ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ
Ю. П. ЖУКОВ
Последнее десятилетие является периодом бурного развития аналитического приборостроения, при этом основной упор делается на разработку принципиально новых измерительных схем, базирующихся на современных достижениях науки и техники, использующих качественно новые принципы преобразования. В широкой номенклатуре средств аналитического контроля важное место занимают измерители плотности, которые на многих предприятиях могли бы давать основную информацию о параметрах технологических процессов, поскольку плотность определяет состав и свойства продукции. Весьма важным является измерение плотности жидких и газообразных веществ при их количественном учете в единицах массы, которая определяется по показаниям плотномера и объемного расходомера. Однако широкому промышленному использованию плотномеров препятствует их несовершенство, связанное с низкими метрологическими показателями, трудоемкостью монтажа и обслуживания, большими габаритами и массой, малой надежностью и т. п. Нельзя назвать ни одного серийно выпускаемого отечественной промышленностью плотномера, который бы успешно эксплуатировался непосредственно в промышленных условиях и обеспечивал при этом высокую точность измерения. Возрастающие требования к совершенству средств измерения заставляют исследователей искать новые принципы преобразования, одним из которых является вибрационно-частотный, занявший по числу публикаций в последнее десятилетие одно из ведущих мест.
Основное отличие вибрационных плотномеров от традиционных состоит в том, что они непосредственно преобразуют измеряемый параметр в частотно-модулированный сигнал без использования промежуточных преобразователей, что обеспечивает высокую точность измерения. В настоящее время известно более сотни патентов и авторских свидетельств, охватывающих различные конструкции вибрационных плотномеров. В Англии, США, Японии и Венгрии налажен их серийный выпуск, имеются сведения о применении вибрационных плотномеров собственных разработок в ФРГ, Франции, Австрии. В СССР опытным заводом им. М. И. Калинина НИПИнефтехимавтомата выпущен серийный образец автоматического плотномера типа АИП. Несмотря на большое разнообразие предложенных схем и конструкций таких плотномеров, до сих пор отсутствует теоретически обоснованный подход к их проектированию, ограничены сведения, характеризующие взаимодействие механических резонаторов с контролируемой средой при воздействии многочисленных факторов, присутствующих в реальных условиях измерения. Можно отметить лишь книгу И. А. Горенштейна, в которой теоретически обоснована работа частотных преобразователей давления, построенных на базе механических резонаторов оболочкового типа.
В книге сделана попытка обобщить накопленный материал и изложить основы теории вибрационных плотномеров, охватывающей важнейшие аспекты их расчета и проектирования. Основное внимание уделено плотномерам жидкостей, при этом автор не ставил перед собой задачи описания истории развития вибрационной плотнометрии, а сконцентрировал внимание на наиболее перспективных, по его мнению, схемах преобразователей, отвечающих основному принципу их построения, заключающемуся в совмещении узла закрепления механического резонатора с центром масс колебательной системы. Именно такой принцип построения позволяет обеспечить высокую добротность колебательной системы, что обусловливает в конечном итоге высокую точность плотномера.
Автор благодарен канд. техн. наук С. С. Кивилису за труд по рецензированию книги и сделанные при этом полезные замечания.
Все замечания по книге будут приняты автором с благодарностью. Просьба направлять их в адрес издательства.
Основным элементом частотных преобразователей является колебательный контур или частотно-зависимая цепь с параметрами, определяемыми контролируемой величиной. Существуют измерители с электромагнитными и механическими резонаторами, причем последние более перспективны для точного измерения различных параметров. Это объясняется тем, что добротность механических колебательных систем значительно превосходит аналогичный параметр электромагнитных контуров. Так если добротность последних составляет 10—200, то добротность механических резонаторов находится в пределах от нескольких сотен до нескольких десятков и даже сотен тысяч. В общем случае частотно-зависимые элементы можно использовать в режиме их свободных или вынужденных колебаний, однако подавляющее число преобразователей имеет автоколебательный режим работы.
Принцип построения частотного преобразователя на базе механического резонатора заключается в том, что контролируемый параметр, воздействуя на жесткость или массу системы, изменяет частоту ее колебаний. В качестве приемников и возбудителей колебаний используют различные электрические или пневматические преобразователи. Из числа электрических преобразователей, получивших наибольшее распространение, можно назвать электростатические, пьезоэлектрические, магнитострикционные, тензометрические, электромагнитные и магнитоэлектрические. Поскольку большинство этих преобразователей обратимы, то часто и возбудитель, и приемник колебаний выполняются в виде одинаковых преобразователей. В литературе нет указаний на какие-либо преимущества одной системы возбуждения перед другой, поэтому их выбор в каждом конкретном случае определяется конструктивными особенностями измерителя.
В настоящее время вибрационно-частотные преобразователи с механическими резонаторами получили распространение для измерения механических величин, параметров упругих элементов, давления и разности давлений, температуры, вязкости жидкостей. Вместе с тем наибольшее число публикаций, относящихся к вибрационно-частотным преобразователям, посвящено их использованию в качестве плотномеров. Все частотные преобразователи классифицируют по механизму действия и типу физической системы, преобразующей контролируемую величину в частотный сигнал. По механизму действия вибрационные плотномеры относятся к резонаторным преобразователям, а по типу физической системы — к механическим. По числу степеней свободы все колебательные системы подразделяются на системы с сосредоточенными и распределенными параметрами, первые из которых представляют собой соединение элементов, сосредоточивающих в себе один из основных параметров: упругость и инерционность, причем изменение одного из них может происходить независимо от другого. Такие системы имеют одну степень свободы и одну резонансную частоту при фиксированных значениях параметров элементов. Для системы с распределенными параметрами характерно то, что каждый ее элемент в равной степени обладает упругостью и инерционностью. Оба эти параметра распределены по всей системе так, что изменение одного из них вызывает изменение другого. Такие системы имеют много степеней свободы и, соответственно, много резонансов. Добротность механической системы с распределенными параметрами обычно на 1—2 порядка выше добротности системы с сосредоточенными параметрами в сопоставимых размерах, что позволяет считать преобразователи с распределенными параметрами колебательных систем наиболее перспективными, обеспечивающими более высокую точность измерения. В табл. 1 представлены различные типы механических резонаторов с сосредоточенными и распределенными параметрами колебательных систем вибрационных плотномеров, которые классифицированы по видам совершаемых ими колебаний.
В зависимости от способа контакта механического резонатора с контролируемой средой различают проточные и погружные плотномеры. В первых жидкость протекает внутри резонатора и участвует в колебаниях как инертная масса, жестко связанная с ним. В таких приборах колебательная система, как правило, выполняется на основе трубчатых резонаторов. В погружных преобразователях механический резонатор помещают в контролируемую жидкость на некоторую глубину, и ее действие подобно действию некоторой ’’присоединенной
Таблица 1. Механические резонаторы вибрационных плотномеров
|
массы”, связанной с резонатором и увлекаемой им в колебательное движение. В этом случае в качестве резонаторов обычно используются пластины или оболочки.
Передача колебательной энергии механическим резонаторам может производиться различными системами возбуждения колебаний, однако, наибольшее распространение в датчиках плотности получили электромагнитные, магнитоэлектрические и пьезоэлектрические системы возбуждения и съема колебаний.
Как уже отмечалось резонаторные датчики плотности могут использоваться в различных режимах движения: свободном, вынужденном и автоколебательном.
В случае свободных колебаний резонатора возможно совмещение функций возбуждения и съема колебаний в одном преобразователе. Такие схемы удобны для систем обегающего контроля, когда одновременно используется большое количество датчиков с одним измерительным устройством.
Частотные приборы с вынужденными колебаниями характеризуются большей сложностью и меньшей точностью по сравнению с приборами, в которых используются свободные колебания и автоколебания, и применяются только в тех случаях, когда другие режимы использовать затруднительно или невозможно.
Преобразователи с автоколебательным режимом работы резонаторов в большинстве случаев просты по устройству и характеризуются высокой точностью, поэтому именно автоколебательные системы наиболее предпочтительны для вибрационных плотномеров. Такие устройства напоминают схему электронного автогенератора с той лишь разницей, что связь между выходом и входом генератора существует только во время колебаний механического резонатора, таким образом, последний является не только колебательным контуром, но и элементом обратной связи для строго определенной частоты.