Вибрационный плотномер (стр. 2 из 11)
III.
Рисунок 3. Вибрационный погружной плотномер
Чувствительный элемент состоит из лопатки 19, укрепленной наконце упругого стержня 20, второй конец которого установлен в отверстие днища 21 корпуса 5. В корпусе установлены также системы возбуждения 3 и съема 2 колебаний, обеспечивающие колебания стержня в двух плоскостях. Система возбуждения и съема включены в цепь усилителей по схеме автогенератора. Выходы усилителей подключены к входам смесителя частот, выход которогочерез низкочастотный фильтр подключен к частотомеру. Стержень выполнен с нечетным числом слоев, например тремя, причем крайние слои изготовлены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, отличнымот температурного коэффициента линейного расширения материала центрального слоя. Сечение стержня симметрично оси О1 О1 и относительно оси О2 О2, лежащих в плоскостях колебаний стержня.
Плотномер работает следующим образом. Стержень 20 вместе с лопаткой 19 приводится в режим автоколебаний с частотами f1 относительно оси О1 О1, и f2 относительно оси О2 О2, для чего потери колебательной энергии стержня восполняются через цепи элементов 2 и 3. Сумма и разность частот f1 и f2 , образуются на выходе смесителя, а в низкочастотном фильтре выделяется разность частот f1 - f2 , которая не зависит от температуры стержня, а определяется только присоединенной массой жидкости к стержню, однозначно связываемая ее с плотностью.
IV.
Рисунок 4. Дифференциальный вибрационный плотномер
На рисунке 4 изображена схема дифференциального вибрационного плотномера. Устройство содержит два резонатора 1, выполненных заодно в виде двух сдвоенных камертонов, установленных на общих основаниях и имеющих ветви, расположенные во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Общие основания камертонов установлены на мембранных коробках 12, через которые они сообщаются с технологическим трубопроводом. Статический момент инерции I1 сечения ветвей первого камертона относительно оси ХУ больше, чем статический момент инерции I2 второго камертона относительно оси XX, при этом толщина стенки δ1 первого камертона меньше толщины стенки δ2 второго камертона, т.е. В>A. Для возбуждения колебаний второго камертона применен возбудитель 3, усилитель 4, приемник 2, для возбуждения колебаний ветвей первого камертона применен возбудитель 3, усилитель 4 и приемник 2. Системы возбуждения подключены к смесителю 13 частот, который через низкочастотный фильтр 14 подключен к измерительному прибору 8. Контролируемая среда подается по трубопроводу, проходит по ветвям камертонов 1 и отводится по трубопроводу . Давление Р, а следовательно, скорость течения V среды через ветви камертона изменяется. Это приводит к изменению собственных частот f1р, f2р колебаний камертонов, которые возбуждаются, разность частот выделяется в смесителе 13 и низкочастотном фильтре 14, не зависит от изменения давления Р и скорости Uтечения среды. Разностная частота fq зависит только от контролируемой плотности ρ и регистрируется прибором 8.
V.
Рисунок 5. Вибрационный датчик плотности
На рисунке 5 изображена схема вибрационного датчика плотности. Датчик содержит резонатор в виде двух одинаковых параллельных трубок 1, соединенных между собой системой упругих перемычек 6, установленных между центральной частью резонатора и его жесткими основаниями, и двух одинаковых компенсирующих сильфонов 15, расположенных между трубами 1 и параллельно им. Сильфоны 15 открытыми концами соединены между собой патрубком 16, а закрытыми концами жестко прикреплены к жестким основаниям с помощью упоров. Патрубок 16 своей средней части закреплен в корпусе датчика элементами. Концы трубок 1 посредством четырех одинаковых развязывающих сильфонов 17 соединены с двумя распределителями жидкости, предназначенными для ввода и вывода исследуемой жидкости. Внутренняя замкнутая полость, образованная патрубком 16 и сильфонами 15, сообщена посредством гибкого трубопровода с входным распределителем жидкости. Система возбуждения резонатора состоит из приемника 2 колебаний, возбудителя 3 и усилителя 4. Частотомер 18 предназначен для регистрации выходного сигнала датчика.
Датчик работает следующим образом. Исследуемая жидкость входит в датчик через входной распределитель жидкости и через развязывающие сильфоны 17 и выходной распределитель жидкости выходит из датчика. Одновременно исследуемая жидкость через входной распределитель жидкости и гибкий трубопровод поступает в замкнутую полость. Система возбуждения приводит в автоколебания в противофазе трубки 1 резонатора. Частота автоколебаний регистрируется частотомером 18.
Схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором показана на рисунке 6.
1-резонатор;
2-приемная катушка;
3-катушка возбуждения;
4-фланцы;
5-корпус;
6-тонкостенный цилиндр;
а)
б)
Рисунок 5. Принципиальная схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором.
Описание работы вибрационного плотномера с оболочковым резонатором:
Помимо рассмотренных преобразователей у нас и за рубежом широкое распространение получили вибрационные плотномеры с оболочковыми резонаторами в виде вибрирующих цилиндров. На рисунке 5, а показан вибрационный плотномер, резонатором которого служит тонкостенный цилиндр 1 с фланцами 2 на торцах [2]. Цилиндр изготовляется из магнитного материала с малым коэффициентом термоупругости (например, из элинвара) с толщиной стенки 0,6 мм для жидкостей [3]. Резонатор закреплен в немагнитном корпусе 3, устанавливаемом в технологическом трубопроводе или в байпасной линии. Корпус может быть изготовлен из алюминия, нержавеющей стали и т.д. Контролируемая жидкость протекает как внутри резонатора, так и снаружи через отверстия во фланцах 2, что позволяет уравнять давления на его стенки. Электромагнитная система возбуждения состоит из возбуждающей 4 и приемной 5 катушек. Применение катушек чашечного типа вместо соленоидов позволило увеличить зазор между катушками и резонатором, что положительно сказалось на добротности колебательной системы. При работе цилиндр совершает кольцевые колебания и приводит в движение окружающую его жидкость. Форма резонатора при его колебаниях на основной частоте показана на рисунке 5, б. Диаметрально противоположные участки стенки цилиндра колеблются в противофазе, а фланцы являются узлами колебаний. Частота колебаний зависит от жесткости цилиндра и общей колеблющейся массы, т.е. массы стенок и "присоединенной массы" жидкости. Первичный преобразователь целесообразно монтировать на вертикальном участке трубопровода, чтобы жидкость проходила через него снизу вверх, что способствовало бы удалению газовых включений из полости резонатора.
4.Теоретические исследования зависимостей плотномера.
4.1. Основные формулы для частоты и амплитуды автоколебаний.
Формулы для частоты и амплитуды автоколебаний цилиндрического резонатора в жидкости:
( 1 ) 
( 2 )где
( 3 )Градуировочные характеристики вибрационных плотномеров учитывают влияние ряда факторов на частоту автоколебаний резонаторов. Поскольку основным параметром, подлежащим измерению, является плотность жидкости, то целесообразно упростить эти соотношения, отбросив факторы, учитывающие изменение условий измерения (скорость среды, растягивающие усилия, действующие на резонатор). Действие же этих факторов удобно рассмотреть отдельно, оценивая значения дополнительных погрешностей. Запишем упрощенное выражение градуировочной характеристики в общем виде, пригодном для описания статики вибрационного плотномера.
Поскольку более точным и быстрым является режим измерения не частоты, а периода колебаний резонатора, то запишем градуировочную характеристику относительно периода Т колебаний
( 4 )Входящие в это выражение начальный период То колебаний и постоянная а0 резонатора определяются из нижеследующих выражений.
Для цилиндрического резонатора погружного типа с двухсторонним контактом жидкости:
( 5 )где l - длина образующей цилиндра; а1 - коэффициент, зависящий от условий закрепления торцов цилиндра и определяемый соотношением ( 3 ).
kT = h0 / aи kl = l /a– относительная толщина и длина цилиндрической оболочки; mпр - распределенная "присоединенная масса" жидкости, увлекаемая резонатором в движение.
Статическая характеристика вибрационного плотномера с цилиндрическим оболочковым резонатором может быть записана в общепринятом виде, если выразить "присоединенную массу" жидкости через относительную толщину "присоединенного слоя" снаружи К+ρ и внутри К-ρ резонатора