Устройство для измерения параметров жидких сред Советский патент 1993 года по МПК G01F5/00 

Изобретение относится к устройствам дозирующей и измерительной техники и может быть использовано в качестве средства непрерывного дозирования и измерения реологических и режимных параметров жидких сред (плотности, вязкости, объемных и весовых расходов), подаваемых с постоянным или изменяемым по заданному закону расходом в технологические объекты различных производств химической, нефтяной, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности, а также при проведении научных исследований в указанных областях техники.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет дополнительного измерения вязкости жидких сред.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит насос-дозатор 1, измерительный блок 2, электронную схему 3 обработки сигналов и блок 4 индикации

измеряемых величин. Насос-дозатор 1 содержит насосные головки, состоящие из цилиндров 5 и 6, поршней 7 и 8 и возвратных пружин 9 и 10, толкатели 11 и 12, кулачки 13 и 14 с боковыми разграничительными упорами 15 и 16, переключатели 17 и 18с роликами 19 и 20, приводной вал 21, понижающий редуктор 22, электродвигатель 23. блок 24 переключения насосных головок из режима нагнетания в режим всасывания, и наоборот, бачок 25 с дозируемой жидкостью, блок 26 формирования сигнала объемного расхода жидкости. Блок 24 переключения содержит золотники 27 и 28 с плунжерами 29 и 30, с обеих сторон которых установлены сердечники 31-34 электромагнитов 35-38, входной патрубок 39 устройства, выходной патрубок 40 и соединительные патрубки 41-44, причем, патрубок 41 соединен с входным патрубком 39, патрубок 42 соединен с выходным патрубком 40. патрубок 43 соединен с рабочей полостью цилинсл

с

оо со о

со о

со

дра 6, патрубок 44 соединен с рабочей полостью цилиндра 5. Блок 26 формирования сигнала объемного расхода содержит тахо- генератор 45, переменные резисторы 46 и 47 и транзисторы 48 и 49. Измерительный блок 2 выполнен в виде двух идентичных магнитолевитационных. преобразователей и содержит полые металлические (алюминиевые) поплавки 50 и 51 с магнитными стержнями 52 и 53, помещенные в вертикальные трубки 54 и 55, с наружной части которых установлены соленоиды 56 и 57.и индуктивные катушки 58 и 59, питаемые генераторами 60 и 61 высокой частоты, преобразователи 62 и 63 тока высокой частоты в напряжение постоянного тока, транзисторы 64 и 65, из- мерителы-ше резисторы 66 и 67, входной патрубок 68 измерительного блока 2, соединенный с выходным патрубком 40 блока 24, патрубок 69,-соединяющий трубки 54 и 55 последовательно по потоку жидкости и вы-. ходной патрубок 70 устройства. Электронная, схема 3 содержит первый, второй и третий сумматоры 71, 72, и 73, множительный блок 74, первый и второй делители 75 и 76 и задатчик постоянного напряжения. Блок 4 индикации содержит индикатор 78 динамической вязкости, индикатор 79 кинематической вязкости, индикатор 80 плотности, индикатор 81 весового расхода и индикатор 82 объемного расхода дозируемой жидкости. Насос-дозатор 1 служит для равномерной (без прерываний в момент переключения насосных головок из режима нагнетания в режим всасывания, и наоборот) непрерывной подачи дозируемой жидкости с .постоянным или изменяемым по заданному закону расходом и формирования электрического сигнала, пропорционального объемному расходу жидкости. Измерительный блок 2 служит для формирования электрических сигналов, пропорциональны величинам токов соленоидов 56 и 57, в которых содержится информация о величине объемного .расхода, направлении потока жидкости, величинах ее плотности и динамической вязкости..3л..ектронная схема 3 служит для выполнения арифметических операций с сигналом объемного расхода, поступающим из блока 26 управления и сигналами тока соленоидов 56 и 57, поступающими из измерительного блока 2. Блок 4. индикации регистрирует значения рассчитанных схемой 3 параметров потока дозируемой жидкости.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии бачок 25, рабочие полости цилиндров 5 и 6 и золотников

27 и 28, патрубки 39-44, 68-70 и трубки 54 и 55 заполнены дозируемой жидкостью. Двигатель 23 не вращается. Пусть при этом вал 21 находится в угловом положении, при

. котором ролик 19 под действием упора 15 удерживает переключатель 17 в положении, при котором замкнута цепь электромагнита 37 и разомкнута цепь электромагнита 38, о результате чего плунжер 30 золотника 28

занимает левое (на чертеже) положение, при котором патрубок 44 через патрубок 42 соединен с выходным патрубком 40; ролик 20 под действием упора 16 удерживает переключатель 18 в положении, при котором

5 замкнута цепь электромагнита 35 и разомкнута цепь электромагнита 36, в результате чего плунжер 29 золотника 27 занимает левое (на чертеже) положение, при котором патрубок 43 через патрубок 42 соединен с

0 выходным патрубком 40; входной патрубок 39 отсечен от рабочих полостей устройства плунжерами 29 и 30 золотников 27 и 28; толкатель 11 контактируете рабочей поверхностью кулачка 13 на границе начала фазы

5 увеличения скорости прямого ходу поршня 7; толкатель 12 контактируете рабочей поверхностью кулачка 14 на границе начала фазы уменьшения скорости прямого хода поршня 8. Включение устройства в работу осуще0 ствляется подачей напряжения питания в якорную цепь двигателя 23, вал второго через редуктор 22 передает вращение приводному валу 21 с кулачками 13 и 14. При этом начинается фаза равноускоренного

5 прямого хода поршня 7 и равнозамедленно- го прямого хода поршня 8, обеспечивающие режим нагнетания жидкости, которая из рабочей полости цилиндра 6 через патрубок 43, золотник 27, патрубок 42 поступает в

0 выходной патрубок 40 блока 24. В виду того, что поршень 7 находится в режиме равноускоренного разгона, а поршень 8-равноза- медленного торможения, причем с одинаковым по абсолютной величине уско5 рением, дозируемая жидкость поступающая одновременно из двух цилиндров 5 и 6, нагнетается в выходной патрубок 40 с постоянной суммарной скоростью подачи.

Далее жидкость, проходя через патру0 бок 68, трубку 54, патрубок 69, трубку 55 и выходной патрубок 70, поступает к потребителю (в технологическую установку). По окончанию прямого хода поршня 8, а именно, в момент изменения направления дви5 жения поршня 8 с прямого хода на обратный, ролик.20 переводит переключатель 18 в положение, при котором размыкается цепь электромагнита 35 и замыкается цепь электромагнита 36, и плунжер 29 золотника 27 под действием сердечника 33

смещается в правое положение; при котором патрубок 43 отсекается от выходного патрубка 40 и соединяется с входным патрубком 39, открывая доступ жидкости из бачка 25 через патрубки 39 4Т, золотник 27, патрубок 43 в рабочую полость цилиндра 6 и осуществляя тем самым режим всасывания обратным ходом поршня 8. Этим начинается фаза равномерного прямого хода поршня 7, при котором жидкость теперь уже только из рабочей полости цилиндра 5 через патрубок 44, золотник 28, патрубок 42 поступает в выходной патрубок 40 с той же постоянной скоростью подачи. Обратный ход поршня 8 совершается быстрее прямого хода поршня 7. По окончанию обратного хода поршня 8, а именно, в момент изменения направления движения поршня 8 с обратного хода на прямой, ролик 20, переводит переключатель 18 в прежнее положение, при котором размыкается цепь электромагнита 36 и замыкается цепь электромагнита 35, и плунжер 29 золотника 27 под действием сердечника 34 вновь возвращается в левое положение, при котором патрубок 43 отсекается от входного патрубка 39 и соединяется с выходным патрубком 40, открывая доступ жидкости из рабочей полости цилиндра 6 через патрубок 43, золотник 27, патрубок 42 в выходной патрубок 40 и осуществляя режим нагнетания прямым ходов поршня 8. Этим начинается фаза равноускоренного прямого хода поршня 8 и равнозамедленно- го прямого хода поршня 7 с равными ускорениями, в результате чего дозируемая жидкость продолжает поступать в выходной патрубок 40 уже одновременно из рабочих полостей обоих цилиндров 5 и 6 с прежней постоянной скоростью подачи. По окончанию прямого хода поршня 7 и началу его обратного хода ролик 19 переводит переключатель 17 в положение, при котором раз- мыкается цепь электромагнита 37 и замыкается цепь электромагнита 38, и плунжер 30 золотника 29 под действием сердечника 32 смещается в правое положение, при котором патрубок 44 отсекается от входного патрубка 40 и соединяется с входным патрубком 39, открывая доступ жидкости из бачка 25 через патрубки 39 и 41, золотник 29, патрубок 44 в рабочую полость цилиндра 5 и осуществляя режим всасывания обратным ходом поршня 7. Этим начинается фаза равномерного прямого хода поршня 8, при котором жидкость теперь уже только из рабочей полости цилиндра 6 через патрубок 43, золотник 27. патрубок 42 поступает в выходной патрубок 40 с прежней скоростью подачи. Обратный ход поршня 7 совершается быстрее прямого хода поршня 8. В момент изменения направления движения поршня 7 с обратного хода на прямой ролик 19 переводит переключатель 17 в прежнее положение, при котором размыкается цепь 5 электромагнита 38 и замыкается цепь электромагнита 37, и плунжер 30 золотника 29 под действием сердечника 31 вновь вращается в левое положение, при котором патрубок 44 отсекается от входного патрубка 39 и 0 соединяется с выходным патрубком 40, открывая доступ жидкости из рабочей полости цилиндра 5 через патрубок 44, золотника 28, патрубок 42 в выходной патрубок 40 и осуществляя режим нагнетания прямым ходом

5 поршня 7. Этим начинается фаза равноускоренного прямого хода поршня 7 и равноза- медленного прямого хода поршня 8, в результате чего дозируемая жидкость продолжает поступать в выходной патрубок 40,

0 одновременно из рабочих областей обоих цилиндров 5 и 6 с прежней постоянной скоростью подачи. В дальнейшем цикл смены прямого и обратного ходов поршней 7 и 8 повторяется аналогичным образом. Необходимая последовательность и режим движения поршней 7 и 8 задается профилями рабочих поверхностей кулачков 13 и 14, а также их угловым положением относительно друг друга и оси вала 21. В результате

0 этого насос-дозатор обеспечивает строго равномерную непрерывную подачу дозируемой жидкости в выходной патрубок 40. Установка заданного значения и стабилизация скорости вращения двигателя

5 23, а также формирование сигнала объемного расхода дозируемой жидкости осуществляется с помощью блока 26, схема которого выполнена в виде замкнутой системы автоматического регулирования скорости вра0 щения двигателя 23. Контроль скорости вращения вала двигателя 23 осуществляется тахогенератором 45, питающим цепь резистора 46, подключенного к базовой цепи транзистора 48, выполняющего совместно с

5 резистором 47 роль усилителя напряжения,

пропорционального фактической скорости

вращения двигателя 23. В результате, на

коллекторе транзистора 48 формируется уп. равляющее напряжение, приложенное к ба0 зе мощного транзистора 49, в коллекторную цепь которого подключена якорная обмотка двигателя 23. Данная схема стабилизирует значение скорости вращения в широком диапазоне изменения нагрузки на валу двига5 теля, Установка заданного значения скорости вращения осуществляется изменением положения ползунка резистора 46. Связав положение ползунка резистора 46 с каким-либо задающим устройством, можно изменять расход дозируемой жидкости в соответствии с заданной программой. Напряжение с оыхода тахогенератора 45, пропорциональное объемному расходу жидкости, подается на первый эход первого делителя 75, второй вход множительного блока 74 и вход индикатора 82 объемного расхода. Величина этого напряжения определяется по формуле

U0 Кт Q,

(1)

где

Кт .

RH-RI 2V

(2)

R - сопротивление потенциометра

47, Ом;

RI - внутреннее сопротивление тахоге- нератора 45, Ом;

С) - коэффициент пропорциональности тахогенератора 45, В/с;

Кр -- передаточное число редуктора 22;

V - рабочий объем цилиндра 5 и В, м .

Жидкость из выходного патрубка 40 через патрубок 68 поступает в измерительный блок 2, где оказывает воздействие на поплавки 50 и 51, магнитные стержни 52 и 53 которых взаимодействуют с магнитными полями соленоидов 56 и 57, токи которых регулируются автоматически с помощью высокочастотных индуктивных катушек 58 и 59 и преобразователей 62 и 63, управляющих токами мощных транзисторов 64 и 65; в коллекторную цепь которых подключены обмотки соленоидов 56 и 57. 8 результате этого в каждом соленоиде устанавливается ток, величина которого пропорциональна результирующей внешней силе, действующей на.поплавки 50 и 51 со стороны жидкости. Поплавки 50 и 51 помещены в вертикальные трубки 54 и 55, соединенные патрубком 69 последовательно по потоку жидкости так, что один поплавок 50 находится в восходящем, а другой поплавок 51 - а нисходящем потоке, При неподвижной жидкости токи И и la соленоидов 56 и 57 одинаковы и пропорциональны весу G поплавков 50 и 51 и плотности р жидкости. В движущемся потоке поплавок 50 в трубке 54 восходящего потока, испытывая гидродинамическую сипу, направленную вверх, как бы облегчается и поэтому несколько смещается вверх, а поплавок 51 в трубке нисходящего потока, испытывай гидродинамическую силу, направленную вниз, как бы утяжеляется -и поэтому смещается несколько вниз. В результате этого ток И одного соленоида 56

уменьшается, а ток 2 другого соленоида 57 - увеличивается. Напряжения Ui и . формируемые измерительными резисторами 66 и 67 в зависимости от величины токов И и г

соленоидов 56 и 57 и содержащие в себе информацию о значении расхода, плотности и вязкости жидкости, подаются соответственно Ui - на второй вход первого сумматора 71 и инвертированный вход третьего сумматора 73, a U2 - на первые входы первого и третьего сумматоров 71 и 73. Величины этих напряжений определяются из уравнений равновесия сил, действующих на левитирующие поплавки в установившемся потоке

контролируемой жидкости. Для поплавка 50 восходящего потока уравнение равновесия имеет вид

20

G-A-F Kcii

(3)

Для поплавка 51 нисходящего потока уравнение равновесия сил имеет вид

25

G - А + F Кс 12.

(4)

где G - масса поплавка Н; А - выталкивающая сила жидкости, Н;

F - сила гидродинамического напора жидкости, Н;

Кс - коэффициент силового взаимодействия магнитных стержней 52 и 53 с соленоидами 56 и 57, Н/А; И и г - токи соленоидов 56 и 57, А.

Выталкивающая сила А зависит от плотности жидкости и определяется из выражения:

А р g Vn,

(5)

гдер - плотность жидкости, кг/м , g 9,81 м/с ; Vn - объем поплавка, м . Сила гидродинамического напора зависит от вязкости и объемного расхода жидкости и для малых расходов определяется по формуле:

F K /и Q,

(6)

где (л - динамическая вязкость жидкости, Па/с;

Q - объемный расход, м3/с; к - коэффициент, зависящий от размеров поплавка, диаметра трубки и величины эксцентриситета поплавка относительно оси трубки, .

Максимальный эксцентриситет создается при касании наружной образующей цилиндра поплавка с внутренней стенкой трубки. При этом коэффициент К рассчитывается по формуле

8L

D2(n+3)(n-1)3

независящее от вязкости жидкости. В результате выполнения операции деления, на выходе первого делителя 75 формируется напряжение

Изобретение может быть использовано в дозирующей и измерительной технике. Сущность изобретения: два магнитолевита- ционных преобразователя прямого и обратного направления движения жидкости в них соединены последовательно с рабочими органами поршневого типа, сопряженными с профилированными кулачками, установленными на приводном валу с угловым смещением 180° и имеющими участки увеличения, поддержания постоянной и уменьшения скорости движения рабочих органов в тактах нагнетания и всасывания, а выходы схемы обработки соединены с измерителями динамической и кинематической вязкости, плотности, весового и обьемного расхода жидкости. 1 ил.

где I - высота поплавка, м;

b - радиус поплавка, м;

п а/Ь - коэффициент кольцевого зазора;

а - внутренний радиус трубки, м.

При максимальном эксцентриситете чувствительность устройства к изменению объемного расхода снижается примерно в 4 раза по сравнению с нулевым эксцентриситетом, т.е. с соосным расположением поплавка и трубки. Однако стабильность величины К при максимальном эксцентриситете существенно выше, так как сила трения поплавка при касании стенки трубки ничтожно мала по сравнению с другими силами, а форма сечения зазора сохраняется при этом стабильной. В связи с тем необходимость в электромагнитном центрировании отпадает, что в свою очередь упрощает конструкцию устройства и повышает точность измерения расхода.

Решая уравнения (3) и (4) относительно сил F и А, получим:

F f4l2-ll)

(8)

A G-(i2 + h)

(9)

Выразим токи 2 и И, через напряжения U2 и Ui, формируемые на измерительных резисторах Ru 66 и 65 и преобразуем эти уравнения с учетом формул (5) и (6) в следующий вид

U2 - Ui 2K-R. Кс

u2 + Ui - (G -p-g- vn)

Уравнения (1), (10) и (11) положены в основу построения электронной схемы 3.

Электронная схема 3 работает следующим образом.

Сигналы Ui и IJ2 с выхода измерительного блока 2 поступают на входы первого и третьего сумматоров 71 и 73. Напряжение Уз - Ki (U2 - Ui) с выхода третьего сумматора 73, пропорциональное произведению /и Q поступает на второй вход первого делителя 75. на первый вход которого с выхода тахо- генератора 45 поступает напряжение UQ, пропорциональное объемному расходу Q и

U4 - К2 U3/UQ

2K-Ru-Kc Кс-Кт

(12)

(см. ф-лы (10) и (1)), пропорциональное динамической вязкости fi и независящее от величины объемного расхода Q. Напряжение поступает на вход индикатора 78 и на первый вход второго делителя 76.

Напряжение Us Кз (U2 + Ui) с выхода первого сумматора 71 поступает на инвертированный вход второго сумматора 72, на прямой вход которого с выхода задатчика 77 постоянного напряжения поступает напряжение Ue, пропорциональное весу G поплавка:

Ue:

2Ри-Кз Кс

(13)

25

В результате выполнения операции вычитания, на выходе второго сумматора 72 формируется напряжение

Ui

2Ru K3-g-Vn л

Е

(14)

(см. ф-лы (11) и (7)). пропорциональное плотности жидкости, которое поступает на вход индикатора 80, на второй вход второго делителя 76 и на первый вход множительного блока 74. После выполнения операции деления, на выходе второго делителя 76 формируется напряжение

40

U8 K4-U4/U

К-Ка-К Ј Кз-дЛЈ

(15)

45

в

50

(см. ф-лы (12) и (14)). пропорциональное кинематической вязкости v , которое поступает на вход индикатора 79.

На второй вход множительного блока 74 поступает напряжение UQ. В результате выполнения операции умножения на выходе блока 74 формируется напряжение

U9 KsU7UQ

2Ra-K3-g-Vn-K6-KT лп Кср

(16)

(см. ф-лы (1) и (14)), пропорциональные весовому расходу W , которое поступает на вход индикатора 81. Напряжение UQ с выхода тахогенератора 45, пропорциональное объемному расходу дозируемой жидкости поступает на вход индикатора 82. Значения

коэффициентов Ki -Kg преобразования электронной схемы 3 выбирают исходя из необходимой чувствительности измерения, задаваясь в соответствии с технологическими требованиями интервалами изменения измеряемых (м , /эй Q) и отсчитываемых (Uo, Ui и Ite) величин. Применение предлагаемого устройства повышает по сравнению с прототипом информативность процесса дозирования жидкостей, что позволяет использовать его в качестве универсального средства как в измерительной технике для контроля комплекса реологических и режимных параметров жидкости, так и в дозирующей технике для регулирования производительности непрерывной подачи. Предполагаемое изобретение является многофункциональным устройством и заменяет собой несколько индивидуальных по выполняемым функциям устройств: дозатор, расходомер, плотномер, и вискозиметр, что несомненно является залогом его хороших потребительских качеств.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я

Устройство для измерения параметров жидких сред, содержащее входной патрубок, соединенный с П-образным трубопроводом, на вертикальных участках которого установлены первый и второй магнитолеви- тационные преобразователи с выходами, соединенными с электронной схемой обработки, включающей первый с прямыми первым и вторым входами сумматор, выход которого соединен с инвертированным входом второго сумматора, выход которого соединен с входом измерителя плотности, третий сумматор, прямой вход которого соединен с первым входом первого сумматора, а инвертированный вход -с вторым входом первого сумматора, множительный блок, первый вход которого соединен с входом измерителя плотности, второй вход - с входом измерителя объемного расхода, а выход - с измерителем весового расхода, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем дополнительного измерения вязкости жидких сред, в него введены насос-дозатор, регулируемый электродвигатель с тахогенератором. измеритель динамической вязкости, измеритель кинематической вязкости и первый и второй делители, при этом, насос включает в себя корпус, в котором с образованием насосных камер установлены рабочие органы поршневого типа

возвратно-поступательного движения, сопряженные с профилированными кулачками, установленными на связанном через понижающий редуктор с регулируемым электродвигателем приводном валу с угловым смещением один относительно другого на 180° и имеющими каждый несколько сопрягающихся участков рабочей поверхности переменного радиуса, соответствующих фазам увеличения, поддержания постоянной

и уменьшения скорости движения рабочих органов в тактах нагнетания и всасывания, и распределительные органы, выполненные в виде блока электроуправляемых золотников с общим выходным патрубком и снабженные электромагнитами и системой управления электромагнитами, содержащей переключатели электропитания, а кулачки снабжены расположенными на боковых поверхностях на границах раздела участков

рабочей поверхности упорами, взаимодействующими с переключателями, выход тахогене- ратора соединен с первым входом первого делителя, выход которого соединен с входом измерителя Динамической вязкости и первым входом второго делителя, выход которого соединен с входом измерителя кинематической вязкости, выходной патрубок блока золотников соединен с входным патрубком П-образного трубопровода, выходы первого и второго магнитолевитацион- ных преобразователей. соединены, соответственно, с прямым и инвертированным входами третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого

делителя, выход тахогенератора соединен с входом измерителя объемного расхода, а вход измерителя плотности соединен с вторым входом второго делителя.