устройство для измерения плотности жидкости

Формула изобретения

1. Измерительное устройство, состоящее из вибратора с установленными на нем контрольным и вибрационным преобразователями, выходы которых подключены к регистрирующей аппаратуре, отличающееся тем, что в качестве вибрационного преобразователя выбран преобразователь с инерционной массой, выполненной в виде полой оболочки, внутренний объем которой заполнен рабочей жидкостью через впускной штуцер.

2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что в полую оболочку инерционной массы вибрационного преобразователя введен выпускной штуцер.

Описание изобретения к патенту

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологических процессах, где необходим контроль за плотностью применяемых растворов в пищевой, химической, микробиологической, нефтеперерабатывающей промышленности.

2. Уровень техники.

Известны устройства, содержащие вибратор, возбуждающий резонанс колебательной системы, в состав которой входит жидкость, чью плотность необходимо измерить [1, 2]. Плотность в таких устройствах связана с измеряемой величиной - резонансной частотной квадратичной зависимостью, поэтому по точности они уступают устройствам, в которых реализуется прямо пропорциональная зависимость между измеряемой и определяемой величинами. Известны вибрационные преобразователи с инерционной массой, выходное напряжение которых при воздействии вибрации пропорционально ее величине [3]. Известно устройство калибровки вибрационных преобразователей, состоящее из вибратора, с установленными на нем контрольным и калибруемым вибропреобразователями [4], для которого характерна высокая точность, что, однако, не решает проблему измерения плотности жидкости.

3. Сущность изобретения.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном устройстве, содержащем вибратор с установленными на нем контрольным и вибрационным преобразователями в качестве последнего взят преобразователь с инерционной массой, выполненной в виде полой оболочки, внутренний объем которой заполнен рабочей жидкостью через впускной штуцер.

Целью изобретения является создание измерительного устройства с более высокой точностью измерения за счет прямо пропорциональной зависимости между измеряемой величиной и плотностью жидкости, и за счет относительного характера измерений.

В известном устройстве напряжение U на выходе вибрационного преобразователя при ускорении a, создаваемом вибратором и измеряемом контрольным преобразователем, пропорционально величине инерционной массы

U = ma,

где m - величина инерционной массы;

- коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора типа чувствительного элемента: электромагнитный, емкостной, пьезоэлектрический и т.д.

В предлагаемом устройстве инерционная масса определяется суммой массы m_о оболочки и массы рабочей жидкости, помещенной внутри оболочки, равной V_o, где _o - плотность жидкости; V - объем полости.

Так как объем полости инерционной массы фиксирован, то напряжение на выходе вибрационного преобразователя при постоянном ускорении a равно

U = (m_o+V_o)a

и пропорционально плотности рабочей жидкости, что позволяет проводить ее измерения.

При коэффициенте преобразования контрольного преобразователя, равном K, напряжение на его выходе U_K равно U_K= Ka, а значение плотности жидкости определяется из соотношения



Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуются относительные измерения плотности, что обуславливает их большую точность.

Введение в оболочку инерционной массы выпускного штуцера позволяет осуществить непрерывное движение рабочей жидкости через вибрационный преобразователь и тем самым обеспечить непрерывный контроль за ее плотностью.

4. Перечень чертежей.

На фиг. 1. схематично представлено предлагаемое устройство, состоящее из вибратора 1, контрольного преобразователя 2 и вибрационного преобразователя, например, пьезоэлектрического типа, включающего в себя пьезоэлемент 3, инерционную массу, представляющую собой оболочку 4, охватывающую полость 5, объем которой заполнен рабочей жидкостью, и оснащенную штуцером 6 для ее слива и налива.

На фиг. 2 - инерционная масса вибрационного преобразователя, выполненная в виде оболочки 4, охватывающей полость 5, снабжена впускным 6 и выпускным 7 штуцерами, обеспечивающими непрерывное движение жидкости через инерционную массу.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Для оценки возможности создания предлагаемого устройства был создан соответствующий фиг. 2 макет пьезоэлектрического преобразователя. В качестве измерительной аппаратуры использовались приборы и оборудование фирмы "Робботрон".

Напряжение на выходе вибрационного преобразователя, при протекании через него рабочей жидкости, плотность которой _o в некоторый момент времени изменяется на величину , при ускорении, создаваемом вибратором и контролируемым контрольным преобразователем, равным 1 мс^-2, равно



где d₃₃ - пьезоэлектрический модуль;

C - емкость пьезоэлемента;

U₀ - составляющая, - постоянное напряжение;

флуктуации напряжения, обусловленные флуктуациями плотности, рабочей жидкости;

U_ш - шумовые напряжения, обусловленные шумовыми виброускорениями, электронными шумами измерительного тракта и шумами обтекания жидкости.

По экспериментальным оценкам U_ш в 1/3 октавной полосе частот со средней частотой 180 Гц составляет: U_ш = 510^-6 В.

Для измерения среднеквадратичных значений напряжения U с относительной погрешностью 0,5% необходимо, чтобы U = 10U_ш. При этом условии флуктуации плотности связаны с шумовыми напряжениями соотношением



Таким образом, минимальные изменения _min плотности рабочей жидкости, измеряемые с относительной погрешностью 0,5%, для выбранных значений

C = 20 пФ; d₃₃ 3000 пК/Н; V = 10^-4 м³;

составляют: _min= 310^-2 кг/м³.

Для экспериментальной проверки в качестве рабочей жидкости использовались два соляных раствора с плотностями 1020 и 1025 кг/м³. Изменение плотности растворов, равное 5 кг/м, приводило к изменению выходного напряжения вибрационного преобразователя около 710^-3 В, что существенно превышало напряжения шумов U_ш = 510^-6 В и подтверждало принципиальную возможность создания предлагаемого устройства.

Литература

1. Проточный вибрационный плотномер. А.с. N 360591, кл. G 01 N 9/32, 1971.

2. Камертонный преобразователь для жидких сред. А.с. N 396590, кл. G 01 N 9/32, 1972.

3. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем, Мир, 1992, т. 2, стр. 71-125.

4. Ю.А.Иориш. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1993, с. 627-635.