выходом

дифференциатора, к входу которого подключена вторая приемная петля связи, расположенная в измерительном сосуде между первой и второй металлическими сетками, к второму входу третьего триггера подключена кнопка пуска.

Изобретение относится к приборостроению, к устройствам для измерения физико- химических параметров жидких сред, таких как плотность, вязкость и поверхностное натяжение. Цель изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Для этого измерительный сосуд с контролируемой жидкостью разделен на две части установкой внутри двух металлических сеток. При этом образуются два электрически связанных обьемных резонатора. Принцип работы схемы управления основан на использовании резонансных явлений в связанных резонаторах вследствие взаимодействия с жидкостью без пузырьков газа и при его наличии. Положительный эффект от использования изобретения заключается в возможности одновременного измерения вязкости, плотности и поверхностного натяжения жидких сред непосредственно на технологическом оборудовании, повышении быстродействия системы измерения, отсутствии необходимости точного поддержания уровня в измерительном сосуде. 1 ил. (Л С