SU633500A3 - Плотномер - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к приборам д;1  измерени  плотности жидкостей и газов. Известен вибрационный плотномер ij, позвол ющий измер ть плотность потока жидкости или газа при больших давлени х в трубопроводах. Плотномер состоит из электромеханического вибродатчика и устрО ства возбуждени . Однако известный плотномер не обеспечивает достаточной точности измерений. Известен плотномер 2, содержащий корпус , внутри которого установлен пустотелый чувствительный элемент, контактирующий с контролируемой средой, приспособление дл  возбуждени  и измерени  колебаний чувствительного элемента и вторнчнь1Й прибор. Известное устройство также не обеспечивает достаточной точности измерений. Целью изобретени   вл етс  повыщение точности измерений. Это достигаетс  тем, что в предлагаемом плотномере чувствительный элемент установлен с зазором по отношению к виутре ним стенкам корпуса так, что контролируема  среда омывает внутреннюю и наружную его поверхности, а приспособление дл  возбуждени  н M3NfepeHHH колебаний чувствительного элемента-отделены от контролируемой среды. При этом концы чувствительного элемента снабжены фланцами, укрепленными в корпусе. Фланцы имеют отверсти  дл  прохождени  контролируемой среды, омыва.ющей наружную поверхность чувствительного элемента. Приспособление дл  возбуждени  и измерени  колебаний чувствительного элемента выполнены в пнде электромагнитных катушек , ispH этом корпус выполнен из немагнитного материала, а чувствительный элемент из магнитного материала. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого плотномера, вид сбоку, с частичным вырезом; на фиг. 2 - то же, вид с торца; на фиг. 3 показан, сердечник, используемый и в некоторых конструкци х предлагаемого прибора; на фнг. 4 показан прибор, аналогичный прибору на фиг. 1, но несколько модифицированный и вмонтированный в колено трубопровода подачи текучей среды. На фиг. i н 2 показан прибор дл  измерени  плотности текучей среды, который включает жесткий пустотелый цилиндрический корпус 1, на концах которого выполнена резьба 2 д.И соединени  с трубопроводом или в каком-либо другом месте установки прибора, где требуетс  производить измерение плотности среды. Внутри корпуса 1 размещен тонкостенный полый цилиндр 3, в поперечнике которого - кольцо. По концам цилиндра 3 имеютс  фланцы, которые придают этой детали форму гантели. Жесткий корпус 1 изготавливают из немагнитного материала, например из алюмини  или нержавеющей стали, а цилиндр 3 (чувствительный элемент) делают из магнитного материала, дающего при изменении температуры только незначительные изменени  собственной частоты.

Из конструкции видно, что чувствительный элемент 3 укреплен внутри жесткого корпуса 1 с помощью стопорны.х колец 4, между которыми расположен фильтр 5. Указанна  конструкци  позвол ет легко вынимать чувствительный элемент 3 из корпуса 1. На фиг. 2 отчетливо показано, что фланцы 6 имеют форму усеченного с двух сторон круга.

Дл  обеспечени  правильного расположени  одного относительно другого чувствительного элемента 3 и жесткого корпуса 1, корпус 1 снабжен установочным штифтом, а в чувствительном элементе 3 выполнено отверстие дл  щтифта. Такое соединение позвол ет неоднократно удал ть чувствительный элемент 3 с целью, например, очистки его и установки снова на место в корпусе 1 без какой-либо последующей регулировки деталей прибора.

При работе прибора один конец корпуса 1 находитс  под воздействием текучей среды, причем эта среда поступает внутрь чувствительного элемента 3. Кроме того, благодар  указанной конфигурации фланцев 6, представл ющих собою срезанные с двух противоположных сторон круги, среда обтекает поверхность чувствительного элемента 3 внутри корпуса 1. Таким образом, давление текучей среды на тонкие цилиндрические стенки чувствительного элемента 3 будет равномерным.

При желании иметь фланцы 6 в виде круга, дл  обеспечени  циркулировани  среды вне чувствительного элемента 3 во фланцах делаютс  -отверсти  7.

Примерно в средней части корпуса 1 вблизи участка максимальной амплитуды колебаний чувствительного элемента 3 установлены две катущки 8 и 9. Как это показано на чертеже в радиальной плоскости катущек 8 и 9, которые смещены одна относительно другой на 180°, .корпус 1 очень тонкий, и катушки наход тс  на опти.мальном рассто нии от чувствительного элемента 3, причем тонка  кольцева  часть корпуса 1 обеспечивает условие, при котором поток среды внутри и вокруг чувствительного элемента 3 никогда не соприкасаетс  с катущками 8 и 9. Указанное взаиморасположение катущек 8 и 9 и чувствительного элемента 3 обусловливаетс , во-первых, требованием сведени  до минимума длины пути магнитного потока между катущками и чувствительным элементом и, во-вторых, необходимостью не допустить накоплени  в промежутке между катущками и чувствительным элементом пыли или влаги, ибо это может сказатьс  на колебани х элемента .3. Как это видно на фигурах, обмотки катущки расположены в плоскости, перпендикул рной к плоскости рисунка, а сердечник катущки имеет три расположенных близко один от другого полюса. Така  конструкци  обеспечивает короткий путь магнитному потоку, то есть от центрального полюса

5 через элемент 3 на другие полюса, а когда эти катушки соответствующим образом включены в электрическую цепь, .магнитные потоки катущек не перекрывают один другого, а проникают в чув- твительный эле.мент 3 только на очень маленьком участке поверхности чувствительного элемента 3, что приводит к уменьщению или к исключению перекрестной св зи между катущками 8 и 9. Катущка 8 может быть катущкой возбуждени , а катущка 9 - детекторо.м или сигна25 лосъемником. Они устанавливаютс  и работают с разностью фаз в 90° между возмущающей силой катущки 8 и обнаруженной скоростью изменени  в промежутке элемента 3 и детекторной катущки 9, в результате чего получаетс  конструкци , в которой

0 эффект в зкости существенно уменьнтетс  или совершенно устран етс .

Катущки 8 и 9 удерживаютс  на своих .местах в корпусе 1 посредство.м заполнител  10.

На корпусе 1 установлен усилитель 11, к KOTopOiMy присоединены катущка возбуждени  8 и детекторна  катущка 9. Сам усилитель 11 присоединен к источнику посто нного тока 12, а выходна  цепь усилител  соединена с частотомером 13 или измерителе .м периода вре.мени.

Прибор работает следующ,им образом. Жесткий корпус 1, внутри которого расноложен чувствительный элемент 3, подвержен воздействию текучей среды. При подключенном к усилителю 11 источнике питани  12 благодар  положительной обратной св зи от детекторной или сигналосъемной катущки 9 к катущке возбуждени , образуютс  и поддерживаютс  собственные резонансные колебани  чувствительного элемента 3. Колебани  возникают из-за ме.ханического щума, передаваемого на чувствительный элемент 3 или же электрического щума, возникающего в катущке возбуждени  8 при включении усилител  11. Концевые фланцы 6 чувствительного элемента 3 позвол ют зажимать последний без нарушени  частоты колебаний его и без помех дл  текущей через него средьь Соверщенно очевидно , что зажатые таким образом фланцы 6 определ ют акустическую длину чувствительного 3jieMeHTa 3 и работают в качестве узлов колебаний элемента. В предпочтительной конструкции прибора эти колебани  имеют кольцевой вид или, иначе говор , чувствительный элемент 3 можно рассматривать как два соединенных и закрепленных в узловых точках (которыми  вл ютс  фланцы 6) колокола.

Как известно, зажим колокол-а у ушка не вли ет на частоту его колебаний. Естественно , частота подводимого на катушку 8 тока в основном така  же как и доминируюша  частота резонансных колебаний чувствительного элемента 3.

Частотомер 13 может быть любой обычной конструкции, способной работать в диапазоне доминирующих частот, которые можно ожидать при использовании прибора. Причем он может быть градуирован с таким расчетом , чтобы можно было вести отсчет непосредственно в единицах плотности по графикам , которые были ранее градуированы и подготовлены при использовании текучих сред стандартной или известной плотности.

Учитыва  тот факт, что давление среды на цилиндрическую стенку чувствительного элемента 3 в основном равномерное частота колебаний чувствительного элемента 3 зависит, главным образом, от плотности текуш ,ей через него среды, причем из-за использовани  дл  изготовлени  чувствительного элемента 3 материала с очень низким коэффициентом тепловой эластичности вли ние температурь оказываетс  весьма малым или., совершенно незначительным.

Дл  изготовлени  корпуса 1 и чувствительного элемента 3 берут материалы, способные работать в услови х рабочего давлени , а именно 703 кг/см (10000 фунтов на кв. дюйм).

Совершенно очевидно, что когда чувствительный элемент 3 совершает колебани  кольцевого вида и эти колебани  поддерживаютс  усилителем 11, среда, плотность которой замер ют, получает колебани  как внутри, так и снаружи чувствительного элемента , и потому частота колебаний чувствительного элемента зависит от его жесткости и общей совершающей колебани  массы, то есть массы стенок чувствительного элемента и массы окружающей его среды.

Увеличение плотности среды понижает частоту колебаний, котора  передаетс  частотомером 13.

Конструкци  возбуждающего устройства и детекторного устройства, показанна  на приведенном примере конструкции прибора, обладает р дом важных преимушеств.

Во-первых, расположение катушек или электрокагнитных возбудителей вне контакта их со средой, плотность которой подлежит измерению, обеспечивает безопасность работы с прибором. Совершенно очевидно, что если среда, о которой идет речь,  вл етс  воспламен ющимс  газом или жидкостью, то

значение расположени  катушек вне конгакта с такой средой трудно переоценить.

Устройство, позвол ющее пр мой поток среды, по.могает избегать образовани  гр зевых или других заторов и, кроме того, обеспечивает простоту и легкость удалени  чувствительного элемента 3 из корпуса 1 в цел х его очистки и осмотра. Особо важное значение это приобретает при использовании предлагаемого прибора в пищевой промышленности. Очевидно, что пр мой поток среды возможен еще и потому, что катушки располагаютс  вне чувствительного элемента 3.

Изобретение, использу  Е-образные или

5 крышечного типа кптушки, не примен ет соленоид этого типа в качестве возбудител , который создает длинные магнитные потоки и требует, чтобы полюса располагались вблизи к чувствительному элементу. Такое устройство не обеспечивает надежности работы

n,„ ,„

прибора, поскольку указанный неоольшои

иро.межуток между полюсами и чувствительным элементом служит в качестве уловител  влаги и железной пыли, отчего практически избавитьс --невозможно, и что в конечном

5 счете приводит к тому, что чувствительный элемент перестает колебатьс . Характер магнитного потока Е-образных катушек согласно изобретению таков, что путь его очень короткий и потому промежуток между катуш кой и чувствительным элементом может быть

увеличен. Это особенно важно в том отношении , что создаетс  возможность надежного измерени  жидкостей и газов в течение длительного времени.

Кроме того, преимуществом предлагаемой конструкции  вл етс  точность и независимость частоты колебаний среды с различной в зкостью, плотность которой измер етс . В некоторых конструкци х, использующих соленоиды, из-за длинных неконтролируемых путей магнитного потока между катушками неизбежно образуетс  некоторое соединение потоков. Величина соединени  потоков зависит от проницаемости чувствительного элемента, котора , в свою очередь, зависит от температуры. Таким образом, оби|ее смещение фазы и частоты колебаний будет измен тьс  в зависимости от изменени  температуры, особенно в отношении сред, имеющих высокую в зкость. Этот недостаток существенно устран етс  укорачиванием пути магнитного потока и почти полным

0 отсутствием перекрестной св зи.

Важным преимуществом изобретени   вл етс  также и то, что система возбуждени  и детектировани  обладает высокой эффективностью , позво.1 юшей избежать «скачкообразности вида колебаний. Под «скачко5 образностью вида колебаний понимаетс  колебание системы, образующеес  не только при первой частоте гармоник, но и при более высоких гармониках. Чем выще тенденци  системы к «скачкообразности, тем

ниже полезный диапазон прибора. Таким образом, насто щее изобретение, обеспечивающее уменьшение «скачкообразности вида колебаний допускает более значительные изменени  рабочей частоты колебаний.

Еще одним преимуществом изобретени   вл етс  то, что материал дл  изготовлени  прибора выбирают таким, чтобы прибор обладал высоким механическим Q, что делает прибор в основном невосприимчивым к колебанию , и его можно устанавливать в любом месте.

Прибор можнЬ установить в линию трубопровода в течение нескольких минут и его весьма просто закрепл ть и открепл ть. Сопротивление потоку среды в пр боре ппзкое и в силу того, что зона колебаний очень мала, прибор допускает значительно больщее образование в .жидкости пузырьков.

В некоторых случа х применени  прпбора , например, в области газовой хроматографии и биохимии может гютребоватьс  уменьшение объема потока среды внутри чувствительного элемента. Это можно осуществить использованием серкечника 14, на пример такого, как на фиг. 3. Из чертежа сердечника видно, что на одном конце его имеетс  кольцевой фланец 15, который замен ет стопорное кольцо 4. 15 снабжен на внепл ей своей части резьбой, с помощью которой он ввинчиваетс  внутрь чувствительного элемента 3.

На фиг. 4 показан трубопровод 16, имеющий колено.

Направление потока жидкости показано стрелкой. На чертеже показан также нрлбор дл  измерени  плотности, который по своей конструкции почти одинаков с конструкцией , представленной на фиг. 1. Пр бор вставлен в трубопровод и закреплен в нем с помощью фланца 17, который укреплен в трубе поередстворл двух винтов с головкой под ключ 18, на стержне которых имеютс  выемки дл  прие.ча уплотнительного кольца 19. На фланце И укреплен усилитель 11. На чертеже не показаны isii источник питани  12, ни частотомер 3.

В данной конструкции вместо полностью цилиндри;- о корпуса 1 использоваи;. в -oiCHOBHOM вилкообразна  опорна  деталь 20, котора  служит тол1;ко дл  мо1 тировани  чувствительного элемента 3 и катуи5ек 8 и 9. Как показано на чертеже, подводйщие провода от катушек идут через отверсти  в вилкообразной опорной детали 20 и дальн е через расположенные в линию с ними отверсти  во фланце 17.

Входной конец прибора снабжен тонкой металлической сеткой 21. Поступающа  внутрь чувствительного элемента 3 текуча  среда проходит через указанную сетку с торцовой и цилиндрической его части и libiтекает из элемента через отверсти  или прорези 22. Точно также среда, обтекающа  чувствительный элемент 3 iioero наружной

поверхности, возвращаетс  в трубопровод 16 через те же отверсти  или прорези 22. Выше дано описание изобретени , в котором шла {)ечь об :- лектромагнитном возбудителе , о детекторе и о чувствительном элементе 3 из магнитного материала. Однако совершенно очевидно, что могут быть использованы возбудители и детекторы других типов. Например, чувствительный элемент 3

может приводитьс  в действие пьезо-электрическим или только магнитным способом, а в общем, с этой целью может быть использован любой электроакустический преобразователь , причем в этом случае чувствительный элемент можно изготавливать из стекjia или подобного ему материала, способного к колебани м в ответ на действие электроакустического возбудител . Могут быть и iiHbse варианты возбуждени , например, электроста имеским способо.ч, причем в этом случае возбудитель и детектор могут служить в качестве составных частей (пластин) конденсаторов, в которых вторыми пластинами будет сам чувствительный элемент 3. Хот  Bbiujc чувствительный элемент 3. .показан в основном как цилиндр, поперечмое ссченне его внутренней полости не об зательно должно быть кольцом, оно может иметь иную форму.

Claims (4)

1. Формула изобретени 

   I. Плотномер, содержащий корпус, внутр .ч которого ycTaHOfuren пустотелый чувствительн . элемент, контактирующий с контролируемой средой, прис1 особление дл  возбуждени  и измереи1   колеба1 мй чувствительного элемента, вторичный прибор, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , чувствительный элемент установлен с зазором по отношению к внутренним стенкам корпуса так, что контролируема  среда омывает внутреннюю и наружную его поверхности, а приспособлени  дл  возбуждени  н измерени  колебаний чувствительно -о элемента отделены от контро .чируемои среды.
2. 2.fLiOTHOMep по п. 1, отличающийс  тем, что концы чувствительного элемента сиабжень фланцами, укрепленными в корпусе .
3. 3.Плотномер по IL 2, отличающийс  тем, что .фланцы имеют отверсти  .дл  прохожде-пш ко5 Тролируемой среды, омывающей наружную поверхность чувствительного элеме(та.
4. 4.Плотномер по пп. 1-3, отличающийс  тем. что приспособлени  дл  возбуждени  и измерени  колебн1 пй чувствительного эле .мепта ньню-ппены в виде электромагнитных катушек, при этом Kopriyc выполнен из немагнитного материала, а чувствительный элемент - из магнитного материала.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе:

   1.Патент Франции № 1338320, кл. G 01 N, 1963.

   2.Патент США № 3225588, кл. 73-32, 1965.