Плотномер Советский патент 1978 года по МПК G01N9/00 

Изобретение относится к приборам д;1я измерения плотности жидкостей и газов. Известен вибрационный плотномер ij, позволяющий измерять плотность потока жидкости или газа при больших давлениях в трубопроводах. Плотномер состоит из электромеханического вибродатчика и устрО ства возбуждения. Однако известный плотномер не обеспечивает достаточной точности измерений. Известен плотномер 2, содержащий корпус, внутри которого установлен пустотелый чувствительный элемент, контактирующий с контролируемой средой, приспособление для возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента и вторнчнь1Й прибор. Известное устройство также не обеспечивает достаточной точности измерений. Целью изобретения является повыщение точности измерений. Это достигается тем, что в предлагаемом плотномере чувствительный элемент установлен с зазором по отношению к виутреяним стенкам корпуса так, что контролируемая среда омывает внутреннюю и наружную его поверхности, а приспособление для возбуждения н M3NfepeHHH колебаний чувствительного элемента-отделены от контролируемой среды. При этом концы чувствительного элемента снабжены фланцами, укрепленными в корпусе. Фланцы имеют отверстия для прохождения контролируемой среды, омыва.ющей наружную поверхность чувствительного элемента. Приспособление для возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента выполнены в пнде электромагнитных катушек, ispH этом корпус выполнен из немагнитного материала, а чувствительный элемент из магнитного материала. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого плотномера, вид сбоку, с частичным вырезом; на фиг. 2 - то же, вид с торца; на фиг. 3 показан, сердечник, используемый и в некоторых конструкциях предлагаемого прибора; на фнг. 4 показан прибор, аналогичный прибору на фиг. 1, но несколько модифицированный и вмонтированный в колено трубопровода подачи текучей среды. На фиг. i н 2 показан прибор для измерения плотности текучей среды, который включает жесткий пустотелый цилиндрический корпус 1, на концах которого выполнена резьба 2 д.И соединения с трубопроводом или в каком-либо другом месте установки прибора, где требуется производить измерение плотности среды. Внутри корпуса 1 размещен тонкостенный полый цилиндр 3, в поперечнике которого - кольцо. По концам цилиндра 3 имеются фланцы, которые придают этой детали форму гантели. Жесткий корпус 1 изготавливают из немагнитного материала, например из алюминия или нержавеющей стали, а цилиндр 3 (чувствительный элемент) делают из магнитного материала, дающего при изменении температуры только незначительные изменения собственной частоты.

Из конструкции видно, что чувствительный элемент 3 укреплен внутри жесткого корпуса 1 с помощью стопорны.х колец 4, между которыми расположен фильтр 5. Указанная конструкция позволяет легко вынимать чувствительный элемент 3 из корпуса 1. На фиг. 2 отчетливо показано, что фланцы 6 имеют форму усеченного с двух сторон круга.

Для обеспечения правильного расположения одного относительно другого чувствительного элемента 3 и жесткого корпуса 1, корпус 1 снабжен установочным штифтом, а в чувствительном элементе 3 выполнено отверстие для щтифта. Такое соединение позволяет неоднократно удалять чувствительный элемент 3 с целью, например, очистки его и установки снова на место в корпусе 1 без какой-либо последующей регулировки деталей прибора.

При работе прибора один конец корпуса 1 находится под воздействием текучей среды, причем эта среда поступает внутрь чувствительного элемента 3. Кроме того, благодаря указанной конфигурации фланцев 6, представляющих собою срезанные с двух противоположных сторон круги, среда обтекает поверхность чувствительного элемента 3 внутри корпуса 1. Таким образом, давление текучей среды на тонкие цилиндрические стенки чувствительного элемента 3 будет равномерным.

При желании иметь фланцы 6 в виде круга, для обеспечения циркулирования среды вне чувствительного элемента 3 во фланцах делаются -отверстия 7.

Примерно в средней части корпуса 1 вблизи участка максимальной амплитуды колебаний чувствительного элемента 3 установлены две катущки 8 и 9. Как это показано на чертеже в радиальной плоскости катущек 8 и 9, которые смещены одна относительно другой на 180°, .корпус 1 очень тонкий, и катушки находятся на опти.мальном расстоянии от чувствительного элемента 3, причем тонкая кольцевая часть корпуса 1 обеспечивает условие, при котором поток среды внутри и вокруг чувствительного элемента 3 никогда не соприкасается с катущками 8 и 9. Указанное взаиморасположение катущек 8 и 9 и чувствительного элемента 3 обусловливается, во-первых, требованием сведения до минимума длины пути магнитного потока между катущками и чувствительным элементом и, во-вторых, необходимостью не допустить накопления в промежутке между катущками и чувствительным элементом пыли или влаги, ибо это может сказаться на колебаниях элемента .3. Как это видно на фигурах, обмотки катущки расположены в плоскости, перпендикулярной к плоскости рисунка, а сердечник катущки имеет три расположенных близко один от другого полюса. Такая конструкция обеспечивает короткий путь магнитному потоку, то есть от центрального полюса

5 через элемент 3 на другие полюса, а когда эти катушки соответствующим образом включены в электрическую цепь, .магнитные потоки катущек не перекрывают один другого, а проникают в чув- твительный эле.мент 3 только на очень маленьком участке поверхности чувствительного элемента 3, что приводит к уменьщению или к исключению перекрестной связи между катущками 8 и 9. Катущка 8 может быть катущкой возбуждения, а катущка 9 - детекторо.м или сигна25 лосъемником. Они устанавливаются и работают с разностью фаз в 90° между возмущающей силой катущки 8 и обнаруженной скоростью изменения в промежутке элемента 3 и детекторной катущки 9, в результате чего получается конструкция, в которой

0 эффект вязкости существенно уменьнтется или совершенно устраняется.

Катущки 8 и 9 удерживаются на своих .местах в корпусе 1 посредство.м заполнителя 10.

На корпусе 1 установлен усилитель 11, к KOTopOiMy присоединены катущка возбуждения 8 и детекторная катущка 9. Сам усилитель 11 присоединен к источнику постоянного тока 12, а выходная цепь усилителя соединена с частотомером 13 или измерителе.м периода вре.мени.

Прибор работает следующ,им образом. Жесткий корпус 1, внутри которого расноложен чувствительный элемент 3, подвержен воздействию текучей среды. При подключенном к усилителю 11 источнике питания 12 благодаря положительной обратной связи от детекторной или сигналосъемной катущки 9 к катущке возбуждения, образуются и поддерживаются собственные резонансные колебания чувствительного элемента 3. Колебания возникают из-за ме.ханического щума, передаваемого на чувствительный элемент 3 или же электрического щума, возникающего в катущке возбуждения 8 при включении усилителя 11. Концевые фланцы 6 чувствительного элемента 3 позволяют зажимать последний без нарушения частоты колебаний его и без помех для текущей через него средьь Соверщенно очевидно, что зажатые таким образом фланцы 6 определяют акустическую длину чувствительного 3jieMeHTa 3 и работают в качестве узлов колебаний элемента. В предпочтительной конструкции прибора эти колебания имеют кольцевой вид или, иначе говоря, чувствительный элемент 3 можно рассматривать как два соединенных и закрепленных в узловых точках (которыми являются фланцы 6) колокола.

Как известно, зажим колокол-а у ушка не влияет на частоту его колебаний. Естественно, частота подводимого на катушку 8 тока в основном такая же как и доминируюшая частота резонансных колебаний чувствительного элемента 3.

Частотомер 13 может быть любой обычной конструкции, способной работать в диапазоне доминирующих частот, которые можно ожидать при использовании прибора. Причем он может быть градуирован с таким расчетом, чтобы можно было вести отсчет непосредственно в единицах плотности по графикам, которые были ранее градуированы и подготовлены при использовании текучих сред стандартной или известной плотности.

Учитывая тот факт, что давление среды на цилиндрическую стенку чувствительного элемента 3 в основном равномерное частота колебаний чувствительного элемента 3 зависит, главным образом, от плотности текуш,ей через него среды, причем из-за использования для изготовления чувствительного элемента 3 материала с очень низким коэффициентом тепловой эластичности влияние температурь оказывается весьма малым или., совершенно незначительным.

Для изготовления корпуса 1 и чувствительного элемента 3 берут материалы, способные работать в условиях рабочего давления, а именно 703 кг/см (10000 фунтов на кв. дюйм).

Совершенно очевидно, что когда чувствительный элемент 3 совершает колебания кольцевого вида и эти колебания поддерживаются усилителем 11, среда, плотность которой замеряют, получает колебания как внутри, так и снаружи чувствительного элемента, и потому частота колебаний чувствительного элемента зависит от его жесткости и общей совершающей колебания массы, то есть массы стенок чувствительного элемента и массы окружающей его среды.

Увеличение плотности среды понижает частоту колебаний, которая передается частотомером 13.

Конструкция возбуждающего устройства и детекторного устройства, показанная на приведенном примере конструкции прибора, обладает рядом важных преимушеств.

Во-первых, расположение катушек или электрокагнитных возбудителей вне контакта их со средой, плотность которой подлежит измерению, обеспечивает безопасность работы с прибором. Совершенно очевидно, что если среда, о которой идет речь, является воспламеняющимся газом или жидкостью, то

значение расположения катушек вне конгакта с такой средой трудно переоценить.

Устройство, позволяющее прямой поток среды, по.могает избегать образования грязевых или других заторов и, кроме того, обеспечивает простоту и легкость удаления чувствительного элемента 3 из корпуса 1 в целях его очистки и осмотра. Особо важное значение это приобретает при использовании предлагаемого прибора в пищевой промышленности. Очевидно, что прямой поток среды возможен еще и потому, что катушки располагаются вне чувствительного элемента 3.

Изобретение, используя Е-образные или

5 крышечного типа кптушки, не применяет соленоид этого типа в качестве возбудителя, который создает длинные магнитные потоки и требует, чтобы полюса располагались вблизи к чувствительному элементу. Такое устройство не обеспечивает надежности работы

n,„ ,„

прибора, поскольку указанный неоольшои

иро.межуток между полюсами и чувствительным элементом служит в качестве уловителя влаги и железной пыли, отчего практически избавиться--невозможно, и что в конечном

5 счете приводит к тому, что чувствительный элемент перестает колебаться. Характер магнитного потока Е-образных катушек согласно изобретению таков, что путь его очень короткий и потому промежуток между катуш кой и чувствительным элементом может быть

увеличен. Это особенно важно в том отношении, что создается возможность надежного измерения жидкостей и газов в течение длительного времени.

Кроме того, преимуществом предлагаемой конструкции является точность и независимость частоты колебаний среды с различной вязкостью, плотность которой измеряется. В некоторых конструкциях, использующих соленоиды, из-за длинных неконтролируемых путей магнитного потока между катушками неизбежно образуется некоторое соединение потоков. Величина соединения потоков зависит от проницаемости чувствительного элемента, которая, в свою очередь, зависит от температуры. Таким образом, оби|ее смещение фазы и частоты колебаний будет изменяться в зависимости от изменения температуры, особенно в отношении сред, имеющих высокую вязкость. Этот недостаток существенно устраняется укорачиванием пути магнитного потока и почти полным

0 отсутствием перекрестной связи.

Важным преимуществом изобретения является также и то, что система возбуждения и детектирования обладает высокой эффективностью, позво.1яюшей избежать «скачкообразности вида колебаний. Под «скачко5образностью вида колебаний понимается колебание системы, образующееся не только при первой частоте гармоник, но и при более высоких гармониках. Чем выще тенденция системы к «скачкообразности, тем

ниже полезный диапазон прибора. Таким образом, настоящее изобретение, обеспечивающее уменьшение «скачкообразности вида колебаний допускает более значительные изменения рабочей частоты колебаний.

Еще одним преимуществом изобретения является то, что материал для изготовления прибора выбирают таким, чтобы прибор обладал высоким механическим Q, что делает прибор в основном невосприимчивым к колебанию, и его можно устанавливать в любом месте.

Прибор можнЬ установить в линию трубопровода в течение нескольких минут и его весьма просто закреплять и откреплять. Сопротивление потоку среды в пряборе ппзкое и в силу того, что зона колебаний очень мала, прибор допускает значительно больщее образование в .жидкости пузырьков.

В некоторых случаях применения прпбора, например, в области газовой хроматографии и биохимии может гютребоваться уменьшение объема потока среды внутри чувствительного элемента. Это можно осуществить использованием серкечника 14, на пример такого, как на фиг. 3. Из чертежа сердечника видно, что на одном конце его имеется кольцевой фланец 15, который заменяет стопорное кольцо 4. 15 снабжен на внепл ей своей части резьбой, с помощью которой он ввинчивается внутрь чувствительного элемента 3.

На фиг. 4 показан трубопровод 16, имеющий колено.

Направление потока жидкости показано стрелкой. На чертеже показан также нрлбор для измерения плотности, который по своей конструкции почти одинаков с конструкцией, представленной на фиг. 1. Прябор вставлен в трубопровод и закреплен в нем с помощью фланца 17, который укреплен в трубе поередстворл двух винтов с головкой под ключ 18, на стержне которых имеются выемки для прие.ча уплотнительного кольца 19. На фланце И укреплен усилитель 11. На чертеже не показаны isii источник питания 12, ни частотомер 3.

В данной конструкции вместо полностью цилиндри;- о корпуса 1 использоваи;. в -oiCHOBHOM вилкообразная опорная деталь 20, которая служит тол1;ко для мо1 тирования чувствительного элемента 3 и катуи5ек 8 и 9. Как показано на чертеже, подводйщие провода от катушек идут через отверстия в вилкообразной опорной детали 20 и дальн е через расположенные в линию с ними отверстия во фланце 17.

Входной конец прибора снабжен тонкой металлической сеткой 21. Поступающая внутрь чувствительного элемента 3 текучая среда проходит через указанную сетку с торцовой и цилиндрической его части и libiтекает из элемента через отверстия или прорези 22. Точно также среда, обтекающая чувствительный элемент 3 iioero наружной

поверхности, возвращается в трубопровод 16 через те же отверстия или прорези 22. Выше дано описание изобретения, в котором шла {)ечь об :- лектромагнитном возбудителе, о детекторе и о чувствительном элементе 3 из магнитного материала. Однако совершенно очевидно, что могут быть использованы возбудители и детекторы других типов. Например, чувствительный элемент 3

может приводиться в действие пьезо-электрическим или только магнитным способом, а в общем, с этой целью может быть использован любой электроакустический преобразователь, причем в этом случае чувствительный элемент можно изготавливать из стекjia или подобного ему материала, способного к колебаниям в ответ на действие электроакустического возбудителя. Могут быть и iiHbse варианты возбуждения, например, электроста имеским способо.ч, причем в этом случае возбудитель и детектор могут служить в качестве составных частей (пластин) конденсаторов, в которых вторыми пластинами будет сам чувствительный элемент 3. Хотя Bbiujc чувствительный элемент 3. .показан в основном как цилиндр, поперечмое ссченне его внутренней полости не обязательно должно быть кольцом, оно может иметь иную форму.

Формула изобретения

I. Плотномер, содержащий корпус, внутр.ч которого ycTaHOfuren пустотелый чувствительн. элемент, контактирующий с контролируемой средой, прис1 особление для возбуждения и измереи1 я колеба1 мй чувствительного элемента, вторичный прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, чувствительный элемент установлен с зазором по отношению к внутренним стенкам корпуса так, что контролируемая среда омывает внутреннюю и наружную его поверхности, а приспособления для возбуждения н измерения колебаний чувствительно -о элемента отделены от контро.чируемои среды.

2.fLiOTHOMep по п. 1, отличающийся тем, что концы чувствительного элемента сиабжень фланцами, укрепленными в корпусе.

3.Плотномер по IL 2, отличающийся тем, что .фланцы имеют отверстия .для прохожде-пш ко5 Тролируемой среды, омывающей наружную поверхность чувствительного элеме(та.

4.Плотномер по пп. 1-3, отличающийся тем. что приспособления для возбуждения и измерения колебн1 пй чувствительного эле.мепта ньню-ппены в виде электромагнитных катушек, при этом Kopriyc выполнен из немагнитного материала, а чувствительный элемент - из магнитного материала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Патент Франции № 1338320, кл. G 01 N, 1963.

2.Патент США № 3225588, кл. 73-32, 1965.