Автоматический плотномер жидкости Советский патент 1981 года по МПК G01N9/00 G01N9/10 

(54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПЛОТНОМЕР ЖИДКОСТИ

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения плотности жидкостей, в частности для измерения плотности топлив на борту летательного аппарата.

Известны и применяются плотномеры жидкости, в которых используется зависимость собственной частоты колебаний упруго закреплен ноге крутильно колеблющегося чувствительного элемента, погруженного в контролируемую жидкость, от плотности этой жидкости.

Известный плотномер жидкости содержит крутильно колеблющийся чувствительный элемент, выполненный в виде цилиндра с лопас тями, укрепленного на свободном конце консольно закрепленного трубчатого магю$тоупругого стержня, обмотки возбуждения, преобразователь крутильных колебаний чувствительного элемента в периодический электрический сигнал и усилитель. Обмотки возбуждения установлены взаимноперпендикулярно, причем одна обмотка выполнена тороидальной, проходящей сквозь трубчатый магнитоупругий стержень, а вторая обмотка - коаксиальной и охватывает

стержень. При сложении переменного продольного магнитного поля в трубчатом стержне, создаваемого током коаксиальной обмотки возбуждения, и постоянного кругового магнитного поля, создаваемого током тороидальной обмотки возбуждения, получается результирующее поле в форме пространственной круговой спирали-геликоиды, периодически изменяющейся в пространстве и во времени с частотой перемен ного тока коаксиальной обмотки возбуждения.

to

Следствием изменения этого результирующего поля является возникновение упругих сил, вызьюающих крутильные колебания стержня и всего чувствительного элемента. Чувствительный элемент, являясь частотнозависимой цепью, вклюISчен в обратную связь усилителя, в нем поддер живаются незатухающие колебания на собственной частоте, которая одаозначно определяется присоединение массой жидкости, пропорциональной плотности этой жидкости, и является

20 мерой плотности контролируемой жидкости И.

Недосхатком этого устройства является низкая точность изксерения плотности вязких жидкостей. Известен также плотномер жидкости, содер жащий крутильне-колеблющийся элемент с радиальными лопастями, электромагнитную систему возбуждения колебаний, преобразователь механических колебаний крутильно колеблющегося элемента в периодический электрический сиг нал индукционного типа (амплитуда его выходного сигнала пропорциональна амплитуде скорости колебаний крутильно колеблющегося элемента), соединенный с измерителем частоты и со входом усилителя, охваченного автоматической регулировкой усиления. Выход усилителя через фазосдвигающую цепь соединен со входом усилителя мощности, выход которого подключен к обмотке электромагнитной системы возбуждения. Компенсация влияния вязкости контролируемой среды в этом устройстве достигается разворотом вектора крутящего момента на фиксированный угол 7Г/4 с изменением его по абсолютной велкшне при изменении вязкости, Последнее достигается стабилизацией амплитуды скорости колебаний крутильно колеблющегося элемента с помощью регулнрова1шя коэффициента усиле1шя усилителя по отклоне шя выходного сигнала преобразователя мехагшческих колеба1шй при изменении вязкос ти, контролируемой . 2. Недостатком устройств.,, выполненных по схеме автогенератора при включении частотно, зависимой цепи в обратную связь усилителя, является низкая точность и помехоустойчивость измерения плотности жидкости, обусловлега Ь е нетоаюй фиксацией собсгве шой частоты и малой ама; итудой колебаний. Наиболее близким по техьшческой сущности является плотномер жидкости, содержащий кру тильно колеблющийся элемент в виде консольно закрепленного трубчатого магнитоупругого стержня с укреплеш1ым на его свободном конце цилиндром с радиальными лопастями, взаимноперпенд}1кулярные обмотки возбуждения: коаксиальную и тороидальную, преобразователь мехаш ческих колебаш й в периодический сигнал, а также фазовый детектор, интегратор и управляемый генератор, последовательно соединенные межхсу собой, фазосдвига.ющую цепь и измеритель частоты. Сигнальный -вход фазового детектора подключен к выходу преобразователя механических колеба1шй чувствительного эле;мента, а опорный вход через фазосдвигающую цепь к выходу управляемого генерттора Кроме того, выход управляемого генератора соединен с коаксиальной обмоткой возбуждения и измерителем тастоты. Тороидальная обмотка возбуждения подключена к источнику .постоянного тока 3. Однако известное устройство имеет недоста точную точность при измерении плотности жидкостей в широком диапазоне изменения вязкости. С1шжение точности измерений обусловлено движением в вязкой жидкости конструктивной цилиндрической поверхности, на которой укреплены радиальнью лопасти, создающей в жидкости волны сдвига. Возникновение этих волн приводит к увеличению присоеданенкого момента инерции за счет возникновения дополнительной присоединенной массы и увеличения демпфирования чувствительного элемента за счет трения в вязкой жидкости. Следствием этого является изменение частоты собственных колебаний чувствительного элемента и измеиеиие амплитуды его колебаний. Цель изобретения - повышение точности измерения плотности жидкостей в широком щлапазоне изменения вязкости. Поставлею1ая цель достигается тем, что в плотномер жидкости, содержащий крутильно колеблющийся элемент с укрепленнь ми на нем радиальными лопастями, взаимноперпендикулярные обмотки возбуждения, преобразователь механических колебаний крутильно колеблющегося элемента в.периодический электрический сигнал, фазовый детектор, интегратор, управляемый генератор, фазосдвигающую цепь и измеритель частоты, дополнительно введены параметрический усилитель тока, детектор, источник опорного напряжения, компаратор напряжения и сумматор, причем выход преобразователя мехага1ческих колебаний соединен со входом детектора и сигнальным входом фазового детектора, опорный вход Которого через фазосдвигающую цепочку подключен к выходу управляемого генератора, соединенному со входом измерителя частоты и пассивным входом параметрического усилителя, а вход управляемого генератора чс|жз интегратор подключен к выходу сумматора, к одному из входов которого подключен выход фазового детектора, а другой вход, соедииеиный с параметрическим входом параметрического усилителя, подключен к выходу компаратора напряже шя, один из входов которого соединен с источю1ком опорного напряжения, а второй подключен к выходу детектора, при этом выход параметрического усилите.пя соединен с одной обмоткой возбуждения. Па чертеже представлена схема предлагаемого автоматического плотномера жидкости. Автоматический плотномер жидкости содержит крутильно. колеблющийся элемент, выполненный в виде щишндра 1 с радиальными лопастями 2, укрепленного на свободном конце трубчатого магнитоупругого стержня 3 с помощью ст пицы 4. Другой конец стержня 3 жестко укреплен в основании 5. Обмотка 6 возбуждения выполнена тороидальной, проходящей сквозь трубчатый стержень 3 и подключена к источнику постоянного тока. Обмотка 7 возбужде1шя выполнена коаксиально, охватывает стержень 3 и подключена к выходу параметрического усилителя 8 тока. Преобразователь 9 механ|1ческих колебаний чувствительного элемента в периодический электрический сигнал подключен к сигнальному входу фазового детектора 1 выход которого подключен к входу сумматора 11. Выход сумматора 11 через интегратор 12 соединен с входом управляемого генератора 13 Выход генератора 13 соединен с пассивным входом параметрического усилителя 8 тока, входом фазосдвигаюшей цепи 14 и измерителем 15 частоты. Выход фазосдвигаюшей цепи 1 соединен с опорным входом фазового детектора 10. Вход детектора 16 соединен с сигнальным входом фазового детектора 10, а выход - с входом компаратора 17 напряжения, второй вход которого подключен к источнику 18 опор ного напряжения. Выход компаратора 17 напряжения соединен с вторым входом сумматора 1 и параметрическим входом параметрического усилителя 8 тока. Автоматический плотномер жидкости работает следующим образом. Крутильно колеблющийся элемент погружен в контролируемую жидкость. При включении управляемого генератора 13 в коаксиальной об мотке 7 возбуждения протекает переменный ток вызывающий появление переменного продольного магнитного потока в стержне 3. Помимо магнитного потока в стержне 3 действует постоянный круговой магнитный поток Ф создаваемый постоянным током тороидальной обмотки 6 возбуждения. В результате взаимодействия кругового и продольного магнитных потоков в стержне 3 создается результирующий геликоидальный магнитный поток и, как следствие, появляются крутильные колебания, соответствующие частоте управляемо го генератора 13. Величина выходного сигнала преобразователя 9 индуционного типа пропорциональна амплитуде скорости колебаний чувствительного элемента. Тип преобразователя механических колебаний обусловлен введением компенсации по вязкости: амплитуда выходного сигнала преобразователей по обобщенной скорости на частоте соб ственных кояебаний чувствительного элемента определяется только приложенным крутящим моментом и общим демпфированием систем, составляющая которого определяется величиной вязкости топлива и не зависит ни от частоты, ни от плотности контролируемой жидкости. Характерной точкой фазе-частотной характерисТИКИ выходного сигнала таких преобразователей является прохождение ее через ноль при работе чувствительного элемента на собственной частоте. С выхода фазового детектора 10 сигнал в виде напряжения постоянного тока пропорциональный разности фаз сигналов преобразователи 9 и сдвинутой фазы сигнала генератора 13 на 7Г/2 в фазосдвигающей цепи 14 подается через сумматор 11 на интегратор 12, где интегрируется и поступает на управление частотой генератора 13. Сдвиг сигнала в фазосдвшающей цепи 14 на 7г/2 обеспешшает при использовании преобразователь 9 с выходом по обобщенной скорости переходную фазу фазового детектора, равной я/2. В результате действий системы фазовой автоподстройкн частоты в системе устанавливаются колебания на собственной частоте чувствительного элемента, которая является мерой плотности и измеряется измерителем 15 частоты. Причемамплитуда колебаний определяется величиной напряжения источника 18 опорного напряжения. Если постоянное напряжение на выходе детектора 16 пропорциональное сигналу на выходе преобразователя 9, равно напряжению источника 18 опорного напряжения, то сигнал коррекции на выходе компаратора 17 напряжения равен нулю. При этом напряжение постоянной амплитуды на выходе генератора 13 усиливается параметрическим усилителем 8 тока с начальным расчетным коэффициентом усапения, обеспечивающим необходимую величину крутя щего момента. Если контролируемая среда обладает вязкостными свойствами, то амплитуда колебаний резонатора уменьщается, на выходе компаратора 17 напряжения появляется сигнал коррекции постоянного тока, который, поступая на второй вход сумматора 11, изменяет частоту управляемого генератора (физически осуществляется разворот вектора крутящего момента). Этот сигнал коррекции, поступая на параметрический вход параметрического усилителя 8 тока, изменяет его коэффициент усиления, изменяя величину крутящего момента., Предлагаемое изобретение по сравнению с известными обеспечивает повьццение точности измерения плотности авиационных тошпш в заданном диапазоне в щироком диапазоне изменения нх вязкости за счет того, что, как величина крутящего момента, так ,я его фазовый сдвиг изменяются в соответствии с изменением вязкости. Испытания предлагаемого устройства на макетном образце псжазало, что дочность измерения плотности в нормальных условиях при шэменегаш вязкости в диапазоне сСт освысилось с 0,9% до 0,2%j Формула изобретения Автоматический плотномер жидкости, содержащий крутильно колеблющийся элемент с укрепленными иа нем радиальными лопастями, взаимнсшерпендикулярные обмотки возбуждения, преобразователь механических колебаний крутильно колеблющегося элемента в периодический электрический сигнал, фазовый детектор, интегратор, управляемый генератор, фазосдвигающую цепь и измеритель частоты, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения плотности вязких жидкостей, в него дополнительно введены параметрический усилитель тока, детектор, источник опорного напряжения, компаратор напряжения и сумматор, причем выход преобразователя ме ха11ических колебаний соединен со входом детектора и сигнальным входом фазового детектора, опорный вход которого через фаэосдвига ющую цепочку подключен к выходу зшравляемого генератора, соед 1ненному со входом изТЯери38теля частоты и пассивным входом параметрического усилителя, а вход управляемого генератора через интегратор подключен к выходу сумматора, к одному из входов которого подключён выход фазового детектора, а другой вход, соединенный с параметрическим входом параметрического усилителя, подключен к выходу компаратора напряжения, один из входов которого соединен с источником опорного напряженин, а второй подключен к выходу детектора, при зтом выход параметрического усилителя соединен с одной обмоткой возбуждения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 636510, кл. G 01 N 9/10, 1979. 2.Патент ФРГ N 1291138, кл. G 01 N 9/00, кл. 42 е 1/03, 1970. 3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2628162/18-25, кл. G 01 N 9/Ю, 1978 (прототип) .