RU2349897C2 - Density and viscosity measurement method and related device - Google Patents
Density and viscosity measurement method and related device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2349897C2 RU2349897C2 RU2006122188/28A RU2006122188A RU2349897C2 RU 2349897 C2 RU2349897 C2 RU 2349897C2 RU 2006122188/28 A RU2006122188/28 A RU 2006122188/28A RU 2006122188 A RU2006122188 A RU 2006122188A RU 2349897 C2 RU2349897 C2 RU 2349897C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- density
- signal
- excitation
- viscosity
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано для определения плотности и вязкости жидких сред в различных отраслях промышленности.The invention relates to precision instrumentation and can be used to determine the density and viscosity of liquid media in various industries.
Известен вибрационный способ исследования жидкостей [1], включающий возбуждение колебаний на резонансной частоте зонда, погруженного в исследуемую жидкость, с постоянной амплитудой, измерение частоты и амплитуды возбуждающей силы, при этом амплитуду колебаний зонда устанавливают равной амплитуде, при которой достигается экстремальное значение резонансной частоты зонда в зависимости от амплитуды колебаний.Known vibration method for studying liquids [1], including the excitation of oscillations at the resonant frequency of the probe immersed in the test fluid with a constant amplitude, measuring the frequency and amplitude of the exciting force, while the amplitude of the oscillations of the probe is set equal to the amplitude at which the extreme value of the resonant frequency of the probe is reached depending on the amplitude of the oscillations.
Наиболее близок способ исследования теплофизических свойств жидкостей [2], в частности плотности и вязкости, включающий возбуждение гармонических колебаний на резонансной частоте зонда, помещенного в измеряемую среду, измерение температуры среды, а также амплитуды, и/или фазы, и/или частоты колебаний вибрационного преобразователя плотности с последующим вычислением плотности и вязкости с учетом температуры по уравнению теплопроводности жидкости и по уравнению вынужденных колебаний вибрационного преобразователя плотности.The closest way is to study the thermophysical properties of liquids [2], in particular density and viscosity, including the excitation of harmonic oscillations at the resonant frequency of the probe placed in the measured medium, measuring the temperature of the medium, as well as the amplitude, and / or phase, and / or vibration frequency of the vibration a density transducer, followed by a calculation of the density and viscosity based on temperature, using the heat equation of the fluid and the equation of forced vibrations of the vibratory density transducer.
Эти способы имеют общий недостаток, они основаны на заданной резонансной частоте зонда, помещенного в измеряемую среду, что в общем случае существенно ограничивает их область применения.These methods have a common drawback, they are based on a given resonant frequency of the probe placed in the measured medium, which in the general case significantly limits their scope.
Наиболее близким устройством являются плотномер с дистанционно расположенной электроникой контроля [3], содержащий последовательно соединенные микропроцессор, программируемый делитель, контур фазовой автоподстройки частоты, счетчик, ПЗУ с прошивкой функции косинус, ЦАП, согласующий усилитель мощности, выход которого подключен к входу вибрационного преобразователя, помещенного в измеряемую среду, а выход вибрационного преобразователя последовательно соединен с детектором переходов нуля, реверсивным счетчиком с соответствующей логикой и микропроцессором, кроме того, второй вход программируемого делителя подключен к генератору.The closest device is a densitometer with remotely located control electronics [3], containing a microprocessor in series, a programmable divider, a phase-locked loop, a counter, ROM with firmware cosine, DAC, matching power amplifier, the output of which is connected to the input of a vibration transducer placed into the measured medium, and the output of the vibration transducer is connected in series with the zero transition detector, a reversible counter from the corresponding log microprocessor, in addition, the second input of the programmable divider is connected to the generator.
Все вышеизложенные способы и устройства имеют общий недостаток, существенно снижающий точность и ограничивающий область применения, а именно - недостаточно высокую помехоустойчивость, поскольку в общем случае в выходном сигнале вибрационных преобразователей наряду с полезным сигналом присутствуют и помехи, обусловленные как отраженным сигналом, например, при установке вибрационного преобразователя в достаточно малом объеме; неламинарным течением жидкости при установке вибрационного преобразователя в трубопроводе; вибрациями подвижного основания при установке вибрационного преобразователя в топливных баках различных машин.All the above methods and devices have a common drawback, which significantly reduces accuracy and limits the scope, namely, insufficiently high noise immunity, since in the general case, in the output signal of vibration transducers, along with a useful signal, there are also interference caused by a reflected signal, for example, during installation vibration transducer in a sufficiently small volume; non-laminar fluid flow when installing a vibration transducer in the pipeline; vibrations of the movable base when installing a vibration converter in the fuel tanks of various machines.
Цель изобретения - повышение точности, а также расширение области применения.The purpose of the invention is improving accuracy, as well as expanding the scope.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения плотности и вязкости, включающим возбуждение непрерывных гармонических колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в измеряемую среду, измерение температуры среды, а также измерение выходного сигнала вибрационного преобразователя с последующим вычислением плотности и вязкости, дополнительно на периоде частоты возбуждения формируют выборку значений выходного сигнала вибрационного преобразователя, осуществляют контроль данных в выборке, по результатам которого производят автоподстройку коэффициента усиления и нормируют данные в выборке, вычисляют по нормированным данным коэффициенты преобразования Фурье для первой гармоники сигнала, по которым осуществляют контроль уровня помех, поиск зоны резонанса, а в зоне - резонанса захват и удержание частот резонансов с заданными фазовыми сдвигами.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the density and viscosity, including the excitation of continuous harmonic vibrations of a vibration transducer placed in a measured medium, measuring the temperature of the medium, as well as measuring the output signal of the vibration transducer with subsequent calculation of the density and viscosity, additionally form on the excitation frequency period sample the values of the output signal of the vibration transducer, control the data in the sample, according to the results of which The gain is automatically adjusted and the data in the sample are normalized, the Fourier transform coefficients for the first harmonic of the signal are calculated from the normalized data, which are used to control the noise level, search for the resonance zone, and in the resonance zone, capture and hold resonance frequencies with predetermined phase shifts.
Кроме того, возбуждение непрерывных гармонических колебаний вибрационного преобразователя осуществляется сигналом с заданными частотой и фазой с формированием меандра с фронтами, совпадающими с нулевыми значениями сигнала возбуждения.In addition, the excitation of continuous harmonic vibrations of the vibration transducer is carried out by a signal with a given frequency and phase with the formation of a meander with fronts that coincide with zero values of the excitation signal.
Кроме того, при измерении выходного сигнала вибрационного преобразователя дополнительно по заданному периоду частоты возбуждения осуществляют вычисление времени задержки и времени дискретизации, по которым компенсируют начальный фазовый сдвиг выходного сигнала вибрационного преобразователя относительно сигнала возбуждения и синхронизируют измерения в выборке.In addition, when measuring the output signal of the vibration converter, in addition to a given period of the excitation frequency, the delay time and the sampling time are calculated, which compensate for the initial phase shift of the output signal of the vibration converter relative to the excitation signal and synchronize the measurements in the sample.
Кроме того, вычисление плотности и вязкости производится по периодам частот резонансов с заданными фазовыми сдвигами по интерполяционным формулам, при этом при вычислении плотности, контролируя полосу зоны резонанса, компенсируют влияние вязкости на плотность.In addition, the density and viscosity are calculated from periods of resonance frequencies with predetermined phase shifts using interpolation formulas, while in calculating the density, controlling the band of the resonance zone compensates for the effect of viscosity on the density.
А в устройство для реализации способа, содержащее сигнальный процессор, к которому шиной интерфейса подключен программируемый синтезатор частоты, первый выход которого через усилитель мощности соединен со входом вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую среду, дополнительно введены усилитель с программируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом вибрационного преобразователя, а шина интерфейса и выход подключены к сигнальному процессору, датчик температуры, помещенный в исследуемую среду, шина интерфейса которого соединена с сигнальным процессором, соединенным со вторым выходом и входом синхронизации синтезатора частоты и через шину интерфейса с приемопередатчиком, выходная шина которого является входом - выходом устройства.And in the device for implementing the method, comprising a signal processor, to which a programmable frequency synthesizer is connected via an interface bus, the first output of which is connected through a power amplifier to the input of a vibration transducer placed in the medium under study, an amplifier with a programmable gain is connected, the input of which is connected to the output vibration transducer, and the interface bus and output are connected to the signal processor, a temperature sensor placed in the medium under study, the bus in the interface of which is connected to the signal processor connected to the second output and the synchronization input of the frequency synthesizer and through the interface bus with the transceiver, the output bus of which is the input - output of the device.
Таким образом, введение новых действий и операций, а также новых связей и элементов позволило существенно повысить точность и расширить область применения за счет повышения помехоустойчивости, учета влияния вязкости на плотность и обеспечения максимально возможной амплитуды входного сигнала за счет программно реализованной автоподстройки коэффициента усиления.Thus, the introduction of new actions and operations, as well as new connections and elements, allowed to significantly increase accuracy and expand the scope by increasing noise immunity, taking into account the effect of viscosity on density and ensuring the maximum possible amplitude of the input signal due to the software-based automatic adjustment of the gain.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of a device.
Устройство для реализации предложенного способа содержит сигнальный процессор 1, программируемый синтезатор 2 частоты, усилитель 3 мощности, вибрационный преобразователь 4, усилитель 5 с программируемым коэффициентом усиления, датчик 6 температуры, приемопередатчик 7 и вход-выход 8.A device for implementing the proposed method comprises a signal processor 1, a programmable frequency synthesizer 2, a power amplifier 3, a vibration converter 4, a programmable gain amplifier 5, a temperature sensor 6, a transceiver 7, and an input-output 8.
Сигнальный процессор 1 шиной интерфейса подключен к программируемому синтезатору 2 частоты, первый выход которого через усилитель 3 мощности соединен с входом вибрационного преобразователя 4, помещенного в исследуемую среду, вход усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления подключен к выходу вибрационного преобразователя 4, а его шина интерфейса и выход соединены с сигнальным процессором 1, выход датчика 6 температуры, помещенного в исследуемую среду, соединен с сигнальным процессором 1. Кроме того, вход синхронизации и второй выход синтезатора 2 частоты соединены с сигнальным процессором 1, подключенным шиной интерфейса к приемопередатчику 7, выходная шина 8 которого является входом- выходом устройства.The signal processor 1 via an interface bus is connected to a programmable frequency synthesizer 2, the first output of which through a power amplifier 3 is connected to the input of the vibration converter 4 placed in the medium under study, the input of the amplifier 5 with programmable gain is connected to the output of the vibration converter 4, and its interface bus and the output is connected to the signal processor 1, the output of the temperature sensor 6 placed in the test medium is connected to the signal processor 1. In addition, the synchronization input and the second 2 od frequency synthesizer coupled to the signal processor 1 connected to a transceiver bus interface 7, the output bus which is 8 vhodom- output device.
Устройство для реализации предложенного способа можно реализовать, например, на следующих элементах: сигнальный процессор 1 на DSP56F801; программируемый синтезатор 2 частоты на AD9834; усилитель 3 мощности можно выполнить на операционном усилителе общего применения; в качестве вибрационного преобразователя 4 может использоваться датчик, описанный в [4]; усилитель 5 с программируемым коэффициентом усиления на MCP6S21; датчик 6 температуры на DS18B20; а приемопередатчик 7 на МАХ233.A device for implementing the proposed method can be implemented, for example, on the following elements: signal processor 1 on the DSP56F801; 2 frequency programmable synthesizer on the AD9834; power amplifier 3 can be performed on a general purpose operational amplifier; as a vibration transducer 4, a sensor described in [4] can be used; programmable gain amplifier 5 on the MCP6S21; temperature sensor 6 on the DS18B20; and transceiver 7 on MAX233.
Данный способ основан на изменении частоты и добротности резонанса вибрационного преобразователя 4, помещенного в измеряемую среду, в зависимости от ее плотности и вязкости. Способ базируется на преобразовании Фурье с применением цифрового вычислителя, работающего в реальном масштабе времени, включает два режима работы и его можно представить, например, в виде следующих действий и операций:This method is based on changing the frequency and quality factor of the resonance of the vibration transducer 4, placed in the measured medium, depending on its density and viscosity. The method is based on the Fourier transform using a digital computer operating in real time, includes two modes of operation and it can be represented, for example, in the form of the following actions and operations:
В первом режиме осуществляют поиск зоны резонанса, для этого:In the first mode, a resonance zone is searched, for this:
Производят возбуждение непрерывных механических колебаний вибрационного преобразователя 4 с максимальной частотой Fmax [Гц] и фазовым сдвигом ψ=0 [рад], записывая коды частоты и фазового сдвига в соответствующие регистры синтезатора 2 частоты. При этом на первом выходе синтезатора 2 частоты формируется синусоидальный сигнал с заданными частотой и фазовым сдвигом, а на его втором выходе формируется меандр с фронтами, совпадающими с нулевыми значениями этого синусоидального сигнала.Continuous mechanical vibrations of the vibration transducer 4 are excited with a maximum frequency F max [Hz] and a phase shift ψ = 0 [rad], recording the frequency and phase shift codes in the corresponding registers of the frequency synthesizer 2. At the same time, a sinusoidal signal with a predetermined frequency and phase shift is formed at the first output of the frequency synthesizer 2, and a meander with fronts coinciding with zero values of this sinusoidal signal is formed at its second output.
Производят программирование усилителя 5, обеспечивая максимальный коэффициент усиления k=kmax.Amplifier 5 is programmed, providing a maximum gain of k = k max .
Для измерения выходного сигнала вибрационного преобразователя 4 производят расчет времени задержки τ для компенсации угла его фазового сдвига φ0 по формуле τ=(π/2-φ0)/2πFmax[с] и запись его кода во второй таймер сигнального процессора 1. Вычисляют период Td частоты дискретизации для синхронизации замеров входного сигнала как Тd=1/4Fmax[с] и записывают его код в первый таймер сигнального процессора 1 и запускают сторожевой таймер сигнального процессора 1 на время t=2/Fmax[с].To measure the output signal of the vibration transducer 4, the delay time τ is calculated to compensate for the angle of its phase shift φ 0 according to the formula τ = (π / 2-φ 0 ) / 2πF max [s] and record its code in the second timer of the signal processor 1. Calculate a period T d of the sampling frequency to synchronize measurements of the input signal as T d = 1 / 4F max [s] and write its code to the first timer of the signal processor 1 and start the watchdog timer of the signal processor 1 for a time t = 2 / F max [s].
Формируют выборку измеренных значений выходного сигнала с вибрационного преобразователя 4 на данном периоде частоты возбуждения. Для этого по фронту 0/1 сигнала со второго выхода синтезатора 2 частоты запускают второй таймер сигнального процессора 1, по прерыванию которого осуществляют первый запуск АЦП и запуск первого таймера сигнального процессора 1, далее запуск АЦП и перезапуск первого таймера производят по прерыванию первого таймера три раза, осуществляя тем самым четыре замера в выборке на этом периоде сигнала возбуждения, кроме того, по этому фронту перезапускают сторожевой таймер сигнального процессора 1, а если этого фронта не будет за время t, то по прерыванию сторожевого таймера фиксируют неисправность, выдавая ее соответствующим кодом. По прерыванию АЦП сигнального процессора 1 производят чтение его кода Uj, где j=0, 1, 2, 3 - номер замера на данном периоде частоты возбуждения.Form a sample of the measured values of the output signal from the vibration transducer 4 at a given period of the excitation frequency. To do this, on the edge 0/1 of the signal from the second output of the frequency synthesizer 2, the second timer of the signal processor 1 is started, upon interruption of which the first ADC is started and the first timer of the signal processor 1 is started, then the ADC is started and the first timer is restarted by interrupting the first timer three times thereby making four measurements in the sample at this period of the excitation signal, in addition, the watchdog timer of signal processor 1 is restarted along this front, and if this front is not present during time t, then by interruption Theological Watchdog fix the problem, giving it the appropriate code. Upon interruption of the ADC of the signal processor 1, its code U j is read, where j = 0, 1, 2, 3 is the measurement number for a given period of the excitation frequency.
Осуществляют контроль замеров в выборке по выполнению условия |Uj|<nmax Для всех четырех замеров в выборке на данном периоде сигнала возбуждения, где nmax - максимальное значение кода АЦП сигнального процессора 1.The measurements in the sample are monitored to satisfy the condition | U j | <n max For all four measurements in the sample for a given period of the excitation signal, where n max is the maximum value of the ADC code of the signal processor 1.
При отрицательном результате контроля любого кода замера в выборке производят автоподстройку коэффициента усиления, уменьшая коэффициент усиления ki в следующей выборке на данной частоте на заданный шаг. Производят вышеперечисленные действия до тех пор, пока не будет выполняться это условие для всех четырех замеров в выборке на данной частоте возбуждения. Если это условие не выполняется при ki=kmin где kmin - минимальный коэффициент усиления, то фиксируют неисправность, выдавая ее соответствующим кодом.If the control result of any measurement code is negative, the gain is automatically adjusted by decreasing the gain k i in the next sample at a given frequency by a given step. The above actions are performed until this condition is satisfied for all four measurements in the sample at a given excitation frequency. If this condition is not satisfied when k i = k min where k min is the minimum gain, then fix the malfunction, issuing it with the appropriate code.
При положительном результате контроля замеров в выборке производят нормирование, вычисляя коэффициент нормирования kn по формуле kn=kmin/ki и формируя нормированные данные Nj=kn Uj.If the measurement control result is positive in the sample, normalization is performed by calculating the normalization coefficient k n using the formula k n = k min / k i and generating normalized data N j = k n U j .
Осуществляют численным методом преобразование Фурье, вычисляя коэффициенты постоянной составляющей - а0 и амплитуды - a1, в1 первой гармоники входного сигнала по формулам:The Fourier transform is carried out numerically by calculating the coefficients of the constant component — a 0 and amplitudes — a 1 , in 1 of the first harmonic of the input signal using the formulas:
a0=(N0+N1+N2+N3)/4,a 0 = (N 0 + N 1 + N 2 + N 3 ) / 4,
a1=(N0-N2)/2,a 1 = (N 0 -N 2 ) / 2,
в1 i=(N1-N3)/2.in 1 i = (N 1 -N 3 ) / 2.
Производят контроль уровня помех.They control the level of interference.
По условию |а0|<δ2, где δ2 - заданный допуск, определяется необходимой точностью измерения, производят контроль уровня низкочастотной помехи.By the condition | a 0 | <δ 2 , where δ 2 is the specified tolerance, it is determined by the necessary measurement accuracy, and the level of low-frequency noise is monitored.
При отрицательном результате контроля запускают сторожевой таймер на время tn, где tn определяется максимальным периодом допустимой низкочастотной помехи, и повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения, начиная в следующей выборке с операции автоподстройки коэффициента усиления, до выполнения данного условия, после чего сбрасывают сторожевой таймер, а если это условие не выполняется за это время tn, то по прерыванию сторожевого таймера фиксируют отказ, выдавая его соответствующим кодом.If the control result is negative, the watchdog timer is started for a time t n , where t n is determined by the maximum period of permissible low-frequency noise, and the measurement cycle is repeated at a given excitation frequency, starting in the next sample with the automatic gain adjustment operation, until this condition is met, and then the watchdog is reset a timer, and if this condition is not satisfied during this time t n , then by interrupting the watchdog timer a failure is recorded, issuing it with the corresponding code.
В противном случае по условиям ||N0-а0|-|N2-а0||<δ1 иOtherwise, under the conditions || N 0 -a 0 | - | N 2 -a 0 || <δ 1 and
||N1-а0|-|N3-а0||<δ1, где δ1 - заданный допуск, определяется необходимой точностью измерения, производят контроль уровня высокочастотной или импульсной помехи.|| N 1 -a 0 | - | N 3 -a 0 || <δ 1 , where δ 1 is the specified tolerance, is determined by the necessary measurement accuracy, and the level of high-frequency or impulse noise is monitored.
При отрицательном результате контроля любого условия запускают сторожевой таймер на время tв, где tв определяется максимально допустимым временем действия высокочастотной помехи, и повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения, начиная в следующей выборке с операции автоподстройки коэффициента усиления, до выполнения данного условия, после чего сбрасывают сторожевой таймер, а если это условие не выполняется за это время tв, то по прерыванию сторожевого таймера фиксируют отказ, выдавая его соответствующим кодом.If the control result of any condition is negative, a watchdog timer is started for a time t in , where t in is determined by the maximum allowable exposure time of the high-frequency noise, and the measurement cycle is repeated at a given excitation frequency, starting in the next sample with the automatic gain adjustment operation, until this condition is fulfilled, after why the watchdog timer is reset, and if this condition is not fulfilled during this time t in , then upon interruption of the watchdog timer a failure is detected, issuing it with the corresponding code.
В противном случае по условиям |a1|<δ3 и |в1|<δ3, где δ3 - заданный допуск, определяется уровнем случайной составляющей выходного сигнала с вибрационного преобразователя 4, производят контроль наличия синфазной помехи.Otherwise, under the conditions | a 1 | <δ 3 and | in 1 | <δ 3 , where δ 3 is the specified tolerance, it is determined by the level of the random component of the output signal from the vibration converter 4, and the presence of common mode interference is checked.
При положительном результате контроля обоих условий производят перепрограммирование синтезатора 2 частоты, обеспечивая в следующей выборке фазовый сдвиг ψi=π [рад] и повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения, начиная с операции автоподстройки коэффициента усиления, при повторном аналогичном результате фиксируют неисправность, выдавая ее соответствующим кодом.With a positive result of monitoring both conditions, the frequency synthesizer 2 is reprogrammed, providing a phase shift ψ i = π [rad] in the next sample and the measurement cycle is repeated at a given excitation frequency, starting with the gain auto-tuning operation; if the same result is repeated, the malfunction is recorded, giving it appropriate code.
В противном случае приступают к поиску зоны резонанса, для этого:Otherwise, they begin to search for the resonance zone, for this:
- повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения заданное количество тактов, которое определяется постоянной времени вибрационного преобразователя 4, и вычисляют среднее значение A1 и B1 коэффициентов a1 и в1;- repeat the measurement cycle at a given excitation frequency, a predetermined number of clock cycles, which is determined by the time constant of the vibration transducer 4, and calculate the average value A 1 and B 1 of the coefficients a 1 and 1 ;
- фиксируют значения данные значения F, ψ, A1 и B1, формируя соответствующие элементы массивов МA, МB, МF и Мψ;- data values F, ψ, A 1 and B 1 fix the values, forming the corresponding elements of the arrays M A , M B , M F and M ψ ;
- производят перепрограммирование синтезатора 2 частоты, уменьшая частоту возбуждения на заданную величину, которая определяется постоянной времени вибрационного преобразователя 4, и повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения, формируя следующие элементы массивов, и так далее до минимальной частоты возбуждения;- reprogramming the frequency synthesizer 2, reducing the excitation frequency by a predetermined value, which is determined by the time constant of the vibration transducer 4, and repeat the measurement cycle at a given excitation frequency, forming the following array elements, and so on to the minimum excitation frequency;
- производят обработку полученных массивов, определяя Fi и ψi, при которых коэффициент А1 i имеет максимальное значение, при этом производят проверку фазового сдвига выходного сигнала вибрационного преобразователя 4 относительно сигнала возбуждения, вычисляя значение котангенса угла фазового сдвига по формуле ctg φi=Вi/Аi, и контролируют его на попадание в зону резонанса по выполнению условия |ctg φi|<δ4, где δ4 - заданный допуск, определяется необходимой точностью измерения;- the resulting arrays are processed by determining F i and ψ i at which the coefficient A 1 i has a maximum value, while checking the phase shift of the output signal of the vibration transducer 4 relative to the excitation signal, calculating the value of the cotangent of the phase shift angle by the formula ctg φ i = In i / А i , and control it for getting into the resonance zone by fulfilling the condition | ctg φ i | <δ 4 , where δ 4 is the specified tolerance, determined by the necessary measurement accuracy;
- при отрицательном результате исключаются элементы массива, соответствующие зафиксированному значению частоты возбуждения Fi, и определяется следующее значение периода частоты возбуждения Fi, при которой коэффициент A1 i+1 имеет максимальное значение.- with a negative result, the array elements corresponding to the fixed value of the excitation frequency F i are excluded, and the next value of the period of the excitation frequency F i at which the coefficient A 1 i + 1 has a maximum value is determined.
При положительном результате приступают к второму режиму работы, а именно поиску резонансных частот с заданными фазовыми сдвигами, для этого:With a positive result, they begin the second mode of operation, namely, the search for resonant frequencies with predetermined phase shifts, for this:
- производят программирование синтезатора 2 частоты, обеспечивая выдачу им сигнала возбуждения с определенной ранее частотой и фазовым сдвигом;- they program the synthesizer of 2 frequencies, providing them with an excitation signal with a previously defined frequency and phase shift;
- повторяют цикл измерения на данной частоте возбуждения Fi, получая соответствующие коэффициенты A1 i и В1 i и текущее значение ctg φi угла фазового сдвига;- repeat the measurement cycle at a given excitation frequency F i , obtaining the corresponding coefficients A 1 i and B 1 i and the current value of the phase shift angle ctg φ i ;
- по знаку текущего значения ctg φi определяют ближайшую резонансную частоту с заданными фазовыми сдвигами, например при плюсе с фазовым сдвигом - 45°, а при минусе с фазовым сдвигом - 135° относительно сигнала возбуждения;- by the sign of the current value ctg φ i , the nearest resonant frequency with the specified phase shifts is determined, for example, with a plus with a phase shift of 45 °, and with a minus with a phase shift of 135 ° relative to the excitation signal;
- осуществляют поиск этой частоты, формируя следующее значение Fi+1 частоты возбуждения по пропорциональному закону управления (приращение частоты возбуждения пропорционально отклонению текущего фазового сдвига относительно заданного) до выполнения условий обеспечения данных фазовых сдвигов - 1-δ5≤ctg φi≤-1+δ5 или 1-δ5≤ctg φi≤1+δ5, где δ5 - заданный допуск, определяется необходимой точностью измерения. После нахождения одной из резонансных частот с заданными фазовыми сдвигами аналогичным образом осуществляют поиск второй, вычисляют период T1 резонансной частоты с фазовым сдвигом - 135° и период Т2 резонансной частоты с фазовым сдвигом - 45°, после чего переходят к удержанию резонансных частот с заданными фазовыми сдвигами и расчету выходных параметров, для этого:- search for this frequency, forming the following value F i + 1 of the excitation frequency according to the proportional control law (the increment of the excitation frequency is proportional to the deviation of the current phase shift relative to the specified one) until the conditions for ensuring these phase shifts are satisfied - 1-δ 5 ≤ctg φ i ≤-1 + δ 5 or 1-δ 5 ≤ctg φ i ≤1 + δ 5 , where δ 5 is the specified tolerance, determined by the required measurement accuracy. After finding one of the resonant frequencies with the given phase shifts, the second one is similarly searched for, the period T 1 of the resonant frequency with a phase shift of 135 ° is calculated and the period T 2 of the resonant frequency with a phase shift of 45 °, after which they go on to hold the resonant frequencies with the given phase shifts and calculation of output parameters, for this:
- поочередно программируют синтезатор 2 частоты для генерирования определенных выше частот возбуждения с заданными фазовыми сдвигами, повторяя цикл измерения на каждой частоте возбуждения и производя на каждой заданное количество измерений, которое определяется необходимой точностью измерения, осуществляя при этом контроль условий -1-δ5≤ctg φi≤-1+δ5 или 1-δ5≤ctg φi≤1+δ5 и подстраивая при необходимости частоту возбуждения с учетом знака в ту или иную сторону;- alternately programming a frequency synthesizer 2 for generating the above-defined excitation frequencies with predetermined phase shifts, repeating the measurement cycle at each excitation frequency and making for each specified number of measurements, which is determined by the required measurement accuracy, while monitoring the conditions -1-δ 5 ≤ctg φ i ≤-1 + δ 5 or 1-δ 5 ≤ctg φ i ≤1 + δ 5 and, if necessary, adjusting the excitation frequency taking into account the sign in one direction or another;
- вычисляют средние значения T1 Σ и Т2 Σ [с];- calculate the average values of T 1 Σ and T 2 Σ [s];
- вычисляют полосу зоны резонанса по формуле Z=T1 Σ-Т2 Σ [с];- calculate the band of the resonance zone according to the formula Z = T 1 Σ -T 2 Σ [s];
- контролируя выполнение условия Z<δZ, где δZ - заданный допуск, компенсируют влияния вязкости на плотность, при положительном результате вычисляя период частоты резонанса TR по формуле TR=T1 Σ [с], в противном случае по формуле TR=T1 Σ-v(Z-z) [с], где v, z - коэффициенты учета влияния вязкости на плотность;- controlling the fulfillment of the condition Z <δ Z , where δ Z is the specified tolerance, compensate for the effect of viscosity on the density, if the result is positive, calculating the period of the resonance frequency T R by the formula T R = T 1 Σ [s], otherwise by the formula T R = T 1 Σ -v (Zz) [s], where v, z are coefficients for taking into account the effect of viscosity on density;
- осуществляя чтение кода датчика 6 температуры, определяют температуру t° измеряемой среды;- by reading the code of the temperature sensor 6, determine the temperature t ° of the measured medium;
- контролируя условие TR<δП, где δП - заданный допуск, определяют диапазон, при положительном результате вычисляя плотность с учетом температурной поправки, по интерполяционной формуле учитывающей нелинейность характеристики вибрационного преобразователя 4 Р=Р0+κ0(ТR)2+κtt° [кг/м3], где κt - коэффициент температурной поправки плотности, в противном случае меняют константы Р0 на P1, а к0 на к1.- controlling the condition T R <δ P , where δ P is the specified tolerance, determine the range, if the result is positive, calculate the density taking into account the temperature correction, using the interpolation formula taking into account the non-linearity of the characteristics of the vibration transducer 4 P = P 0 + κ 0 (T R ) 2 + κ t t ° [kg / m 3 ], where κ t is the coefficient of temperature correction of density, otherwise the constants P 0 are changed to P 1 , and k 0 to k 1 .
- контролируя условие Z<δV, где δV - заданный допуск, определяют диапазон, при положительном результате вычисляя вязкость по интерполяционной формуле учитывающей нелинейность характеристики вибрационного преобразователя 4- controlling the condition Z <δ V , where δ V is the specified tolerance, determine the range, with a positive result, calculating the viscosity by the interpolation formula taking into account the nonlinearity of the characteristics of the vibration transducer 4
V=Р[κ2(Z)2+κ3Z+Δ1] [м2/с], где κ2, κ3, Δ1 - константы преобразования полосы зоны резонанса в вязкость, в противном случае меняют константы к2 на к4, к3 на к5, a Δ1 на Δ2 и производят выдачу результатов.V = P [κ 2 (Z) 2 + κ 3 Z + Δ 1 ] [m 2 / s], where κ 2 , κ 3 , Δ 1 are the constants of the conversion of the band of the resonance zone into viscosity, otherwise the constants to 2 to k 4 , to 3 to k 5 , a Δ 1 to Δ 2 and produce results.
Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом.A device that implements this method works as follows.
При включении питания происходит инициализация сигнального процессора 1, то есть начинает выполняться соответствующая программа, которая производит сброс соответствующих регистров, сброс ячеек памяти ОЗУ в ноль, маскирование соответствующих прерываний, программирование портов ввода - вывода и регистров управления и тому подобное.When the power is turned on, the signal processor 1 is initialized, that is, the corresponding program starts, which resets the corresponding registers, resets the RAM memory cells to zero, maskes the corresponding interrupts, programs the I / O ports and control registers, and the like.
Далее сигнальный процессор 1 инициализирует синтезатор 2 частоты, записывая в его регистры управления и регистры частоты и фазы соответствующие коды по соответствующим линиям связи шины интерфейса, при этом на первом выходе синтезатора 2 частоты формируется синусоидальный сигнал частоты возбуждения, который через согласующий усилитель 3 мощности подается на вход возбуждения вибрационного преобразователя 4, а на его втором выходе формируется меандр с фронтами, соответствующими переходам через ноль синусоидального сигнала, и этот меандр по соответствующей линии связи подается на соответствующий вход сигнального процессора 1, осуществляющего синхронизацию процесса измерения в выборке по фронту 0/1 этого меандра путем запуска встроенного АЦП в определенные моменты времени. Кроме того, сигнальный процессор 1 контролирует с помощью сторожевого таймера период этого меандра, выдавая соответствующий код неисправности при его отсутствии, затем сигнальный процессор 1 инициализирует усилитель 5 с программируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом вибрационного преобразователя 4, а выход через соответствующую линию связи подключен к входу АЦП сигнального процессора 1, записывая в него по линиям связи шины интерфейса соответствующие коды и устанавливая максимальный коэффициент усиления, после чего сигнальный процессор 1 приступает к инициализации датчика 6 температуры, аналогично записывая в него по шине интерфейса соответствующие коды, завершая тем самым инициализацию всего устройства. После чего сигнальный процессор 1 приступает к выполнению программы, реализующей вышеизложенный способ, выдавая результаты по интерфейсу RS - 232 через приемопередатчик 7 на выход 8.Next, the signal processor 1 initializes the frequency synthesizer 2 by writing the corresponding codes to the control registers and frequency and phase registers along the corresponding communication lines of the interface bus, while a sinusoidal excitation frequency signal is generated at the first output of the frequency synthesizer 2, which is fed to the power amplifier 3 the excitation input of the vibration transducer 4, and at its second output a meander is formed with fronts corresponding to transitions through a zero sinusoidal signal, and this meander on the corresponding communication line it is fed to the corresponding input of the signal processor 1, which synchronizes the measurement process in the sample along the edge 0/1 of this meander by starting the built-in ADC at certain points in time. In addition, the signal processor 1 monitors the period of this meander using a watchdog timer, issuing a corresponding malfunction code if it is absent, then the signal processor 1 initializes the amplifier 5 with a programmable gain, the input of which is connected to the output of the vibration transducer 4, and the output through the corresponding communication line connected to the input of the ADC of the signal processor 1, writing into it the corresponding codes on the interface bus lines and setting the maximum gain, pos e then the signal processor 1 starts initialization of the temperature sensor 6, similarly to recording it in the bus interface corresponding codes, thereby completing the initialization of the whole device. After that, the signal processor 1 starts to execute the program that implements the above method, giving the results through the RS - 232 interface through the transceiver 7 to the output 8.
Формат сообщения по интерфейсу RS - 232 следующий:The message format on the RS-232 interface is as follows:
- первый байт - байт адреса устройства - устанавливается соответствующей командой по данному интерфейсу;- the first byte - the address byte of the device - is set by the appropriate command on this interface;
- второй байт - байт режима, при этом старший нибл - нибл режима, где в соответствующих битах указаны режимы работы устройства, а именно поиска зоны резонанса, поиска частот резонансов с заданными фазовыми сдвигами, режима захвата и фазовой автоподстройки этих частот, кроме того, режим работы по интерфейсу RS - 232: подчиненный или мастер, при этом в режим мастер устройство устанавливается соответствующей командой по данному интерфейсу, младший нибл - нибл кода неисправности, где соответствующим кодом указаны выявленные неисправности;- the second byte is the byte of the mode, while the highest nibble is the nibble of the mode, where the operation modes of the device are indicated in the corresponding bits, namely the search for the resonance zone, the search for resonance frequencies with predetermined phase shifts, the capture mode and phase-locked loop of these frequencies, in addition, the mode work on the RS - 232 interface: subordinate or master, while the master device is installed in the master mode by the appropriate command on this interface, the lowest nibble of the fault code, where the identified faults are indicated by the corresponding code;
- третий байт - младший байт значения плотности;- the third byte is the least significant byte of the density value;
- четвертый байт - старший байт значения плотности;- the fourth byte is the high byte of the density value;
- пятый байт - младший байт значения вязкости;- fifth byte - the least significant byte of the viscosity value;
- шестой байт - старший байт значения вязкости;- sixth byte - the highest byte of the viscosity value;
- седьмой байт - младший байт значения температуры;- seventh byte - low byte of the temperature value;
- восьмой байт - старший байт значения температуры;- eighth byte - high byte of the temperature value;
- девятый байт - байт контрольной суммы.- ninth byte - checksum byte.
Таким образом, введение новых действий и операций, а также новых связей и элементов позволило существенно повысить точность как за счет измерения при максимально возможном входном сигнале, так и за счет компенсации температурных погрешностей, нелинейности характеристики вибрационного преобразователя и учета влияния плотности на вязкость, расширить диапазон измерения соответственно и область применения устройства за счет программно реализованной регулировки коэффициента усиления, а гармонический анализ на основе преобразования Фурье позволяет существенно повысить помехоустойчивость, кроме того, измерение вязкости позволяет расширить функциональные возможности.Thus, the introduction of new actions and operations, as well as new connections and elements, made it possible to significantly increase accuracy both by measuring at the maximum possible input signal, and by compensating for temperature errors, non-linearity of the characteristics of the vibration transducer and taking into account the effect of density on viscosity, to expand the range measurements, respectively, and the scope of the device due to the software-implemented gain control, and harmonic analysis based on the Fur transform It can significantly increase noise immunity, in addition, the measurement of viscosity allows you to expand the functionality.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1017971, МПК G01N 11/16, 15.01.1982.1. USSR author's certificate for the invention No. 1017971, IPC G01N 11/16, 01/15/1982.
2. Патент РФ на изобретение №2263305, МПК G01N 25/02, 27.10.2005.2. RF patent for the invention No. 2263305, IPC G01N 25/02, 10.27.2005.
3. Патент США на изобретение №4996656, МПК G01N 9/00, 26.02.1991.3. US patent for the invention No. 4996656, IPC G01N 9/00, 02.26.1991.
4. Патент РФ на изобретение №2024841, МПК G01N 9/32, 15.12.1994.4. RF patent for the invention No. 2024841, IPC G01N 9/32, 12/15/1994.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006122188/28A RU2349897C2 (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Density and viscosity measurement method and related device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006122188/28A RU2349897C2 (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Density and viscosity measurement method and related device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006122188A RU2006122188A (en) | 2008-01-10 |
| RU2349897C2 true RU2349897C2 (en) | 2009-03-20 |
Family
ID=39019678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006122188/28A RU2349897C2 (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Density and viscosity measurement method and related device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2349897C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9329115B2 (en) | 2009-04-29 | 2016-05-03 | Nest International N.V. | Fluid density measurement device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2557680C2 (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-27 | Закрытое акционерное общество "Авиатех" | Method for determining parameters of liquid in tank and device for its implementation |
-
2006
- 2006-06-21 RU RU2006122188/28A patent/RU2349897C2/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9329115B2 (en) | 2009-04-29 | 2016-05-03 | Nest International N.V. | Fluid density measurement device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006122188A (en) | 2008-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6507791B2 (en) | Digital flowmeter | |
| US8447534B2 (en) | Digital flowmeter | |
| JP7323531B2 (en) | Test bench and method for performing dynamic test sequences for test structures | |
| US20100011882A1 (en) | Method for operating a vibratory measuring instrument, and corresponding instrument | |
| EP2610608A1 (en) | Gas measurement apparatus and method for setting the width of wavelength modulation in a gas measurement apparatus | |
| JP2007078681A (en) | Test method of mass flowmeter | |
| RU2349897C2 (en) | Density and viscosity measurement method and related device | |
| EA015659B1 (en) | Method for reducing cumulative timing error of oscillator frequency by adjusting clock frequency | |
| GB2577276A (en) | Signal processing | |
| US20160103053A1 (en) | Method and device for determining the filling quality of a frequency oscillator | |
| RU2707576C1 (en) | Method for calculating current difference of phase and frequency of signals of inertial flow meters (versions) | |
| RU2673950C1 (en) | Method for determining forms of vibrations of rotating wheels of turbomachines | |
| CN106104205A (en) | For optimizing the method for turn-on time of Coriolis gyro and being applicable to this Coriolis gyro | |
| EP1484585B1 (en) | Coriolis flowmeter with digital control system | |
| Kotkowski et al. | Diagnostics of turbine blades, based on estimation of frequency response function | |
| SU798185A1 (en) | Method and device for control of structure vibrotreatment | |
| RU2466368C1 (en) | Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) | |
| RU1773164C (en) | Method of vibration test of objects | |
| SU864062A1 (en) | Method and device for determining rheological characteristics | |
| SU1739268A1 (en) | Method for determination of thermal device transient response | |
| Bloch et al. | The reflectometer-an indispensable instrument for eliminating frequency jumps and noise in precision crystal oscillators | |
| JPH0365857B2 (en) | ||
| Dostálek et al. | The Frequency Response Estimation Using Swept-sine Excitation with Observer | |
| Robin-McCaskill | Development of DARS II for the Measurement of Pressure Dependent Quality Factor and Compressibility of Small Rock Samples | |
| CN115950787A (en) | U-shaped vibrating tube densimeter and oil product standard density calculation method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090622 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120710 |