SU1140001A1 - Плотномер - Google Patents

Abstract

ПЛОТНОМЕР, содержащий чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке. преобразователь сопротивление - частота , вход которого соединен с чувствительным элементом, а выход - с входами регистратора и смесител , второй вход смесител  соединен с вторым выходом предварительного усилител , выход смесител  подключен к второму входу регистратора, о тл и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью уменьшени  погрешности измерений и упроще1и1  конструкции устройства, на чувствительном элементе в месте. расположени  возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала, верхний конец чувствительнего элемента прикреплен к упругой пластине .из диэлектрического матери (Л ала, механически соединенной с пье3O3J:eMeHTOM , причем дополнительно введен фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу пьезоэлемента , а выход - к входу предва аш рительного усилител . liiMk

Description

11 Изобретение относитс  к океанографическим измерени м и может быть использовано дл  определени  профил  плотности морской воды вблизи границы раздела море-атмосфера в услови х морского волнени . Кроме того, оно применимо дл  измерени  профил  плотности в устройствах технологического контрол  плотности различных жидкостей. Известен плотномер, содержащий вибрирующий чувствительный элемент возбуждающие и приемные 1 атушки, оси которых лежат в плоскости, перпендикул рной чувствительному элементу , расположенному вблизи катушек , предварительный усилитель и регистратор. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического резонатора . Цилиндр совершает радиаль ные колебани  на резонансной частоте , которые возбуждаютс  и поддерживаютс  цепью положительной обратной св зи, состо щей из приемника и иозбуждак) катушки, соединенной со входом усилител  m. Достоинством данного плотномера  вл етс  высока  точность и надежность , непосредственное преобразов ние измер емой плотности в частный выходной сигнал, возможность применени  при высоких давлени х дл  широкой номенклатуры контролируемых сред. Однако известный плотномер не м жет быть применен дл  измерени  на границе раздела двух сред. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  плотномер, содержащий чувствитель- ный элемент в виде струны из ферромагнитного материала и закрепленной параллельно ей струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку , расположенную вблизи чувствител ного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивлени  - частота, вхо которого соединен с чуйствительным элементом, а выход - со входами регистратора и смесител , второй вход смесител  соединен со вторым входом предварительного усилител , выход смесител  подключен ко втором входу регистратора. Вблизи вибрирующей струны установлены три индуктивные катушки, подключенные через сумматор к предварительному усилителю Ff , Достоинством данного плотномера  вл етс  относительно высока  точность , чувствительность, надежность, возможность измерени  профил  плотности воды вблизи границы раздела вода - воздух в услови х морского волнени . К недостаткам данного устройства относ т наличие погрешностей, св занных , во-первых, с тем, что высота волны резистивным и вибрирующим чувствительными элементами определ етс  в разных точках взволнованной поверхности, поскольку эти элементы наход тс  на некотором рассто нии друг от друга, во-вторьк, с наличием паразитной вибрации корпуса, вызванной ударами о него волны, в третьих, с наличием электромагнитных наводок в блоке приемных катушек от возбуждающей катушки. Кроме того, наличие двух струн и трех приемных индуктивных катушек усложн ет устройство. Цель изобретени  - снижение погрешности измерени  и упрощение устройства . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в плотномере, содержащем чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивление-частота , вход которого соединен с чувствительным элементом, а выходсо входами регистратора и смесител , второй вход смесител  соединен со вторым выходом предварительного усилител , вход смесител  подключен . ко второму входу регистратора, на чувствительном элементе в месте расположени  возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала , верхний конец чувствительного элемента прикреплен к упругой пластине из диэлектрического материала , механически соединенной с пьезоэлементом , причем в устройство дополнительно введен фильтр низких

частот, вход которого подключен к выходу пьезоэлемента, а выход - ко входу предварительного усилител .

Выполнение резистивного .чувствительного элемента с ферромагнитным телом, закрепленным в месте расположени , возбуждающей катушки, позвол ет использовать его в качестве вибрирующего чувствительного элемента . Прикрепление к нему пьезоэлемента (через упругую крепежную диэлектрическзто пластину) и включение пьезоэлемента на вход предварительного усилител  (через фильтр низких. . частот) обеспечивает возможность измерени  плотности исследуемой среды по схеме, аналогичной прототипу, но с одним и тем же чувствительным элементом. Использование одного чувствительного элемента вместо двух обусловливает упрощение устройства и исключение погрешности измерени , вызываемой тем, что струны- в прототипе погружены в воду на разную высоту .

Введение в устройство пьезоэлемента , механически соединено с чувствительным элементом, позвол ет осуществл ть съем сигналов с резистивной струны, при этом упростить устройство и исключить погрешности измерени , вызываемые в прототипе взаимным вли нием возбуждающей и приемных катушек.

Наличие упругой диэлектрической пластины между чувствителы Ы.м элементом и пьезоэлементом создает возможность укрепить верхний конец чувствительного элемента и передать механические колебани  чувствительного элемента на пьезоэлемент с ми .нимальными искажени ми.

Введение в плотномер фильтра низких частот между выходом пьезоэлемента и входом предварительного усилител  позвол ет выделить основн то гармонику колебаний чувствительного элемента, исклю-чив искажени , вносимые упругой диэлектрической пластиной , и тем самым снизить погрешность измерени .

. г

На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов вьтолнени  предложенного плотномера; на фиг. 2 структурна  схема плотномера; на фиг. 3 - чувствительные элементы прототипа, погруженные во взволнованную жидкость.

Плотномер содержит (фиг. 1) корпус 1 Б виде отрезка трубы, герметич но закрытого накидными гайками 2, Корпус заполнен демпфирующе жидкостью . На верхнем и нижнем концах корпуса и между ними закреплены втулки 3. К средней втулке жестко прикреплена возбуж ающа  катушка А, а к верхней и нижней втулкам прикреплены кронштейны 5. На нижнем кронштейне имеетс  диэлектрическа  деталь 6 с отверстием, в котором  а креплен нижний конец чувствительного элемента 7 с помощью болта 8. На верхнем кронштейне 5 в стакане 9 жестко закреплена упруга  пластина 10, в отверстии которой закреплен верхний конец чувствительного элемента 7, на наружной стороне пластины 10 приклеен пьезоэлемент 11. Упруга  пластина 10 выполнена из диэлектрика

Чувствительный элемент 7 представл ет собой струну из высокоомного материала, расположенную вблизи возбуждающей катушки 4 так, что она перпендикул рна оси возбуждающей катушки 4. В месте пересечени  чувствительного элемента (струны 7) осью возбуждающей катушки 4 на чувстЕите-пьном элементе 7 закреплено ферромагнитное тело 12, например, в виде шарика.

Дл  уменьшени  вредных вибраций и ослаблени  нат жени  чувствительного элемента 7 между втулками 3 и корпусом 1 выполнены резиновые кольца 13, которые уплотнены прижимными крьииками 14 посредством винтов.

Плотномер содержит (фиг. 2) фильт низких частот 15, предварительный усилитель 16, смеситель 17, амплитудный селектор 18, усилитель мощности 19. преобразователь сопротивлениечас гота 20, регистратор 21. Ко входу флтльтуа низких частот подсоединен ннход пьезоэлемеггта 11. Выход фильтра 15 подключен к соединенным последовательно предварителыюьгу усилителю 16, амплитудному селектору 18, yci-шителю мощности 19. Выход усилител  мощности 19 подсоед1П ен к катушке возбу;вде и  4. Ко входу преобразовател  сопротивление - частота 20 подключен верхний конец чувствительного элемента 7, а выходы преобразовател  20 подключены ко входам г.ме- . сител  17 и регистратора 21. Ко второму входу смесител  17 подсоединен

второй выход предварительного усилител  16, а выход смесител  17 подсоединен ко второму входу регистратора 21.

Механическа  часть чувствительного элемента 7 с пьезоэлементом 11 (через упругую пластину 10) и св зь чувствительного элемента 7 с возбуждающей катушкой 4 через электромагнитное поле возбуждающей катушки показана на фиг. 2 прерывистыми лини ми „

Плотномер устанавливают, на поверхности исследуемой жидкости так, чтобы чувствительный элемент 7 занимал вертикальное положение.

Плотномер работает следующим образом .

При подаче питани  на измерительную схему плотномера срабатывает возбуждающа  катушка 4, котора , воздейству  на ферромагнитное тело (шарик 11), прит гивает чувствительный элемент 7. Питание катушки 4 отключаетс , но чувствительный элемент (струна 7) совершает колебани  которые передаютс  через упругую диэлектрическую пластину 10 пьезоэлементу 11. Пьезоэлемент 11 преобразовывает механические колебани  чувствительного элемента 7 и пластины 10 в электрих1еские сигналы, которые передаютс  на фильтр низких частот 15„ Фильтр 15 отрезает-высокочастотную составл ющую сигнала и передает его на предварительный усилитель 16 После усилени  сигнал поступает на первый вход смесител  17 и на вход амплитудного селектора 18.

Собственна  частота колебаний чувствительного элемента 7 в воздухе определ етс  по формуле

(1)

гдеВ - длина чувствительного элемента (струны);

Т сила нат жени  чувствительного элемента (струны);

Ро линейна  плотность материала чувствительного элемента (струны),

Собственную частоту малых колебаний чуствительного элемента, (струны ) полностью погруженного в- жидкость , можно рассчитать -по формуле

f - 2(2)

4 . I-t„ r-, ri и j f

- a AjVei po

где p - плотность жидкости;

R - площадь продольного разреза чувствительного элемента (струны) (миделево сечение);

С положительный коэффициент, завис щий от свойств жидкости;

Едлина чувствительного элемента (струны).

0 В формуле (2) первое слагаемое под корнем определ ет собственную частоту колебаний чувствительного элемента (струны) в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую вли ние сопротивлени  жидкости на собственную частоту колебаний чувствительного элемента (струны ) . Причем, как видно из формулы (2), эта поправка всегда отрицательна, т.е. при полном погружении чувствительного элемента (струны) в жидкость ее собственна  частота уменьшаетс  ( ).

Если чувствительный элемент ( струну) поместить на границе раздела

жидкость - воздух так, что часть его находитс  в воздухе, и периодически возбуждать собственные колебани , то частота колебаний определ етс  0 каждый момент времени плотностью жидкости и высотой волны 2j. Пог , скольку чувствительный элемент (вибрирующа  стгруна) изготовлена из высокоомного провода, то волна, щунтиC РУЯ часть его, измен ет омическое сопротивление чувствительного элемента по закону изменени  высоты волны, и по изменению этого сопротивлени  можно определ ть высоQ ту волны.

Если из высоты волны, полученной по изменению собственной частоты колебаний , котора  также зависит и от плотности жидкости, вычесть высоту 5 волны, полученную по изменению омического сопротивлени , котора  от плотности не зависит, то получим

значение плотности жидкости.

Таким образом, возгшкновение колебани  чувствительного элемента (струны 7) вследствие присутстви  воды  вл ютс  затухающими. Как только амплитуда колебаний чувствительного элемента (струны), преобразованна  пьезоэлементом 11 в электрический сигнал, станет равной порогу чувствительности амплитудного селектора 18J через фильтр 15 и пред-

7

варительный усилитель 16 срабатывает амплитудный селектор 18. Сигнал с амплитудного селектора 18 поступает на усилитель мощности 19 и далее на возбуждающую катушку 4, Процесс повтор етс , т.е. после действи  каждого очередного импульса амплитуда колебаний чувствительного элемента (струны) возрастает, а затем постепенно затухает, срабатывает амплитудный селектор 18 и т.д.

Сигнал, пропорциональный высоте волны и определ емьй омическим сопро тивлением части резистивной струны, загаунтированной жидкостью, поступает на вход преобразовател  сопротивление - частота 20 и далее на смеситель 1 7. Одновременно из смесител  17 поступает сигнал с. вьпсода предварительного усилител  16. Результирующий сигнал, длительность импульса которого пропорциональна плотности морской воды, с выхода смесител  17 поступает на регистратор (частотомер) 21, где одновременно регистрируетс  частота с выхода преобразовател  сопротивление - частота 20, несуща  информацию о высоте морской волны.

Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со сме сител  17 на регистратор 21, пропорциональна только плотности морской волны, поскольку в смесителе 17 происходит вычитание сигналов двух частот: сигнала с выхода предварительного усилител  16 (частота которого зависит как от высоты волны, так и от плотности морской воды) и сигнала с выхода преобразовател  20 (частота которого зависит от высоты волны).

По сравнению с прототипом точность измерений в предлагаемом плотномере повышаетс  вследствие з амены двух струн одной струной.

Кроме того, точность увеличиваетс  за счет устранени  погрешностей.

0018

св занных с наличием вибрации корпуса , электромагнитных наводок в блоке приемньк , а также исключени  высших гармоник в спектре колебаний струны и упругой пластины,

Резистивный чувствительный элемент обеспечивает измерение высоты морской волны с погрешностью i1 мм. Однако в прототипе pz при измерении

высоты волны возникает методическа  погрешность, св занна  с тем, что вибрационный и резистивный чувствительньй элементы наход тс  на неко тором рассто нии d друг от друга

(фиг. 3). Из фиг. 3 видно, что

i Xsr+dvCgotj

где дХ - разность глубин погружени  двух струп в морскую воду;

d - рассто ние между струнами (резистивным и вибрирующим чувствительными элементами ) ; tgci- крутизна MopcKofi волны.

При реальном морском волнении

крутизна волны может доходить до величины и потому uXRtd. Дл  уменьшени  этой погрешности желательно выбирать d как можно меньше. Однако , как показывает опыт работы с плотномером 2 , минимальное значение d равно 3 мм, так как амплитуда вибрирующей струны равна 2 мм и зазор между вибрирующей и резистивной струнами должен быть не менее 1 мм. Таким образом, i мм, в результате чего возрастает погрешность собственно резистивного чувствительного элемента . В предлагаемом приборе эта

методическа  погрешность отсутствует, В предлагаемом плотномере погрешность определени  профил  плотности жидкости на границе раздела не превышает 0525%, следовательно измерение

профхш  гшотности жидкости на границе раздела предлагаемым устройством повышает точность в два раза по сравKenHJo с базовым устройством.

Фие. I

Claims (1)

1. ПЛОТНОМЕР, содержащий чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбужда· ющую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивление - частота, вход которого, соединен с чувствительным элементом, а выход - с входами регистратора и смесителя, второй вход смесителя соединен с вторым выходом предварительного усилителя, выход смесителя подключен к второму входу регистратора, о тл и ч а го щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений и упрощения конструкции устройства, на чувствительном элементе в месте. расположения возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала, верхний конец чувствитель-q ного элемента прикреплен к упругой 12 пластине из диэлектрического материала, механически соединенной с пьезоэлементом, причем дополнительно введен фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу пьезоэлемента, а выход - к входу предварительного усилителя.

   №ам4 спяА