ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Схемы вибрационных плотномеров

Среди первых промышленных образцов вибрационных плотноме­ров широкую известность приобрел плотномер типа NT1762, выпущенный в Англии фирмой Solartron в 1969 г. [87]. Механический резона­тор плотномера (рис. 1.3) содержит две параллельные трубки 1 из упру­гого нержавеющего железоникелевого сплава, жестко скрепленные на концах опорами 2. Каждая из трубок имеет длину 303 мм при внут­реннем диаметре 33 мм и толщине стенок 0,95 мм. Электромагнитная система возбуждения расположена между трубками и содержит воз­буждающую катушку 3 и две последовательно соединенные приемные катушки 4, соединенные со входом усилителя 5, поддерживающего автоколебания на первой основной частоте, зависящей от плотности протекающей внутри трубок жидкости. Так, для воздуха с плотностью 1,2 кг/м3 частота автоколебаний составляет 1350 Гц, при протекании же внутри трубок жидкости с плотностью 1000 кг/м3 она уменьшается до 1050 Гц. Резонатор крепится к корпусу 8 с помощью пружинных амортизаторов. Измеряемая среда подается в трубки и выводится из них через две пары сильфонов 6. Температурная поправка к показа­ниям вводится с помощью двух платиновых термометров сопротивле­ния 7, установленных на входе и выходе жидкости из преобразовате­ля. Погрешность измерения по данным про­спекта фирмы [86] составляет 0,1 кг/м3 с устойчивостью показаний (долговременной стабильностью) не хуже 0,2 кг/м3 в год.

Плотномер может работать при температуре измеряемой среды от —30 до +100 °С и давле­нии до 7 МПа. Дополнительные погрешности измерения, возникающие при изменении тем­пературы и давления жидкости, составляют 0,05 кг/м3 на 1 °С и 5,8 кг/м3 на 1 МПа. ^

Изменение скорости потока в трубках дает дополнительную погрешность не более 0,02 кг/м3 на 1 м/с.

Градуировочная характеристика плотноме­ра соответствует выражению

/=/о(1 + а0р)-°'5,

в котором /о — частота колебаний резонатора в вакууме (начальная частота); а0 — посто­янная резонатора; р — плотность контроли­руемой жидкости. Точные значения парамет - $ ров /0 и а о находят экспериментально для уже изготовленного преобразователя с ис­пользованием двух сред с фиксированными значениями плотностей.

Рис. 1.3. Двухтрубный вибрационный плотномер

К достоинствам рассматриваемого плотномера следует отнести вы­сокую добротность его колебательной системы (около 3000), удоб­ную форму резонатора, пригодную для его чистки. Недостатком кон­струкции является большое число гибких соединителей, отделяющих резонатор от корпуса и технологического трубопровода, что приво­дит к дополнительной диссипации энергии. Кроме того, наличие силь­фонов не позволяет применять плотномер для загрязненных жидкостей.

Помимо двухтрубного фирма Solartron выпускает однотрубные плотномеры типов 7830 и 7840, различающиеся материалом трубча­того резонатора [69, 70, 84]. Тонкостенная прямая трубка 1 (рис. 1.4) длиной 1,03 см внутренним диаметром 24,5 мм и толщиной стенки 0,95 мм жестко закреплена в массивных наконечниках 2, к которым присоединена платформа 3. Резонатор соединен с входным и выходным патрубками 4 посредством сильфонов 5, предотвращающих передачу вибраций корпусу 6. Автоколебания трубки на частоте третьей гармо­ники поддерживаются системой возбуждения, состоящей из электромаг­нитного возбудителя 7, установленного в средней части трубки и двух приемников 8У расположенных по бокам на расстояниях, равных одной пятой части длины от каждой из опор. Резонатор плотномера 7830 вы­полнен из железоникелевого сплава, а плотномера 7840 - из нержа­веющей стали марки 316. Обе модели плотномера могут использовать­ся в диапазоне плотностей 0—3000 кг/м3, при этом на воздухе частота колебаний резонаторов составляет 1630 Гц, а при их заполнении жид­костью с плотностью 1000 кг/м3 уменьшается до 1240 Гц.

Основные характеристики плотномеров моделей 7830 и 7840 приве­дены в табл. 1.1.

Градуировочная характеристика плотномеров представлена в виде разложения по степеням периода Т колебаний резонатора

р = Ко + KtT+ К2Т2

К5=К6+Кп(Ръ - 1); К8=К9+К10(Ръ-1), (1.21)

где Р@ — плотность, скорректированная по температуре 0; рр — плот­ность, скорректированная по абсолютному давлению ра; К0 - Ki0 - константы из калибровочного свидетельства плотномера.

Общим недостатком плотномера с резонаторами в виде прямых участков является низкая добротность, обусловленная интенсивным рассеянием энергии в корпус или основание из-за наличия больших поперечных реакций в узлах закрепления трубки при ее колебаниях.

Отечественный плотномер АИП [2, 3], показанный на рис. 1.5, также имеет резонатор в виде двух параллельных трубок 1 из стали 36НХТЮ, жесжо заделанных в основания 2. Колеблющиеся трубки охвачены системой упругих перемычек 3 и 4, которые позволяют равномерно распределять механические напряжения по площади контакта трубок с перемычками и между ними. Кроме того, перемещая перемычки, можно изменять частоту колебаний резонатора, осуществляя тем самым его настройку на заданный диапазон. Автоколебания резонатора обес­печиваются системой возбуждения из электромагнитов 5 и усилителя 6.

Резонатор отделен от корпуса 7 сильфонами 8, соединяющими его с входным и выходным распределителями потока 9, в которых установ­лены термометры сопротивления 10 для коррекции температурной погрешности измерения. Прибор может измерять плотность жидкостей в пределах 690-1050 кг/м3 с абсолютной погрешностью 1,5 кг/м3. Измеряемая среда может иметь температуру 10—100 °С, избыточное давление до 1,6 МПа и кинематическую вязкость до 6 • 10"5 м2/с. Час­тота колебаний резонатора в воздухе равна 1250 и 1050 Гц при его за­полнении водой. Градуировочная характеристика плотномера соответ­ствует формуле (1.18), в которой постоянная а0 = 5,28-10“4 м3/кг.

В вибрационном плотномере, разработанном Япрнской фирмой Yokogawa Electric Corp. [8, 35, 51], вибратор (рис. 1.6) содержит две параллельные тонкостенные трубки 1 из нержавеющей стали с на­ружным диаметром 7 мм и толщиной стенок 0,15 мм. Одни концы трубок припаяны к корпусу 2 достаточно большой массы, а вторые концы — к соединителю 3 с установленным в нем термометром сопро­тивления 4. Такое устройство является своеобразным замкнутым ка­мертоном, в котором контролируемая жидкость протекает через обе трубки (показано стрелками). Трубки 1 приводятся в режим противо­фазных колебаний системой возбуждения, включающей в себя элек­тростатический приемник колебаний 5, связанный со входом усили­теля 6, и пьезоэлектрический возбудитель колебаний 7.

Питание системы возбуждения осуществляется от источника по­стоянного напряжения 8, при включении которого в ней возникают

колебания с частотой, зависящей от плотности жидкости в резонаторе. Плот­номер может работать в интервале плот - 2 костей 500—1500 кг/м3 с минимальным диапазоном шкалы 50 кг/м3 и основной. у приведенной погрешностью не более 1%. Температура контролируемой жидкости может быть от —10 до 100 °С, при этом дополнительная приведенная температур - g ная погрешность измерения составляет 0,5% на каждые 10 °С. Изменение ско - £ рости протекания жидкости от 0 до 2 м/с и вязкости от 0 до 1,5 Па-с вызы­вает появление дополнительных по­грешностей, не превышающих 0,1 % диапазона измерения. Недостат­ком конструкции является жесткое крепление концов резонирующих трубок к корпусу. В этом случае в результате взаимного влияния ко­лебательной системы и реальной опоры, которая не имеет постоянных характеристик, во-первых, ухудшается добротность колебательной системы, а во-вторых, частота колебаний резонатора становится весь­ма зависящей от внешних сил, действующих через опору.

Кроме рассмотренных вибрационных плотномеров, которые вы­пускаются серийно, существуют 9 другие схемы подобных приборов с трубчатыми резонаторами, предложенные разными авторами [15, 22, 29, 42—44, 49, 52, 55, 60, 61, 64, 67]. Обобщая имеющиеся сведе­ния о вибрационных плотномерах с трубчатыми резонаторами, сле­дует отметить, что наибольшую добротность обеспечивают колебатель­ные системы камертонного типа на основе двухтрубных резонаторов с противофазным колебанием параллельных ветвей, когда взаимо - компенсируются поперечные реакции в опорах вибратора. Использова­ние же однотрубных резонаторов, как правило, приводит к необходи­мости их закрепления в массивных опорах или применения мягких подвесок, отделяющих резонатор от внешних элементов конструк­ции. Однотрубные резонаторы более просты и удобны в эксплуата­ции, но даже при их тщательном изготовлении весьма трудно обеспе­чить высокую добротность систем,

а следовательно, и точность всего преобразователя.

Большое число патентов и пуб­ликаций зарубежных авторов по­священо вибрационным плотноме­рам с погружным резонатором в форме тонкой прямоуголь­ной пластины, закрепленной в

На рис. 1.7, а представлена схема плотномера [72, 82] с колеблющей­ся пластиной 1, которая запрессована под давлением 140 МПа в прямо­угольных вырезах полуцилиндров 2 и 3. Собранная конструкция резо­натора с полукольцами впрессована в предварительно разогретый кор­пус 4. В специальной расточке полуколец эпоксидным клеем укреп­лен пьезоэлектрический приемник колебаний 5. Возбуждение коле­баний пластины производится через верхний полуцилиндр 2 посред­ством магнитострикционной трубки 6, находящейся в магнитном по­ле катушки возбуждения 7. Трубка 6 нижним концом упирается в полуцилиндр 2, а специальным выступом 8 — в цилиндрический кор­пус 9, изготовленный из магнитного материала и выполняющий роль экрана. При сборке обеспечивается предварительное сжатие магнито­стрикционной трубки 6, которая во время работы дополнительно сжи­мается или растягивается под действием переменного магнитного по­ля. Внутри трубки пропущены проводники от пьезоэлемента 5 к пред­варительному усилителю 10, расположенному в кожухе 11. Преобразо­ватель обычно погружают в трубопровод с контролируемой средой так, чтобы продольная ось корпуса 4 была параллельна оси трубки. Окружающая пластину среда своей массой влияет на частоту ее авто­колебаний.

Известен ряд патентов, в которых описаны различного рода усо­вершенствования, улучшающие метрологические свойства рассмот­ренного плотномера. Так, было установлено, что при повышении тем­пературы контролируемой среды уменьшалась амплитуда выходного сигнала пьезопреобразователя из-за размягчения эпоксидного клея, которым он приклеен к полуцилиндрам. Для устранения этого недос­татка предложено [83] использовать пьезокристалл с положительно термозависимой амплитудой выходного сигнала. Одним из недостат­ков схемы, показанной на рис. 1.7, а, является то, что ввиду различия коэффициентов теплового расширения материалов магнитострикцион­ной трубки и цилиндрического корпуса меняется осевое сжатие труб­ки от изменения температуры. Это оказывает вредное влияние на точ­ность плотномера. Кроме того, измерения можно проводить лишь при установившейся температуре. В [73] предложено между верхним кон­цом магнитострикционной трубки и корпусом ввести пружину, кото­рая бы воспринимала различия в температурных удлинениях указан­ных элементов, обеспечивая постоянное осевое сжатие трубки. Кроме того, для введения температурной поправки к показаниям плотноме­ра предложено [59] в качестве приемника колебаний применять термо­зависимый тензопреобразователь. Колеблющаяся пластина 1 (см. рис. 1.7, б) имеет на своей поверхности наклеенный через подложку 2 термо резистор 5, который меняет свое сопротивление как от деформа­ции, так и от температуры.

На рис. 1.7, в показана схема резонирующей пластины 7, в средней части которой сделано специальное утолщение 2 [74]. При изготовле - 20 нии серии вибрационных плотномеров возникают трудности в обеспе­чении идентичности их градуировочных характеристик из-за разброса начальных частот колебаний вследствие неточностей изготовления резо­наторов. Для устранения этого разброса после сборки пластину подвер­гают дополнительной механической обработке, удаляя часть металла с утолщения 2 и подгоняя экспериментально начальную частоту коле­баний к заданному значению. Имеются сведения [75—77, 79, 80] об усовершенствованиях в конструкции, которые приводят к сглажива­нию градуировочной характеристики плотномера, представляемой в виде формулы (1.19). Достоинством плотномеров с пластинным резо­натором является их компактность, удобство использования, а также независимость выходного сигнала от изменений давления контроли­руемой среды. Однако ввиду несбалансированности резонатора имеет место рассеяние его энергии в узлах крепления, что не позволяет ожи­дать высокой добротности такой колебательной системы. Подобные плотномеры, выпускаемые фирмой ГГТBarton (США), могут изме­рять плотность жидкостей, газов и паров при температурах от —250 до 120 °С с относительной погрешностью не более 0,25 % [78].

Помимо ’рассмотренных преобразователей за рубежом широкое распространение получили вибрационные плотномеры с оболочковы­ми резонаторами в виде вибрирующих цилиндров. На рис. 1.8, а пока­зан вибрационный плотномер, резонатором которого служит тонко­стенный цилиндр 1 с фланцами 2 на торцах [58]. Цилиндр изготов­ляется из магнитного материала с малым коэффициентом термоупру­гости (например, из элинвара) с толщиной стенки 0,127 мм для жид­костей и 0,064 мм для газов [81]. 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 воз-

буждения 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 рис. 1.8, 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. При измерении же плотности газа его следует направлять сверху вниз для удаления твер­дых включений и пыли. Градуировочная характеристика плотноме­ра имеет вид (1.18). Существенным недостатком резонаторов в виде вибрирующих цилиндров является сравнительно низкая добротность их колебательных систем, обусловленная большим рассеянием энер­гии в местах их закрепления. Для измерения плотности газов получи­ли распространение вибрирующие цилиндры с одним крепежным флан­цем и внутренним расположением возбуждающей и приемной электро­магнитных катушек [57]. Один из таких плотномеров показан на рис. 1.9 [63]. Резонатор 1 в ваде цилиндра имеет утолщение в верхней части и фланец 2 в нижней, который с помощью прижимного кольца 3 фиксирует цилиндр на основании корпуса 4. Такое разборное соеди­нение обеспечивает легкость снятия цилиндра (например, для чистки)

и последующей его установки без изменений условий монтажа и сни­жения точности измерения. Ци­линдр имеет внутренний диа­метр 18 мм и максимальную длину вместе с фланцем и верх­ним кольцом 54 мм. Толщи­на стенки цилиндра составля­ет 0,15 мм для диапазона плотнос­тей газов 0-120 кг/м3 и 0,076 мм для диапазона 0-60 кг/м3. Цилиндр - окружен магнитным кольцом 5, впрессованным в верхнюю крышку корпуса 6. Электромагнитная система - возбуждения включает в себя возбуждающую 7 и приемную 8 катушки, оси которых взаимоперпен­дикулярны. Обе катушки вмонтированы в цилиндрическое тело 9 из термостойкой смолы, установленное внутри цилиндрического резона­тора. Это позволяет значительно снизить объем анализируемого газа, требующегося для заполнения преобразователя, что зачастую бывает важным, особенно при использовании плотномера на установках с малыми объемами транспортируемых газов (например, в хроматогра­фах), где плотномер может служить детектором. Анализируемый газ входит через отверстие в колпаке 6, проходит снаружи и внутри ци­линдра 1 и выходит через отверстие в нижней части корпуса 4. Различ­ные конструкции плотномеров с цилиндрическими резонаторами мо­гут работать при плотностях жидкостей от 400 до 3000 кг/м3 и газов от 0 до 120 кг/м3, давлении измеряемой среды до 14 МПа и темпера­туре от —20 до 60 °С с погрешностью 0,1 % верхнего предела шкалы. Существуют плотномеры для сжиженных газов, работающие при тем­пературе —270 °С и давлении до 70 МПа, а также при температурах до 400 °С [81]. Для уменьшения температурной погрешности измере­ния разработан дифференциальный плотномер с двумя цилиндричес­кими резонаторами, через один из которых протекает измеряемая среда, а другой, помещенный в замкнутый объем, находится в тепло­вом контакте с жидкостью [65]. Выходным сигналом такого преоб­разователя является разность частот колебаний цилиндров. В тех слу­чаях, когда жидкость или газ находится с одной стороны вибрирую­щего цилиндра, следует учитывать зависимость частоты его колеба­ний от давления среды [63]:

^ (1 + а і Ар) '

/=/о /--------------------- —--------- ,-------------------------------------------- (1-22)

V (1 + я 2Р і) (1 + а3р2)

где Ар — разность давлений, действующих на внутреннюю и наруж­ную стенки цилиндра; р1 и р2 — плотности среды внутри и снаружи цилиндра; ах~аъ — экспериментально определяемые калибровочные постоянные резонатора.

Для измерения плотности жидкостей в лабораторных условиях при работе с небольшими по объему пробами под атмосферным давлением разработан плотномер с миниатюрным элементом [66]. Первичный измерительный преобразователь плотномера содержит цилиндричес­кий резонатор, выполненный из элинвара и имеющий диаметр 5 мм, длину 20 мм и толщину стенки 80 мкм. Резонатор имеет на торцах утолщения, с помощью которых жестко фиксируется внутри сталь­ного трубчатого держателя с наружным диаметром 10 мм. Для запол­нения внутренней полости цилиндра требуется не более 0,5 см3 жид­кости, причем цилиндр с помощью держателя может погружаться в контролируемую среду подобно щупу. Резонатор приводится в ре­жим автоколебаний системой возбуждения, включающей в себя пьезо­электрические преобразователи, укрепленные на наружной поверх­ности цилиндра с помощью термостойкого электропроводящего поли­амида кислоты. Благодаря этому опускаемый в жидкость конец дер­жателя с цилиндром может подвергаться высокотемпературной сте­рилизации или очистке органическими растворителями. Частота коле­баний цилиндра в вакууме составляет 19 кГц, при этом добротность его колебательной системы достигает 5000. Для обеспечения стабиль­ности колебаний на собственной частоте в системе возбуждения исполь­зуется фазовый компаратор, поддерживающий фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами, равный 90°. В отличие от тради­ционных вибрационных плотномеров с цилиндрическими резонатора­ми, у которых на результат измерения плотности оказывает некото­рое влияние и вязкость контролируемой среды, в данном преобразова­теле предусмотрена автоматическая компенсация влияния вязкости, в результатеtчего результирующая погрешность измерения в диапазо­не плотностей 650—1500 кг/м3 при вязкости жидкостей до 1 Па с не превышает 0,5 кг/м3. В приборе предусмотрена также автоматичес­кая компенсация температурной погрешности, для чего на одном из торцов цилиндра внутри трубчатого держателя укреплен полупроводни­ковый термопреобразователь.

Известно [71], что на режим колебаний оболочки влияет не толь­ко плотность или вязкость окружающей ее среды, а также разность давлений на поверхностях, но и скорость распространения звука в

среде. Поэтому показания таких плотномеров могут зависеть от при­роды контролируемой жидкости и ее состава. Одним из путей сниже­ния такого влияния является уменьшение собственной частоты коле­баний резонатора, которое может быть обеспечено его соответствую­щим конструктивным исполнением. Следует отметить, что плотноме­ры с оболочковыми резонаторами удобны в эксплуатации, обладают высокой чувствительностью, однако их добротность, как правило, значительно уступает добротности колебательных систем с трубчатыми резонаторами.