Плотномер

 

ПЛОТНОМЕР, со ержагдай 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 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 связан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входом преобра- :зователя. 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 выхбдом предварительного усилителя , а выход смесителя соединен с вторым входом регистратора.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А (19) (11) З(51) С 01 И 9 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

g кч „),, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (2.1) 337996 Я/18-25 (22) 11.01. 82 (46) 30. 08. 83. Бюл. Р 32 (72) A.Т.Гопко, B.A Ãoëoñêî, С.О. Колесов и В. А. Котов (71) Морской гидрофизический институт АН Украинской ССР (53) 531. 75 (088. 8) (56) 1. Кивилис С.С. Плотномеры.

М., "Энергия", 1980, с. 242.

2. Там же, с. 248 (прототип) . (54) (57) ПЛОТНОМЕР, содержащий вибрируняций 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, амплйтудный селектор, преобразователь сопротивление — частота, смесителв, усилитель мощности, причем выходы 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 преобра-., зователя сопротивление - частота перУ

Ф вый выход которого соединен с первым @ входом смесителя, а второй выход — с первым входом регистратора, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выходом предварительного. усилите- (, ля, а выход смесителя соединен с вто рым входом регистратора.

Ъ,г

1038828

Изббретение относится к океанографическим измерениям и может быть использовано для определения профиля плотности морской воды вблизи границы раздела море — атмосфера в условиях волнения. -Кроме того, оно применимо для измерения профиля плотности в устройствах технологического контроля плотности различных жидкостей.

Известен проточный виброплотномер, содержащий резонирующий цилиндр 10 (внутри которого движется исследуемая жидкость), возбудитель и приемник поперечных колебаний стенок цилиндра i13.

Указанный виброплотномер сложен в 15 и з гот овлени и, и его применение в морской практике всегда затруднительно в связи с тем, что база прибора ограничена по высоте, следовательно, измерение профиля плотности проводить ъо им невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому по тех ни че ской сущи ости я вляе т ся плот номер, содержащий нибрирующий чувствительный элемент, возбуждающие и приемные катушки, оси которых лежат н плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу,расположенному вблизи катушек, преднарительный усилитель и регистратор.

Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического резонатора. Цилиндр совершает радиальные колебания на резонансной частоте, которые возбуждаются и поддерживаются цепью положительной обратной связи, состоящей из приемника и возбуждающей катушки, соединенной со входом усилителя Г23.

Достоинствами данного плотномера являются высокая точность, чувстви- 40 тельность и надежность, непосредственное преобразонание искомой плотности в частотный выходной сигнал, возможность применения при нысоких давлениях для широкой номенклатуры 45 контролируемых сред. Однако применение частотного плотномера для измерений на границе раздела вода — воздух н морских условиях связано с непреодолимыми трудностями: вибрирующий 5р чувствительный элемент должен быть либо полностью погружен в воду, либо граница, по которой происходит раздел вода — воздух, должна быть фиксированной относительно длины чувствитель-5

Ного элемента. Последнее означает,что измерения должны проходить в штиль, когда поверхность жидкости абсолютно неподвижна, а это в морских условиях практически обеспечить нереально.

Если же чувствительный элемент полностью погрузить в воду, то невозможно обеспечить привязку последнего к месту измерения — нестационарной границе раздела. Для обеспечения привязки необходимо построить следящую 65 систему, которая обеспечивала бы вертикальное перемещение плотномера с высокой точностью по закону изменения границы раздела в месте измерения.

Создание такой системы — черезвычайно сложная задача.

Цель изобретения — повышение точности измерения профиля плотности жидкости вблизи границы раздела жидкость — газ и расширение функциональных возможностей измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в плотномере, содержащем вибрирующий чунствительный элемент, возбуждающую и приемные катушки, оси которых лежат н плоскостях, перпендикулярных чувствительному элементу, расположенному вблизи катушек, преднарительный усилитель и регистратор, дополнительно введены резистинный 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 связан с входом возбуждающей катушки, а выход резистивного чувствительного элемента соединен с входом преобразователя сопротивление — частота, первый вход которого соединен с первым входом смесителя, а второй выход — с первым входом регистратора, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выходом предварительного усилителя, а выход смесителя соединен с вторым входом регистратора.

На фиг.1 представлен один из возможных вариантов выполнения плотномера, разрез, на фиг.2 — блок приемных катушек {звукоснимателей), разрез, на фиг.3 — функциональная схема плотномера.

Корпус плотномера представляет собой трубу 1, к верхней и нижней частям которой прикреплены кронштейны -2. К центральной части корпуса прикреплена возбуждающая катушка 3 с встроенным сердечником (электромагнит). В верхней части корпуса на прутке 4 укреплен блок 5 приемных катушек в плоскости, перпендикулярной чувствительному элементу б. Вибрирующий чувствительный элемент б, выполненный иэ стального пронода, жестко закреплен натяжными винтами 7 на выступах 8, расположенных на кронштейнах 2, и проходит по центру блока 5 приемных катушек.

Параллельно вибрирующему чувствительному элементу б на изоляторах 9

1038828 закреплен резистивный чувствительный элемент 10, изготовленный из проволо ки с высоким омическим сопротивлением.

Блок 5 приемных катушек (звукоснимателей) представляет соб ой индукти нные катушки 11, внутри которых ïîìåщены постоянные магниты 12; крепление катушек 11 осуществляется кольцом 13 °

Действие звукоснимателей основано на том, что при колебаниях ферромагнит- «О ной струны б в магнитном поле в катушке возникает ЭДС, величина которой пропорциональна скорости-изменения магнитного потока.

Однако даже идеальный звукоснима- 15 тель не может точно трансформировать весь спектр частот, воспроизводи«ь«й струной, так как струна колеблется в различных плоскостях (прецессирует), а направление магнитного поля остает-20 ся неизменныМ. Следовательно, передача звуковых частот не будет линейной, что приводит к понижению точности измерений. Поэтому блок звукоснимателей содержит несколько звукоснимателей, например три, расположенных под углом 120 друг к другу. При этом в какой бы плоскости не происходили колебания струны 6, суммарный сигнал на выходе звукоснимателей всегда содержит весь спектр исследуемых частот.

Блок-схема плотномера (фиг.3) состоит из возбуждающей катушки (электромагнита) 3, трех приемных катушек

11 (звукоснимателей ), чувствительного элемента (вибрирующей струны) 6, сумматора 14-,предварительного усилителя 15, амплитудного селектора 16, усилителя 17 мощности, резистивного чувствительного элемента 10, преоб- 40 разователя 18 сопротивление — частота, смесителя .19 и регистратора 20.

Вибрирующий чувствительный элемент 6 связан с катушками 11, как описано выше. На схеме 3 эти связи 45 указаны штриховыми линиями. Катушки

11 соединены с сумматором 14, выход которого через предварительный усилитель 15 связан с одним из входов смесителя 19, выход которого соединен с gg регистратором 20. Второй выход предварительного усилителя 15 соединен с возбуждающей катушкой 3 через включенные последовательно амплитудный селектор 16 и усилитель 17 мощности ..

Цепь 14-15-16-17-3 служит для периодического включения электромагнита (возбуждающей катушки) 3..

Резистивный чувствительный элемент 10 соединен с входом преобразователя 18 сопротивление — частота, вы-. ходы которого подключены к второму входу смесителя 19, а также к входу регистратора 20.

Плотномер работает следующим образом. 65

При подаче питания на измерительную схему плотномера срабатывает электромагнит 3, который притягивает струну б. При этом возникают колебания струны с частотой собственных колебаний (для струны, находящейся в воздухе)

Т, «o= lL p (11 где Ь вЂ”. длина струны, Т« — сила натяжения струны, о — линейная плотность струны.

Собственную частоту малых колебаний струны, полностью погруженной в жидкость, можно рассчитать по формуле

11-2 (тЬ )йTO С Р, 82 () « где )« — плотность жидкости; площадь. продольного разреза струны (миделево сечение), С вЂ” положи.тел ьный коз ффици ен т, зависящий от свойств жидкости (для воздуха СЪО); длина струны.

В формуле (2) первое слагаемое определяет собственную частоту колебаний струны в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую влияние сопротивления 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 собственная частота будет уменьшаться(10-1<=61>0) .

Для струны, .частично погруженной в жидкость, аналитическое выражение для собственной частоты получить невозможно, однако, проведя достаточно громоздкий анализ, можно показать. что в форму««е (2) под корнем первое

« лагаемое не изменит.ся, а во втором слагаемом вместо сомножителя (появляется функционал вида 1 (-),где

Й

В, длина части струны, которая находится в жидкости.

Очевидно, что прйг- ()с iюрe а при Z oq(— ) oi f где — собственная частота струны, частично погруженной в жидкость.

Таки«л образом, если струну поместить на границу раздела вода —. воздух так, что часть струны находится в воздухе, и периодически возбуждать .собственные колебания, то частота будет определяться в каждый момент времени плотностью воды и амплитудой волны. Если же рядом с чувствительным элементом разместить параллельно ему резистивный чувствительный элемент (струну с большим удельным сопротивлением), то волна, шунтируя часть струны, будет изменять омическое сопротивление струны по закону изменения амплитуды волны, и по из1038828 менению этого сопротивления можно определить амплитуду волны.

Если из амплитуды волны, полученной с вибрирующего ч .вс вительного лем. нта, вычесть амплитуду волны, пол. ленную с резистивного чувстви- 5 тельного элемента, которая от плотности воды не зависит, то получим величину, зависящую только от плотности воды, и потому являющуюся мерой изменения плотности воды. 10

Таким образом, возникшие колебания струны б вследствие присутствия воды являются затухающими. Как только амплитуда колебаний струны, а следовательно, суммарн ая наведенная

ЗДС на выходах приемных катушек 11, станет равной порогу чувствительности амплитудного селектора 16, через приемные катуг ки 11, сумматор 14 и предварительный усилитель 15 срабаты- 0 вает амплитудный селектор 16. Сигнал с амплитудного селектора 16 поступает на усилитель 17 мощности и далее на электромагнит 3. Процесс повторяется, т. е. после действия каждого очередного импульса амплитуда колебаний струны возрастает, а затем постепенно затухает. Срабатывает .амплитудный селектор 16 и т.д.

Резистивный чувствительный элеглент

10, выполненный из высокооиного провода (например, манганина), вырабатывает сигнал, пропорциональный амплитуде волны. При этом морская вода шунтирует тот участок струны, который находится в ней. Так образом, сопро- 35 тивление струны изменяется пропорционально амплитуде морской волны. С выхода резистивного чувствительного элемента 10 сигнал поступает на вход преобразователя 18 сопротивление — час-40 тота и далее в смеситель 19. Одновременно в смеситель 19 поступает сигнал с выхода предварительного усилителя

15. Результирую щий сигнал, длитель,ность импульса которого пропорциональна плотности морской воды, с выхода смесителя 19 поступает на регистраторр (част от омер) 20, где одновременно регистрируется частота с выхода преобразователя 18 сопротивление — частота, несущая информацию об амплитуде морской волны.

Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со сме. сителя 19 на регистратор 20, пропорциональна только плотности морской воды, поскольку, как показано выше, в смесителе 19 взаимно компенсируются составляющая сигнала чувствительного элемента б, зависящая от амплитуды волны, и сигнал- с резистивного 60 элемента 10, также пропорциональный ампли туде волны.

Таким образом, применение предлагаеМого изобретения увеличивает точность измерения в условиях волнения Я моря и упрощает измерительную систему, так как отпадает необходимость примене ния следящей систег н границы раздела вода — воздух. При этом вибрирующий чувствительный элемент не обрастает микроорганизмами, а расположение резистивного чувствительного элемента рядом с вибрирующим чувствительным элементогл приводит к тому, что и резистивный чувствительный элемент также не подвергается обрастанию вследствие колебаний воды, вызванных вибрирующим чувствительным элементом. Следовательно, кроме повышения точности, повышается надежность и долговечность чувствительных элементов.

B связи с тем, что, кроме основного параметра — плотности морской воды, одновременно регистрируется и амплитуда морской волны, расширяются функциональные воэможности устройства.

Резистивные чувствительные элементы обеспечивают измерение амплитуды морской волны с точностью +1 мм. Эта погрешность определяется в основном физико-химическими свойствами жидкости °

Покажем, какую погрешность может внести присоединенная масса воды высотой 1 мм.

Присоединенная гласса воды определяется так:

614 = kV 9. (s)

Пусть диаметр вибрирующего чувствительногоо элемент а (струны) равен

0,5 мм, а плотность морской воды

1, 01 г/см . В этом случае присоединенЪ ная масса воды равна 8635 10 г..Если в воде находится 1 м вибрирующего чувствительного элемента, на него, де и ст вуе т при соедин е ни ая масса воды, равная 86,35 10" г. Масса 1 м стальной струны по формуле (3) равна

6,0445 г, PcT =.7,7 г/сиз. Если плотномер не погружен в жидкость, то основная частота вибрирующего чувствительного элемента в воздухе 70 1Ъ (опытный образец плотномера) . Опреде- лим изменение частоты вибрирующего чувствительного элемента по формуле т= о г сг 1(гг ем ""ь), (4), где лет — масса струны; уд — присоединенная масса воды.

Если плотномер погружен в воду, то при длине струны 2 м определенная по формуле (4) частота на выходе предварительного усилителя 15 равна

65,479001 Гц. Определим изменение частоты вибрирующего чувствительного элемента с учетом погрешности «+1 мм.

В этом случае частота на выходе преобразователя 18 сопротивление — частота равна 65,476957 Гц. Погрешность, вносимая резистивным чувствительным элементом, точность которого 4.1 мм з для. плотности воды 1,01 г/см равна

10388? 8

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

Проведем аналогичные расчеты для плотности морЬкой воды 1,2 г/см

3 (плотность морской воды в заливе Ка5 ра-Богаз-Гол). В этом случае присоединенная масса на 1 м столба воды равна 943 10 г, соответственно на

1 м чувствительного элемента воды она равна 942 ° .10 r. Если плотномер полностью погружен в воду, при

=2 м частота на выходе предварительного усилителя 15 равна .б5,1101 Гц.

Определим частоту на выходе смесителя 19 с учетом погрешности, вно- 15 симой резистивным чувствительнйм элементом, точность которого + 1 мм, для плотности воды 1,2 г/см . Частота на выходе преобразователя 18 сопротивление - частота 65,10791 Гц, 2() соответственно на выходе смесителя

19 0,00219 Гц. Отсюда погрешность составляет 0,033%.

Таким образом, погрешность, вносимая резистивным чувствительным .элементом для разных плотностей морской воды в предельном случае не превышает 0,033%. Сравним эту погрешность с погрешностью проточного плотномера с замкнутым камертоном, которая только ЗО от нелинейности последнего составляет 0,5% °

Однако целью изобретения является повышение точности измерения профиля плотности жидкости на границе раздела. Классическим методом измерения профиля различных физических величин является метод, основанный на "привязке" первичного преобразователя к нестационарной границе раздела. Осуществляется этот метод, например, с 40 помощью устройства для измерения профиля гидрофизических величии на границе раздела. Устройство представляет собой систему автоматизированного электропривода, осуществляющего протяжку первичных преобразователей вертикально относительно границы раздела. Основным задающим элементом такого устройства является волнограф при измерениях в условиях морского волнения. Волна, является возмущающим воздействием системы.

Подцержание заданной точности регулируемой величины при различных возмущениях является определяющим показателем качества статических сис тем в установившемся режиме.

Основа статических расчетов авто матизированных систем выражается известным уравнением .дР /

4 Ктр (5)

1. где Ь / — статическая точность, ьР /. — отклонение регулируемой величины в разомкнутой системе, статический коэффициент усиления разомкнутой системы, требуемый для обеспечения заданной точности.

Статическая точность равна 2,5%.

Экспериментально установлено, что точность .определения плотности предлагаемым плотномером не превышает

0,6%. Следовательно, точность измерения профиля плотности жидкости на границе раздела предлагаемым устройством превышает в 4 раза трчность измерения устройством, осуществляющим

"привязку" плотномера к нестационарной границе раздела. При этом расширены функциднальные возможности плотномера, так как он одновременно регистрирует амплитуду волны.

10 38828 гг

ФАЗ

Составитель Е.Карманова

Редактор В.Петраш Техред И.Гайду Корректор Г.Огар

Заказ 6217/49 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретеиий и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4