Гидростатический плотномер Советский патент 1980 года по МПК G01N9/26 

. Изобретение касается аналитическЬго приборостроения, а именно устройств для измерения плотности жидкости и можетбыт использовано в химической, нефтехймической и других отраслях промьтзленнос га. Известен гидростатический плотномер жидких сред, в котором в качестве чувст вительного элемента используются плоские мембраны, установленные на общем ксфпусе и соединенные общим вдтоком, который помещен в полость индукииоя кого преобразователя Ш. Однако применение в качестве чувствительных элементов мембран с индукционными преобразователями обуславливает недостаточную точность измерения и низкую чувствительность иэ-за нелинейности их характеристик и малой в еличины хода. Известен гидростатический плотномер жидкости с автрматической температурной компенсацией, в котором чувствитель ный элемент гяыполнен в виде блока силь- фонов малой жесткости и раынык эффактивньтх площадей, а узел вывода к датчику контроля перемещений состоит из двух сильфонов, соединенных между собой диЬ ком и стойкой и помещенных в полость нижнего измерительного сильфона. Сильфоны установлены на участке трубопровода на различных уровнях, а внутренние полости сильфонов заполнены эталонной жидкостью и сообщаются с помощью соединительной трубки 2 , Однако сжимаемость эталонной жидкости, заполняющей сильфоны и соединительную трубку, трение этой жидкости о трубку и сильфоны, трение в механизме узла вывода к датчику контроля р азнос типеремещений оказывает отрицательное влияние на чувствительность прибс а и точность производимых измерений и обуславливает значительную сложность конструкции блока сильфона и узла вывода разности перемещений. Цель изобретения - увеличение чувствительности прибора и точности изм1эрений.

371

Это достигается тем, что в гидростатическом плотномере датчик перемещеШ1Й выполнен в виде двух цилиндрических электродов, укрепленных внутри кфпуса-электрода, на котором расположен ны верттткально днищами в противоположные стороны сильфоны, в центре каждого из которых расположен шток. Один конец каждогоштокаскрепленный с соответствующим днищем сильфона. Другие концы штоков выполнены из хшэлектрика и расположены между электродами датчика перемещений. Параллельно датчику перемещений включен конденсатор, состояний из кор пуса-электрода с расположенным на нем кольцом из диэлектрика, на котором закреплен внешний электрод.

На чертеже изображен гидростатический плотномер.

Плотномер содержит корпус 1 цилиндрической формы, выполненный из стали, к которому жестко крепятся сильфоны 2 и 3. Для преобразования перемещения дна (жестких центров) служат штоки 4 и 5 с закрепленными на них диэлектриками 6 и 7 из конденсита цилиндрической формы, которые помещены между цилиндрическими наружными обкладками 8 и 9 и общей внутренней цилиндрической обкладкой 1О. Для электрического контакта от наружных обкладок 8 и 9, а также обкладки 10 предусмотрены выводы 11, 12. Вывод 12 соединен с корпусом 1 и является одновременно выводом от компенсационного конденсатора, образованного цилиндрическим корпусом 1, диэлектриками 13, 14 и наружными обкладками 15 и 16. Для включения в электрическую схему компенсационный конденсатор имеет вырюд 17. С целью уменьшения наводок предусмотрен экран 18, экранирующий выводьт и элементы емкостного преобразователя.

Гидростатический плотномер работает следующим образом.

При погружении плотномера в измеряемую среду на верхний сильфон 2 оказывает давление гидростатический столб жидкости высотой с усилием, определяемым из зависимости (1), а на нижний сипьфон 3 оказывает давление гидростатический столб жидкости м 1сотой + +L с усилием,, определяемым из зависимости (2). Под действием усилий Q| и Q- жесткие центры сильфонов 2 и 3 перемещаются на величины ЛлИ К,

(1)

4232

.Рж(-)ЭС

(2),

де эффективная площадь сильфона; И - усуорение свободтгого падения;

. - база прибора;

л - плотность жидкости.

.

(3)

10

(4)

где Е - модуль упругости материала сильфона;

h - толщина стенки гофра; п - число гофр;

наружный Диаметр сильфонов;

Лд, - расчетный коэффициент, зависящий

от отношения - , где Rg - внутренний диаметр сильфона. Разность перемещений жестких центров сильфонов может быть определена из выражения (б) с учетом выражения f5} для эффективной площади сильфонов.

Г J (.

.

Эф

М,)-4Л.

30

Eh

35

К.

С означив величину- -- через К пр,

зс(Г

выражение (6) с учетом принятого обозначения будет иметь вид

йЛ

Ж

(7)

Как видно из выражения (7) зависимость плотности измеряемой среды от разности хода сильфонов носит линейный характер.

Например, для сильфонов, выполненных из бронцы Бр. Б2 с модулем упругости ,35Ю кгс/мм и жесткостью К 0,552 кГс/мм , наружный диаметр которых равен мм, а внутренний диаметр ,5 мм. Э})фективная площадь сильфонов определяется из соотноше1амя (5) и равна F,O,007 м ,

Принимая базу прибора С-0,5 м, определяем Кпр. 5 7 Иrt Кпр,1510 кг/м, при плотности жидкости 1,1 г/см разность кода сильфонов составит 7 мм, Дпя измерения разности хода сильфоновА 4 применяется емкостной датчик состоящий из трех цилиндрических обкла док, который может быть представлен как два параллельно включенных конденсатора С| и С, образуемых обкладками 10, 8 и 1О, 9. Первоначально диэлектрик 6, занимающий половину длинь конденсатора С|, был неподвижен. При погружении датчика в жидкость диэлектрик выводится из полости eMKOCTHorot, преобразователя в результате давления гидростатического столба жидкости на верхний сильфон 2. Для определения емкости конденсатора С. может быть использовано выражение -&)«)-)J.s. - -I где И - высота пластины; . - диэлектрическая проницаемость воздуха; У - расстояние между пластинами; d. - диаметр внутреннего цилиндра; . - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; А - линейное перемещение диэлект; . рика; о 8,85 Ю ф/м постоянная. Емкость конденсатора С изменяется за счет введения диэлектрика 7 первоначально занимавшего половину длины конденсатора и перемещающегося под действием давления гидростатического столба жидкости на нижний сильфон 3. Для определения емкости конденсатора С воспользуемся выражением (9), аналогичный выражению (8). (м-€) «(44 Суммарная емкость преобразователя определяется из и 1ражения (10) с учетом выражений (8) и (9), 2%7) Преобразуя полученное ахражение (Ю) и подставляя в него значение раэ32ности перемещений .из выражения (7), получаем градуировочную зовисимость , .и ) - - ri ,„,(ь|5) Как видно из выражения (11) суммарная емкость преобраэоватепя является линейной функцией ппотности жидкости. Дпя определения чувствительности прибора (V) к изменению плотности жидкости выражение (И) дифференцируется dc fo(V%y: v.(f (If) Как видно из выражения (12), чувс-рвительность прибора прямо пропоршюнальна диэлектрической проницаемости диэлектрика {, базе прибора L и обратно пропорциональна жесткости сильфоНапример ©ели выбрать диэлектрик с диэлектрической проницаемостью 6м 80, а габаритные размеры Щ1линдрических конденсаторов (-72 мм, DH 80 мм, . мм, мм, 1,. 1,1 г/смЗ, мм, мм, где d - наружный диаметр внутреннего цилиндра; 5 внутренний диаметр наружного цилиндра; И - длина цилиндров; дЛ - разность хода сильфонов; (J - расстояние между пластинами; диэлектрическая проницаемость воздуха; р; - ПЛОТНОСТЬ жидкости; L - база прибора; Гдф- эффективна площадь сильфонов, то при этом гЛд- суммарная емкость преобразователясоставляет 8932,17 пф, а емкость преобразователя до погружения составляет 8904,17 пф. Для Кпр, 15- 10- кг/м и плотности жидкос тир.1 кг/см 3 суммарная емкость преобразователя составляет 8624,17 пф. Таким образом, чувст вительность прибора к изменению плотости жидкости равна О,28 пф/кг/м. Плотность жидкости с увеличением температуры изменяется согласно сооттюнгеНИЮPQPt T Ttfi3). де OQ - плотность среды при начальной температуре;

7 D. - ппотность среды при конечной „температуре; оС - температурный коэффициент рас ширения жидкое in; t: температура среды. Таким образом, изменение плотности среды за счет изменения температуры шлзывает дополнительное изменение емкости преобразователя разности перемещений. Это изменение определяется из выражения (11) с учетом выражения (13) и может быть рассчитано согласно уравнению . гдед(ец-е) . .,t(..) d,,/ (14 Следовательно емкость компенсацион ного конденсатора должна также изменяться на величину, вьхчисленную по выражению (14) Это может достигаться применением конденсатора, диэлектрическая проницаемость обкладки которого зависит от температуры. В Тсаче ;тае такого диэлектрика может быть примет нен тидол, зависимость диэлектрической проницаемости которого от температуры имеет вид f.. л п (Qr)j (1 где f J. - относительная диэлектрическая проницаемость при началь ной температуре f 5 - относительная диэлектрическа проницаемость при конечной температуре; Л- (15-10) 10 - температурный коэффициент диэлектрика; конечная температура; начальная температура. При уменьшении плотности среды ем кость преобразор1ателя уменьшается, а кость компенсационного конденсатора р тет. При использовании диэлектрика с

8 отрицательным температурным коэффициентом датчик плотномера необходимо повернуть на 180, тогда при уменьшении плотности емкость преобразователя растет, а емкость компенсационного конденсатора уменьшается. Формула изобретения 1.Гидростатический плотномер, содержащий корпус, блок из двух полых сильфонов малой жесткости и равных эффективных площадей, датчик перемещеНИИ, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности прибора и точности измерений, датчик перемещений выполнен в виде двух цилиндрических электродов, укрепленных внутри корпуса-электрода, на котором расположены вертикально днищами в противоположные стороны сильфоны, в центре каждого из которых расположен шток, один конец каждого ритока скреплен с соответствующим днищем сильфона, другие концы штоков выполнены из диэлектрика и расположены между электродами датчика перемещений. 2.Гидростатический плотномер, отличающийся тем, что параллельно датчику перемещений включен, конденсатор, состо5паий из корпуса-электрода с расположенным на нем кольцом из диэлектрика, на котором закреплен внешний электрод. Источйики информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N9 160353, кл. 42 е 1/02, 1962. 2.Авторское свидетельство СССР № 177142, кл. 426 1/03, 1964 (прототип).