* ****** \ Int Cl3 G01N 9/00 Twórca wynalazku? Maciej Kozarskl Uprawniony z patentu t Polaka Akademia Nauk, Instytut Biooybernetyki i Inzynierii BiomedyczneJ , Warszawa /Polska/ SPOSbE I UH^ADZEIIB DO POMIARU GCST0&3I PLYHU Przedmiotem wynalazku jest sposób i urzadzenie do pomiaru gestosci plynu, zwlaszcza gazu* Znany sposób pomiaru gestosci plynu polega na przyklad na pomiarze ozeetotliwosci drgan mechanicznego elementu drgajacego, pobudzanego elektrycznie, umieszczonego w sro¬ dowisku badanego plynu. Czestotliwosc ta jest proporojonalna do gestosci plynu* Znane jest urzadzenie do pomiaru gestosci plynu, tak zwany oscylator elektroplynowy.Zasada dzialania oscylatora elektroplynowego polega na wykorzystaniu wplywu zmiany masy akustycznej, zaleznej od gestosci plynu, zwiazanej z mechanicznym elementem drgajacym pobudzanym elektrycznie, na czestotliwosc drgan tego elementu mechanicznego. Mechanicznym elementem drgajacym jest zazwyczaj membrana lub ramie kamertanu.Jakkolwiek powyzsze rozwiazanie urzadzenia do pomiaru gestosci plynu wykazuje wiele zalet w przypadku pomiaru gestosci cieczy, to jednak w odniesieniu do pomiaru gestosol gazu walory jego ulegaja zmniejszeniu. Komplikuje sie w tym przypadku problem akustycznej separacji ukladu drgajacego od srodowiska pomiarowego, a ponadto ulega zmniejszeniu czulosc pomiarowa /masa akustyczna gazu wspóldrgajacego jest zwykle mala w porównaniu s masa drgajacego elementu sprezystego/.Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru gestosci plynu polega na tym, ze dokonuje sie pomiaru okresu drgan samowzhudnyoh, wzbudzonych w ukladzie rezonansowym, zbudowanym w postaci komory pneumatycznej przedzielonej sprezysta membrana i polaczonej ze srodo¬ wiskiem badanego plynu za pomoca korzystnie parzystej liczby rur rezonansowych* lastepnie % zaleznosci I - K^ 5 ? 0, gdzie I jest okresem drgan, iK^iC stalymi kon¬ strukcyjnymi, oblicza sie wartosc gestosci g .Urzadzenie do pcmiarm gestosci plynu zawiera czujnik w postaci ukladu rezonanse* we§$» który tworzy komora pneumatyczna przedzielona elemeatem sprezystym na dwie komory2 136 840 najlepiej x równej objetosci orass korsy^tnla parzysta liczba rur rezonansowych korzystnie równej dlugosci, których wyloty znajduja sie odpowiednio w obu czesciach komory pneumatycznej oraz w komorze kolektorowej polaczonej bezposrednio ze srodowiskiem pomiarowym wypelnionym plynem o gestosci podlegajacej pomiarowi* W obszarze wylotów rur rezonansowych w komorze kolektorowej umieszczone sa wspólosiowo z wylotami rur przesuwne pierscienie kompensujace, zmieniajace efektywna dlugosc rur rezonan¬ sowych. Przeminiecie jednego z pierscieni jest proporcjonalne do zmiany temperatury panujacej w srodowisku pomiarowym, natomiast przesuniecie drugiego pierscienia jest proporcjonalne do zmiany cisnienia panujacego w srodowisku pomiarowym* Z elementem sprezystym stanowiacym przegrode komory pneumatycznej polaczone jest jedno ramie dswigni dwuramiennej • Drugie ramie tej dzwigni polaczone jest z ukladem wzbudzania drgan. Uklad wzbudzania drgan zawiera magnes staly umieszczony na ramieniu dzwigni oraz znaj¬ dujaca sie w polu tego magnesu cewke umieszczona w korpusie czujnika* Ewentualnie uklad wzbu¬ dzania drgan zawiera cewke umieszczona na ramieniu dzwigni i magnes staly oddzialywujacy na cewke, umieszczony w korpusie czujnika.W innym rozwiazaniu kazda z dwóch czesci komory pneumatycznej polaczona jest ze srodo¬ wiskiem o mierzonej gestosci za pomoca parzystej liczby rur rezonansowych. Polowa liczby rur rezonansowych wychodzacych z obu czesci komory laczy te czesci komory z jedna z dwu komór kolektorowych umieszczonych w badanym srodowisku. Druga polowa rur rezonansowych laczy obie czesci komory pneumatycznej z druga komora kolektorowa.Urzadzenie stanowiace przedmiot wynalazku ma szereg zalet. Przede wszystkim jest to uklad akustycznie symetryczny. Jakiekolwiek zewnetrzne zaklócenia akustyczne dostajace sie do ukladu przez komore lub komory kolektorowe oddzialywuja na sprezysty element drgajacy idealnie Symetrycznie 1 przeciwnie znoszac sie nawzajem. Uklad moze zatem pracowac w warun¬ kach bardzo malych amplitud drgan elementu sprezystego przy wspólistniejacych bardzo silnych zaklóceniach akustycznych /np. praca na rurociagu gazowym/. Nastepna korzystna cecha ukladu wynika takze z jego akustycznej symetrii 1 stosunkowo niskiej czestotliwosci drgan /z reguly mniejszej od 100 Hz/.Mianowicie uklad jest praktycznie akuetyoznie neutralny dla srodowiska pomiarowego9 to znaczy nie wypromieniowuje do tego srodowiska mocy akustycznej* Ponadto calkowita symetria ukladu i wprowadzenie wy?ównowazonego dynamicznie ukladu dzwigniowego czyni uklad malo podatnym na wibracje mechaniczne przenoszone przez obudowe czujnika 1 zawierajace skladowe w pasmie czestotliwosci pomiarowej ukladu* Przedmiot wynalazku zostaje blizej objasniony w przykladzie wykonania na rysunku* na którym fig. 1 przedstawia schematycznie czesc czujnikowa urzadzenia do pomiaru gestosci plynu w przekroju, fig. 2 przedstawia uproszczony schemat obwodu rezonansowego urzadzenia, a fig. 3 jego analogie, fig. 4 przedstawia fragment ukladu wzbudzajacego, fig. 5 - przyklad elektrycznego ukladu wzbudzajacego, fig. 6 - przyklad wykonania ukladu kompensacji przyrza¬ dowej wplywu zaklócajacego zmian temperatury i cisnienia srodowiska pomiarowego, a fig. 7& i fig. 7b przedstawiaja inne rozwiazanie czesci ozujnikowej urzadzenia, przy czym fig. 7a stanowi rzut przekroju A-A rozwiazania przedstawionego na fig* 7b bedacego przykladem montazu urzadzenia na scianie obiektu.Dwie pokrywy korpusu 112 tworza komore przedzielona za pomoca elementu sprezystego 7 /tutaj membrana 7 zawieszona na lejku 8/ na dwie komory V1 1 V2. Z obu komór wyprowadzone sa dwie rury rezonansowe 9 i 10, których wyloty znajduja sie w komorze kolektorowej 11 po¬ laczonej ze srodowiskiem pomiarowym o mierzonej gestosoi j • Element sprezysty 7 jest sztywno polaczony z belka 6 umocowana na zawieszce sprezystej 5 w pokrywie korpusu 1* Do konca belki 6 jest przytwierdzona nawinieta na karkas, cylindryczna cewka 4* znajdujaca sie w polu oddzialywania magnesu stalego 3 umieszczonego takze w pokrywie korpusu* Uzwojenie cewki ma swoje wyprowadzenie zewnetrzne w gniezdzie 12 a korpusu 1* Ewentualnie do konca belki 6 przytwierdzaly j*at magnes staly 3\ w polu oddzialywania ktSrego znajduje sie cewka 49 umieszczona w pokrywie korpusu 2.136 840 3 W innym rozwiazaniu kazda z dwóch czesci V1 i V2 komory pneumatycznej polaczona jest ze srodowiskiem o mierzonej gestosci za pomoca parzystej liczby rur rezonansowych* Polowa liczby rur rezonansowych wychodzacych z obu czesci V1, V2 komory laczy te czesci komory z jedna 11 z dwu komór kolektorowych umieszczonych w srodowisku badanym, a druga polowa rur rezonansowych laczy obie czesci V1, V2 komory z pozostala, druga komora kolektorowa 11'? Dzieki takiemu rozwiazaniu staje sie mozliwy staly przeplyw plynu poprzez wszystkie rury rezonansowe minimalizujac stala czasowa ukladu pomiarowego* Role elementu bezwladnosciowego kumulujacego energie kinetyczna ukladu odgrywa masa slupa plynu znajdujacego sie w rurach rezonansowych $9 10. Elementem gromadzacym energie potencjalna jest sprezysta membrana 7.Czestotliwosc drgan wlasnych takiego ukladu rezonansowego zalezy w sposób widoczny od masy, czyli 1 od gestosci plynu oraz od wlasnosci sprezystych membrany* Obecnosc komór V1 i V2 /konieczna ze wzgledów konstrukcyjnych z uwagi na niezbedne ugiecie membrany/, w przypadku pomiaru gestosci plynów scisliwych jest szkodliwa. Obie komory maja bowiem podobnie jak i mem¬ brana zdolnosc kumulacji energii potencjalnej 1 stanowia jak gdyby dwie dodatkowe pneumaty¬ czne sprezyny, których sztywnosc jest funkcja cisnienia bezwzglednego gazu 1 rodzaju przemiany termodynamicznej zachodzacej podczas drgan ukladu rezonansowego* Cala pozostala ozesc ukladu stanowi tylko uklad wzbudzania* czyli zródlo energii potrzeb¬ nej dla podtrzymania drgan rezonansowych* Wazne jest przy tym, aby w ostatecznym bilansie uklad wzbudzania oddzialywal na element sprezysty 7 sila posiadajaca skladowa zgodna z pred¬ koscia elementu sprezystego* Sygnal elektryczny wzbudzania J jest podawany z ukladu wzbudzajacego przedstawionego w uproszczonym przykladzie wykonania na fig* 5* Z ramieniem dzwigni zwiazany jest rdzen ferromagnetyczny, poruszajacy sie w polu indukcyj¬ nego transformatorowego czujnika przesuniecia* którego wprowadzenia skupione sa w gniezdzie 12a* Na wyjsciu elektrycznego przetwornika przesuniecia 12b pojawia sie sygnal elektryczny proporcjonalny do ugiecia elementu sprezystego czujnika gestosci* Fo scalkowaniu w analogowym ukladzie 12c uzyskuje sie sygnal u o module proporcjonalnym do predkosci ugiecia elementu sprezystego* Sygnal ten zamieniany jest przez przetwornik naplecie-prad 25 na sygnal pradowy J nodawany do zacisku 13 cewki wzbudzajacej* Opisany uklad wzbudzania stanowi z punktu widzenia ukladu rezonansowego uklad ujemnej mechanicznej rezystancji wytwarzajacej sile oddzialywujaca zgodnie w fazie z predkoscia cewki. Jesli wartosc bezwzgledna tej rezystancji bedzie wieksza od rezystancji strat mechanicznych ukladu drgajacego, nastapi samowzbudzenie drgan* W przed- stawionym ukladzie wzbudzania drgan, podobnie jak w konwencjonalnych generatorach drgan elektrycznych, powinny znajdowac sie uklady stabilizacji amplitudy drgan. Schematycznie ich obecnosc zaznaczona jest w postaci bloku pomiaru i stabilizacji drgan 23 oraz bloku regula¬ cji wzmocnienia 24. Ich budowa nie odbiega od popularnych rozwiazan w tej dziedzinie.Na fig* 6 przedstawiony jest przyklad wykonania ukladu kompensacji przyrzadowej wplywu zaklócajacego zmian temperatury i cisnienia srodowiska pomiarowego* Tuleja 17 zawieszona na termobimetalu 18 przesuwa sie w przyblizeniu wspólosiowo w sto¬ sunku do wylotu rury rezonansowej 10 zmieniajac jej efektywna dlugosc i kompensujac tym samym wplyw zmian temperatury* Podobnie tuleja 16 zamocowana na dzwigni sprezystej 20 jest przesuwana w tulei oslonowej 15 wspólosiowo w stosunku do wylotu rury rezonansowej 9* Róznica cisnien panujaca po obu stronach mieszka sprezystego 19 wytwarza potrzebna sile oddzialy¬ wujaca na dzwignie 20* Zakres kompensaoji zmian cisnienia okreslaja mechaniczne ograniczniki 21 przesuniecia mieszka 19* Mieszek moze pracowac jako aneroid /calkowicie zamkniety/ lub w ukladzie otwartym, jak w omówionym przykladzie wykonania* fyosób pomiaru gestosci plynu za pomoca urzadzenia wedlug wynalazku najwygodniej jest przesledzic na podstawie znajomosci okresu drgan ukladu rezonansowego przedstawionego na fig* 2 i jego analogii elektrycznej przedstawionej na fig* 3* Membrana 7 o sztywnosci £ i powierzchni efektywnej A rozdziela komore korpusu na dwie komory V1 1 72* W omawianym ukladzie membrana 7 oraz objetosci komór V1 i V2 spelniaja role4 136 840 V analogiczna do roli kondensatorów elektrycznych o pojemnosciach odpowiednio* Clr V? Vi * o a*- np C » —£— i n *=-==¦— , gdzie n Jest wykladnikiem politropy przemiany gazowej w ^a npa K 4 $ komorach /dla dostatecznie duzych czestotliwosci f^-^—— przemiana jest adiabatyczna, przy Ach czym V? - lepkosc kinematyczna gazu, a Ach - pole najmniejszego przekroju komory V1 2/.Role indukcyjnosci elektrycznej odgrywaja masy gazu drgajacego w rurach rezonansowych, przy czym* L m £^1 f L^ a £-£_ , gdzie Ax , Ax jest polem przekroju poprzecznego rur rezonansowych, 1-, lp jesr efektywna dlugoscia rur .rezonansowych, a^ jest gestoscia gazu. Dla najkorzystniejszego przypadku idealnej symetrii ukladu V1 » v2 » V, 11 - 12 . 1, A^ - Alg - A.Z ruchem plynu w rurach rezonansowych zwiazane sa takze pewne straty energii przedsta¬ wione w postaci wypadkowej rezystancji strat Rfl. Kompletny elektryczny uklad analogiczny do ukladu z fig. 2 przedstawiono na fig* 3.Mozna latwo wykazac, ze jesli straty Rfl sa niewielkie / oJ L jest wieksze od 10 Rfl/ oraz spelniony bedzie warunek Cy ^ cm to okres T drgan wlasnych opisanego ukladu wyrazi sie w przyblizeniu wzorem* ? = ^J^ _£' gd2ie stala K'PrzyJmuJe wartosci bliskie jednosci. l^A k l W rzeczywistosci zaleznosc T od g jest nieoo bardziej zlozona i ma postac: T - K^ VJ+ C, w której K^ i 0 sa stalymi konstrukcyjnymi, przy czym stala C uwzglednia wplyw masy drgajacych elementów mechanicznych to znaczy dzwigni i elementu sprezystego.Rola ukladu wzbudzajacego polega na wytworzeniu sily P zgodnej w fazie z predkoscia v ruchu membrany. Zaklócajacy wplyw cisnienia atmosferycznego wprowadzany jest do ukladu za posrednictwem pojemnosci Cy Jednak w przypadku, gdy CB jest znacznie wieksza od Cy /np.C « 100C /jego wplyw staje sie nieznaczny, a dodatkowo oddzialywanie zaklócajace staje sie liniowe. Zaklócajacy wplyw temperatury bierze sie glównie z zaleznosci modulu Younga materia¬ lu od temperatury i podobnie jak cisnienie jest niewielki i liniowy.Warto podkreslic, ze zalety prostoty ukladu biora sie z faktu, iz jest to uklad zbudo¬ wany z elementów dobrze opieywalnych za pomoca parametrów skupionych R, L, C.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób pomiaru gestosci plynu, znamienny tym, ze dokonuje sie pomiaru ok¬ resu T drgan samowzbudnych, wzbudzonych w ukladzie rezonansowym zbudowanym w postaol komory plynowej przedzielonej elementem sprezystym 1 polaczonej ze srodowiskiem badanego plynu za pomoca korzystnie parzystej liczby rur rezonansowych wprowadzonych do jednej lub korzystnie do dwóch komór kolektorowych wypelnionych plynem o badanej gestosci, a nastepnie z zaleznosci T o &p i g + Cl , gdzie Kg 1 C sa stalymi konstrukcyjnymi, oblicza sie wartosc gestosci g ? 2. Urzadzenie do pomiaru gestosci plynu, znamienne tym, ze sklada sie z czuj¬ nika stanowiacego uklad rezonansowy w postaci pneumatyesnej kcsiory przedzielonej elementem sprezystym /7/ na dwie korzystnie równe czesoi /Y1» V2/» a kazda z obu czesci /V1, V2/ pneu¬ matycznej komory rezonansowej polaczona jest ze srodowiskiem plynu o mierzonej gestosci za pomoca oo najmniej jednej rury rezonansowej /9, 10/» przy czym rury rezonansowe /9 10/ maja korzystnie jednakowe dlugosci, a wyloty wszystkich rur /9, 10/ znajduja sie w co najmniej jednej komorze kolektorowej /11/ umieszczonej w srodowisku pomiarowym, natomiast z elementem sprezystym 111 polaczone jest mechanicznie jedno ramie /6/ dzwigni dwuramlennej, której dru¬ gie ramie polaczone jest z ukladem wzbudzania drgan. 3* Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze uklad wzbudzania drgan za¬ wiera cewke IM umieszczona na drugim ramieniu dzwigni 1 magnes staly /3/ oddzialywujacy na cewke, umieszczony w korpusie /2/ czujnika.136 840 5 4* Urzadzenie wedlug zastrz, 2, z n a m 1 e n n e t y m, ze uklad wzbudzania drgan za¬ wiera magnes staly /3V umieszczony na drugim ramieniu dzwigni i j&najdujaca sie w polu tego magnesu stalego cewke /4V umieszczona w korpusie /2/ czujnika* 5. Urzadzenie wedlug zastrz* 2, znamienne tym, ze w komorze, kolektorowej /11/ wspólosiowo z wylotami rur rezonansowych /9f 10/ w obszarze wylotów tych rur /9» 10/ umiesz¬ czone sa przesuwne pierscienie kompensujace /16, 17/ zmieniajace efektywna dlugosc rur rezo¬ nansowych /9t 10/* 6. Urzadzenie wedlug zeustrz. 2, znamienne tym, ze kazda z czesci /V1, V2/ pne¬ umatycznej komory rezonansowej polaczona jest ze srodowiskiem o mierzonej gestosci za pomoca parzystej liczby rur rezonansowych /9» 10/, przy czym polowa liczby rur rezonansowych /9» 10/ wychodzacych z obu czesci komory laczy te czesci komory /V1, V2/ z jedna z dwu komór kolekto¬ rowych /11/ umieszczonych w srodowisku mierzonym, a druga polowa rur rezonansowych /9*» 10V laczy obie ozescl /V1, V2/ komory z druga komora kolektorowa /!!•/•136 840 77777777777; T77777777777 #*.* firn. 4136 840 Fig.S Ftc.*136 840 Fia. 7a Fiq- 7z Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 cgz.Cena 100 zl PL