SU1038828A1 - Плотномер - Google Patents

Abstract

ПЛОТНОМЕР, со ержагдай вибрирующий чувствительный элемент,возбуждающую и приемную катушки, оси которых лежат в плоскост х, перпендикул рных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  профил  плотности жидкости, в него дополнительно введены резистивный чувствительный элемент, изготовленный из проволоки с высоким омическим сопротивлением и расположенный параллельно вибрирующему чувствительному элементу, сумматор, амплитудный селектор , преобразователь сопротивление - частота, смеситель, усилитель мощности, причем выходы приемных катушек соединены с входами сумматора, .выход которого последовательно через предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности св зан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входом преобра- :зовател . сопротивление - частота,первый выход которого соединен с первым § входом смесител , а второй выход - с , первым входом регистратора, при этом второй вход смесител  соединен с вторым выхбдом предварительного усилител  , а выход смесител  соединен с вторым входом регистратора.

Description

ICA3

зс

Хз

NS

эс ИзЛбретение относитс  к океаногра фическим измерени м и может бы.ть использовано дл  определени  профил  плотности морской воды вблизи границы раздела море - атмосфера в услови  х волнени . -КрЬме того, оно примени МО дл . из 1epeни  профил  плотности в устройствах технологического контрол  плотности различных жидкостей. Известен проточный виброплотномер содержа11Ий резонирующий цилиндр (внутри которого движетс  исследуема жидкость), возбудитель и приемник по перечных колебаний стенок цилиндра Г. Указанный виброплотномер сложен в изготовлении, и его применение в морской практике всегда затруднитель но в св зи с тем, что база прибора ограничена по высоте, следовательно, измерение профил  плотности проводит им невозможно. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс)  плотномер, содержащий вибрирующий чувствительный элемент, возбуждающие и приемные катушки, оси которых лежат в плоскост х, перпендикул рных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор. Чувстзительный элемент выполнен в ви де -цилиндрического резонатора. Цилиндр совершает радиальные колебани  на резонансной частоте, которые возбуждаютс  и поддерживаютс  цепью попожительной обратной св зи,- состо щей из приемника и возбуждающей кату1ики , соединенной со входом усилите л  Г23. Достоинствами данного плотномера  вл ютс  высок 1Я точность, чувствительность и надежность, непосредственное преобразование искомой плотности в частотный выходной сигнал, возможность применени  при высоких давлени х дл  широкой номенклатуры контролируемых сред. Однако применение частотного плотномера дл  измере ний на границе раздела вода - воздух в морских услови х св зано с непреодолцмыми трудност ми: вибрирующий чувствительный элемент должен быть либо полностью погружен в воду, либо граница, по которой происходит раздел вода - воздух, должна быть фиксированной относительно длины чувствител ного элемента. Последнее означает,что измерени  должны проходить в штиль, когда поверхность жидкости абсолютно неподвижна, а ёто в морских услови х практически обеспечить нереально. Если же чувствительный элемент попностью пог эузить в воду, то невозможно обеспечить щжв зку последнего к месту измерени  - нестационарной границе раздела. Дл  обеспечени  прив зки необходимо построить след щую систему, котора  обеспечивала бы вертикальное перемещение плотномера с высокой точностью по закону изменени  границы раздела в месте измерени . Создание такой системы - чрезвычайно сложна  задача. Цель изобретени  - повышение точности измерени  профил  плотности жидкости вблизи границы раздела жидкость - газ и раоиирение функциональных возможностей измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в плотномере, содержащем вибрирующий чувствительный элемент, возбуждающую и приемные катушки, оси которых лежат в плоскост х, перпендикул рных чувствительному элементу, расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратф, дополнительно введены резистивный чувствительный элемент, изготовленный из проволоки с высоким омическим сопротивлением и расположенный параллельно вибрирующему чувствительному элементу, сумматЬр, амплитудный селектор , преобразователь сопротивление - частота, смеситель, усилитель мощности, причем выходы приемных катушек соединены с входами сумматора, зыхоц-которого последовательно через предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности св зан с входом возбуждающей катушки , а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входсм преобразовател  сопротивление - частота , pepвый вход которого соединен с первым входом смесител , а втедрой выход - с первым входом регистратора , при этом ВТсрой вход смесител  соединен с вторым выходом предварительного усилител , а выход смесител  соединен с вторым входом регистратора . На фиг.1 представлен один из вов-можных вариантов выполнени  плотномера , разрез; на фиг.2 - блок приеЯ1Ных катушек (звукоснимателей), разрез; на фиг.З - функциональна  схема плотномера. Корпус плотномера представл ет собой трубу 1, к верхней и нижней част м которой прикреплены кронштейны 2. К центральной части корпуса прикреплена возбуждающа  катушка 3 с встроенным сердечником (электромагнит ). В верхней части корпуса на прутке 4 укреплен блок 5 приёмных катушек в плоскости, перпендикул рной -чувствительному элементу 6. Вибрирующий чувствительный элемент б, выполненный из стального провода, жестко закреплен нат жными винтами 7 на выступах 8, расположенных на кронтейнах 2, и проходит по центру блока 5 приемных катушек. Параллельно вибрирующему чувствительному элементу б на изол торах 9 закреплен резистивный чувствительный элемент 10, изготовленный из провело ки с высоким омическим сопротивлением . Блок 5 приемных катушек (звукосни мателей) представл ет собой индуктив ные катушки 11, внутри которых помещены посто нные магниты 12, креплени катушек 11 осуществл етс  кольцом 13 Действие звукоснимателей основано на том, что при колебани х ферромагнитной струны б в магнитном поле в катушке возникает ЭДС, величина которо пропорциональна скорости- изменени  магнитного потока. Однако даже идеальный звукосниматель не может точно трансформировать весь спектр частот, воспроизводимый струной, так как струна колеблетс  в различных плоскост х ( прецессирует) , а направление магнитного пол  остает с  неизменным. Следовательно, переда ча звуковых частот не будет линейной что приводит к понижению точности из мерений. Поэтому блок звукоснимателе содержит несколько звукоснимателей, например три, расположенных под углом 120 друг к другу. При этом в какой бы плоскости не происходили колебани  струны 6, суммарный сигнал на выходе звукоснимателей всегда содержит весь спектр исследуемых частот . , Блок-схема плотномера (фиг.З) сое тоит из возбуждающей катушки (электромагнита ) 3, трех приемиых катушек 11 (звукоснимателей), чувствительного элемента (вибрирующей струны) б, сумматора 14-,предварительного усилител  15, амплитудного селектора 16, усилител  17 мощности, резистивного чувствительного элемента 10, преобразовател  18 сопротивление - частота , смесител  19 и регистратора 20. Вибрирующий чувствительный элемент б св зан с катушками 11, как описано выше. На схеме 3 эти св зи указаны штриховыми лини ми. Катушки 11 соединега : с сумматором 14, выход которого через предварительный усили тель 15 св зан с одним из входов сме сител  19, выход которого соединен с регистратором 20. Второй выход предварительного усилител  15 соединен с возбуждающей катушкой 3 через включенные последовательно амплитудный селектор 16 и усилитель 17 мощности. Цепь 14-15-16-17-3 служит дл  периодического включени  электромагнита Iвозбуждающей катушки) 3,. Резисггивный чувствительный элемент 10 соединен с входом преобразовател  18 сопротивление - частота, выходы которого подключены к второму входу смесител  19, а также к входу регистратора 20. Плотномер работает следующим образом . При подаче питани  на измерительную схему плотномера срабатывает электромагнит 3, который прит гивает струну 6. При этом возникают колебани  струну-1 с Частотой собственных колебаний дл  струны, наход щейс  в воздухе) ) где ii -. длина струны; То - сила-нат жени  струны; fj, - линейна  плотность струны. Собственную частоту малых колебаний струны, полностью погруженной в жидкость, можно рассчитать по форму -in/ (f-ff-cyVe М где р - плотность жидкости,S - площаД1 -продольного разреза струны (миделево сечение) , С - положительный коэффициент, , завис щий от свойств жидкости (дл  воздуха ОО); Е - длина струны. В формуле (2) первое слагаемое определ ет собственную частоту колебаний струны в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую вли ние сопротивлени  жидкости на собственную частоту колебаний струны. Причем,,как видно из формулы (2), эта поправка всегда будет отрицательной , т.е. при полном погружении струны в жидкость ее собственна  частота будет уменьшатьс ( . Дл  струны, частично погруженной в жидкость, аналитическое выражение дл  собственной частоты получить невозможно , однако, провед  достаточно громоздкий анализ, можно показать. что в форму)1е (2) под корнем первое Слагаемое не изменитс , а во втором слагаемом вместо сомножител  t повл етс  функционал вида i(-),где . . :Л.. 2.- длина части струны, котора  наодитс  в жидкости. Очевидно, что при|2-е€(|-Ьсу е $ {- 1$, а при (,-|-).o, где - собственна  частота струны, астично погруженной в жидкость. Таким образом, если струну поместить на границу раздела вода -г воздух так, чт,о часть струны находитс  в воздухе, и периодически возбуждать собственные колебани , то частота будет определ тьс  в каждый момент времени плотностью воды и амплитудой волны. Если же р дом с чувствительным элементом разместить параллельно ему резистивный чувствительный элемент (струну с большим удельным со- . противлением), то волна, шунтиру  часть струны, будет измен ть омическое сопротивление струны по закону изменени  амплитуды волны, и по изменению этого сопротивлени  можно определить амплитуду волны, Если из амплитуды волны, получен ной с вибрирующего чупст витального элем ита, вычесть амплитуду волны, пол;--- енную с резистивного чувствительного элемента, котора  от плотности воды не зависит, то получим величину, завис щую только от плотности воды, и потому  вл ющуюс  мер изменени  плотности воды. Таким образом, возникшие колебани  струны 6 вследствие присутстви  води  вл ютс  затухакщими. Как толь ко амплитуда колебаний струны, а следовательно, суммарна  наведенна  ЭДС на выходах приемных катушек 11, станет равной порогу чувствительнос ти . амплитудного селектора 16, через приемные кат,Т1КИ 11, сумматор 14 и предварительный усилитель 15 срабаты вает амплитудный селектор 16. Сигнал с амплитудного селектора 16 поступае на усилитель 17 мощности и далее на электромагнит 3. Процесс повтор етс  т.е. после действи  каждого очередно го импульса амплитуда колебаний стру ны возрастает, а затем постепенно за тухает. Срабатывает .амплитудный селектор 16 и т.д. Резистивный чувствительный элемен 10, выполненный из высокоомного провода (например, манганина), вырабаты вает сигнал, пропорциональный, амплитуде волны. При этом морска  вода щунтирует тот участок струны, которы находитс  в ней. Так образом, сопротивление струны измен етс  пропорцио нально амплитуде морской волны. С вы хода резистивного чувствительного элемента 10 сигнал поступает на вход преобразовател  18 сопротивление - ча тбта и далее в смеситель 19. Одновре менно в смеситель 19 поступает сигна с выхода предварительного усилител  15. Результирующий сигнал, длитель ность импульса которого пропорциональна плотности морской воды, с выхода смесител  19 поступает на регистратор (Частотомер) 20,где одновременно регистрируетс  частота с выхода преобразовател  18 сопротивление - частота, несуща  информацию об амплитуде морской волны. Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со сме сител  19 на регистратор 20, пропорциональна только плотности морской воды, поскольку, как показано выше, в смесителе 19 взаимно компенсируютс  составл юща  сигнала чувствительного элемента б, завис ща  от амплитуды волны, и сигнал с резистивного элемента 10, также пропорциональный амплитуде волны. Таким образом, применение предлагаемого изобретени  увеличивает точiHocTb измерени  в услови х волнени  мор  и упрощает измерительную систему , так как отпадает необходимость применени  след щей системы границы раздела вода - воздух. При этом вибрирующий чувствительный элемент не обрастает микроорганизмами, а расположение резистивного чувствительного элемента р дом с вибрирующим чувствительным элементом приводит к тому, что и резистивный чувствительный элемент также не подвергаетс  обрастанию вследствие колебаний воды, вызванных вибрирующим чувствительным элементом. Следовательно, кроме повышени  точности, повышаетс  надеж- . ность и долговечность чувствительных элементов. В св зи с тем, что, кроме основного параметра - плотности морской воды, одновременно регистрируетс  и амплитуда морской волны, расшир ютс  функциональные возможности устройства, Резистивные чувствительные элементы обеспечивают измерение амплитуды морской волны с точностью ±1 мм. Эта погрешность определ етс  в основном физико-химическими свойствами жидкости . Покажем, какую погрешность может внести присоединенна  масса воды высотой 1 мм. Присоединенна  масса воды определ етс  так: ,, сГм -Tfv р. (3) Пусть диаметр вибрирующего чувствительного элемента (струны) равен 0,5 мм, а плотность морской воды 1,01 г/см .В этом случае присоединенна  масса воды равна 863510 г. .Если в воде находитс  1 м вибрирующего чувствительного элемента, на него , действует присоединенна  масса воды, равнс1  86,3510 г. Масса 1 м стальвой струны по формуле (3) равна 6,0445 г, Рст 77 г/см. Если плот-; номер не погружен в жидкость, то основна  частота вибрирующего чувствительного элемента в воздухе 70 Гц (олитный образец плотномера). Опреде лим изменение частоты ви брирукнце го чувствительного элемента по фсчэмуле f-- oVvMe7K «cM We),(41 где Viij, - масса струны; Упg - присоединенна  масса волы. Если плотномер погружен в воду, о при длине струны 2 м определена  по формуле (4) частота на выходе редварительного усилител  15 равна 5,479001 Гц. Определим изменение астоты вибрирующего чувствительного лемента с учетом погрешности tl мм. этом случае частота на выходе пребразовател  18 сопротивление - часота равна 65,476957 Гц. Погрешность, носима  резистивным чувствительным лементом, точность которого i: 1 мм, л .плотности воды 1,01 г/см равна

0,0031%. Очевидно, с увеличением плотности воды погрешность должна возрасти.

Проведем аналогичные расчеты дл  плотности морЬкой воды 1,2 г/см ( плотность морской воды в заливе Кара-Богаз-Гол ), В этом случае присоединенна  масса на 1 м столба воды равна 94310 г, соответственно на 1 м чувствительного элемента воды она равна 94210 г. Бели плотномер полностью погружен в воду, при 2 м частота на выходе предварительного усилител  15 равна .65,1101 Гц.

Определим частоту на выходе смесител  19 с учетом norpeitiHocTH, вноСИМОЙ резистивннм чувствительным элементом, точность которого ±1 мм дл  плотности воды 1,2 г/см. Частота на выходе преобразовател  18 сопротивление - частота 65,10791 Гц, cooTBeTCTBegHo на выходе смесител  19 0,00219 Гц. Отсюда погрешность составл ет 0,033%.

Таким образом, погрешность, вносима  резистивным чувствительным .элементом дл  разных плотностей морской воды в предельном случае не превыш ет 0,033%, Сравним эту погрешность с погрешностью проточного плотномера с замкнутым камертоном, котора  только от нелинейности последнего составл ет 0,5%.

Однако целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  профил  плотности жидкости на границе раздела . Классическим методом измерени  профил  различных физическ 1х величин  вл етс  метод, основанный на прив зке первичного преобразовател  к нестационарной границе раздела. Осуществл етс  этот метод, например, с помощью устройства дл  измерени  профил  гидрофизических величин на границе раздела. Устройство представл ет собой систему автоматизированного электропривода, осуществл ющего прот жку первичных преобразователей вертикально относительно границы раздела . Основным задающим элементом такого устройства  вл етс  волнограф при измерени х в услови х морского волнени ,. Волна,  вл етс  возмущающим воздействием системы.

Поддержание заданной точности регулируемой величины при различных возмущени х  вл етс  определ ющим показателем качества статических в установившемс  режиме.

Основа статических расчетов автоматизированных систем выражаетс  известным уравнением

.fc ,

(F)

где A:°/O - статическа  точность; дР7с. отклонение регулируемой

величины в разомкнутой системе; | - статический коэффициент

усилени  разомкнутой системы , требуемый дл  обеспечени  заданной точности. Статическа  точность равна 2,5%. Экспериментально установлено, что точность определени  плотности предлагаемым плотномером не превышает 0,6%. Следовательно, точность измерени  профил  плотности жидкости на границе -раздела предлагаемым устройством превышает в 4 раза точность измерени  устройством, осуществл ющим прив зку плотномера к нестационарной границе раздела. При этом расширены фуйкцибнальные возможности плотномера , так как он одновременно регистрирует амплитуду волны.

/,

т

irvJAVsX

5

/

Фиг. 2

Claims (1)

1. ПЛОТНОМЕР, содержащий вибрирующий чувствительный элемент возбуждающую и приемную катушки, оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения профиля плотности жидкости, в него дополнительно введены резистивный чувствительный элемент, изготовленный из проволоки с высоким омическим сопротивлением и расположенный парал'лельно вибрирующему чувствительному элементу, сумматор, амплитудный селектор, преобразователь сопротивление - частота, смеситель, усилитель мощности, причем выхода приемных катушек соединены с входами сумматора, выход которого последовательно через предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности связан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входом преобразователя.сопротивление - частота,первый выход которого соединен с первым входом смесителя, а второй выход - с первым входом регистратора, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выхддом^чпредварительного усилителя , а выход смесителя соединен с вто¹рым входом регистратора.

   Q (Л о

   □о □о iOc >