ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Их параметров

Материалы, из которых может быть изготовлен резонатор, должны обладать механическими свойствами, отвечающими высокой упругос­ти, стабильности при изменении температуры, малым упругим несо­вершенствам, износостойкости и коррозионной стойкости, пригод­ности к сварке. Основной характеристикой материала является его модуль нормальной упругости (модуль Юнга), который для различ­ных металлов и сплавов находится в пределах от 10 до 430 ГПа. Мо­дуль упругости металлов с повышением температуры, как правило, снижается. Исключение составляют металлы и сплавы, претерпевшие в процессе нагрева структурные превращения. Исследования в облас­ти физических свойств материалов показали, что сплавы, близкие по составу и находящиеся примерно в одном и том же структурном со­стоянии, имеют практически одинаковые физические свойства [38]. Таким образом, свойства сплава в пределах марочного состава можно считать одинаковыми.

Широкое применение для изготовления упругих элементов нашли сплавы, называемые элинварами, с малым коэффициентом термоупру­гости, который на один-два порядка меньше, чем у других металлов и сплавов [38]. К дисперсионно-твердеющим элинварам, содержащим титан и алюминий, относятся сплавы 42НХТЮ, 44НХТЮ, 43НКТЮ, механические и физические свойства которых зависят от режима тер­мической обработки, пластической деформации, профиля и размеров образцов.

Ферромагнитные сплавы на железоникелевой основе с добавлением титана и алюминия сохраняют температурную стабильность модуля уп­ругости при нагреве до 100 °С — сплав 42НХТЮ, до 200 °С — сплав 44НХТЮ и до 300 °С — сплав 43 НК ПО. К диспе рсионно-твердеющим относятся также немагнитные коррозионно-стойкие железохромонике­левые сплавы 36НХТЮ (сохраняет свои свойства до 300 °С), 36НХТЮМ5 (до 400 °С) и 36НХТЮМ8 (до 500 °С). Недостатком этих сплавов является сравнительно высокий коэффициент термо упругости, однако его постоянство в широком интервале температур облегчает термо­компенсацию погрешностей измерения. Сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте при атмосферных условиях* нефти с повышенным содержанием серы и в некоторых других средах.

В условиях промышленного применения преобразователей плот­ности на первый план выдвигается требование коррозионной устой­чивости материала к воздействию контролируемой среды. Коррозион­ное разрушение стенок резонатора влечет за собой появление прогрес­сирующей погрешности измерения вследствие постепенного изменения его геометрических параметров. Защитные покрытия стенок металлов коррозионно-стойкими пленками не всегда экономически оправданы и, кроме того, могут привести к ухудшению их упругих характерис­тик. В таких случаях приходится отказьюаться от применения диспер - сионно-твердеющих сплавов и использовать нержавеющие стали, не­смотря на то, что они отличаются значительно худшими упругими ха­рактеристиками. В [11] имеются сведения о коррозионной устойчи­вости стали в различных средах, однако следует учитывать, что общая коррозионная стойкость металла не всегда сохраняется после механи­ческой обработки и при циклическом действии механических напряже­ний. При выборе нержавеющих сталей следует учитывать возможность их разрушения из-за контактной коррозии, которая возникает в слу­чае, когда два металла с различными электродными потенциалами находятся в контакте в коррозионной среде.

Среди механических характеристик конструкционных материалов, из которых могут быть изготовлены резонаторы вибрационных плот­номеров, является демпфирующая способность. Известно, что демпфи­рующие свойства различных материалов могут сильно различаться, а способность металла рассеивать энергию следует рассматривать как самостоятельную характеристику, не зависящую от прочих его меха­нических свойств. Для вибрационно-частотных преобразователей эта характеристика металла является решающей, поскольку она во мно­гом определяет их метрологические показатели. Демпфирующие свой­ства материала не остаются постоянными при длительном воздействии циклических напряжений [37], кроме того, как показали исследова­ния, на рассеяние энергии влияют размеры конструкции, обусловли­вающие значение градиента напряжений, а также ее форма, определяю­щая как значение градиента, так и уровень концентрации напряжений. Учет действия того или иного фактора на демпфирующие свойства ма­териала, как правило, требует экспериментальных исследований, по­скольку представление о физической природе рассеяния энергии по­ка не позволяет давать достоверные количественные оценки [37]. В табл. 4.2 приведены основные характеристики некоторых материа­лов, из которых могут быть изготовлены механические резонаторы вибрационных плотномеров.

Для расчета оптимальных геометрических параметров механичес­ких резонаторов по формуле (4.15) необходимо знать значения коэф­фициентов гвн и гм, характеризующих внутреннюю и внешнюю дисси­пации энергии в колеблющемся резонаторе. Коэффициент гвн опреде­ляется лишь свойствами материала, из которого изготовлен резонатор, а коэффициент гм связан в основном с конструкционным гистерези­сом, определяемым структурой и типом механического резонатора. Поэтому оба эти коэффициента должны определяться эксперименталь­но для каждого из типов преобразователей выбранной структуры.

С целью экспериментального определения коэффициентов гвн и гм было изготовлено по несколько различающихся размерами образ-

цов механических резонаторов каждого типа. Логарифмический декре­мент для каждого отдельного образца определяется формулой (1.16) и может быть записан в виде

где Q — добротность колебательной системы резойатора; Х2 и!3 — сомножители, выражения которых приведены в табл. 4.1.

У каждого из изготовленных резонаторов была измерена доброт­ность Q колебательной системы по методике, позволяющей исклю­чить погрешность неизохронности колебаний. В соответствии с этой методикой возбудитель колебаний резонатора подключается к преци­зионному генератору звуковой частоты с плавной перестройкой час­тоты выходного сигнала. Напряжение выходного сигнала генератора, а также ЭДС, наводимая в приемнике колебаний, измерялись цифро­выми вольтметрами. При прохождении через резонанс путем плав­ного изменения частоты генератора поддерживалось неизменным зна­чение ЭДС, наводимой в приемнике, за счет регулирования напряжения сигнала, подаваемого на возбудитель колебаний. В результате прове­денных операций может быть зарегистрирован резонансный пик напря­жения возбуждения, показанный на рис. 4.2. Добротность колебатель­ной системы определяется отношением резонансной частоты /р коле

баний к ширине полосы пропускания А/0 7 (Q =/р/А/0 7), соответ­ствующей ширине резонансного пика на уровне U0 7 возбуждающего напряжения, значение которого равно

£/0,7 =ио- 0,707(U0 - имин) = 0,293 U0 + 0,707 £/ми„,

где U0 — напряжение сигнала генератора, подаваемое на возбудитель колебаний вдали от резонанса.

Практически вдали от резонанса на возбудитель следует подавать максимально возможное напряжение, на которое он рассчитан, посколь­ку при частоте резонанса оно может уменьшаться в несколько тысяч раз.

На основании результатов измерений добротности колебательных систем резонаторов составлены системы уравнений вида (4.16), из ре­шения которых полученьї значения коэффициентов гвм и гм для раз­личных конкретных образцов (табл. 4.3).

Анализ отдельных составляющих функции (4.15) указывает на це­лесообразность увеличения определяющего размера а (внутреннего диаметра трубок, радиуса пластин или срединной поверхности цилин­дра), поскольку его рост связан с уменьшением погрешности измере­ния. Вместе с тем увеличение определяющего размера резонатора при­водит к росту размеров первичного измерительного преобразователя, поэтому разумное значение определяющего размера должно обосно-

вьюаться свойствами контролируемой среды, условиями измерения, монтажа преобразователя, его допускаемой массой и т. д. Значения ос­тальных геометрических параметров резонаторов определяются рас­четным путем по минимуму фукнции (4.15) и зависят от ряда факто­ров, связанных с условиями проведения измерений и учитывающих номинальное значение контролируемой плотности, фазовые и ампли­тудные изменения, возникающие в системе возбуждения автоколеба­ний резонатора. Для проведения расчетов необходимо задать исход­ные данные, фиксирующие выбранное значение определяющего разме­ра резонатора, а также номинальное значение амплитуды его устано­вившихся автоколебаний. Кроме того, должны быть известны преде­лы возможных относительных отклонений фазы и амплитуды коле­баний от их номинальных значений. Причинами фазовых сдвигов в системе возбуждения могут быть изменения параметров элементов автоколебательного контура, вызванные, как правило, изменениями температуры окружающей среды. Помимо этого на фазовый сдвиг влияет девиация частоты колебаний резонатора под действием контро­лируемого параметра. В общем случае конкретное значение предель­ного значения фазового сдвига должно оцениваться для реальной си­стемы возбуждения автоколебаний резонатора в конкретных усло­виях его применения.

Изменения амплитуды автоколебаний резонатора могут быть обус­ловлены наличием различного рода механических или газовых приме­сей в контролируемой среде. На амплитуду автоколебаний резонато­ров погружного типа может также оказывать влияние изменение вяз­кости контролируемой жидкости. В табл. 4.4 приведены исходные данные, использованные для примерного расчета оптимальных кон-

структивных параметров механических резонаторов. Следует учиты­вать то обстоятельство, что ранее полученные формулы (2.25), (4.5),

(4.10) и (4.14) справедливы для так назьюаемого ’’длинного” цилин­дра, у которого отношение длины образующей к радиусу срединной поверхности не является малым. Поэтому при расчете оптимальных параметров цилиндрического резонатора было введено ограничение на относительную длину цилиндра 5.

Полученные по формуле (4.15) оптимальные значения конструктив­ных параметров механических резонаторов для различных значений плотности контролируемой среды (табл. 4.5) позволили выработать рекомендации по, конструированию механических 'резонаторов виб­рационных размеров, указанных в табл. 4.6. Представляет интерес про­анализировать степень влияния отклонений конструктивных парамет-

Таблица 4.5. Расчетные значения оптимальных параметров механических резонаторов

’ Og 1,0 1,5 К 0,5 1,0 1,5 К ' 0,5 1,0 1,5 К

а) б) в)

Рис. 4.3. Влияние на погрешность плотномеров с трубчатым (а), кругло пли стин- ным (б) и цилиндрическим (в) резонаторами отклонений от номинальных значе­ний определяющего размера (линии 7), толщины стенки (линии 2) и длины (ли­нии J.) резонаторов

ров резонаторов от их оптимальных значений на абсолютную погреш­ность измерения плотности. Такая оценка позволяет сформулировать требования к качеству изготовления механических резонаторов и уста­новить допуеки на отклонение размеров отдельных деталей. На рис. 4.3 приведены графики расчетных зависимостей абсолютной погрешнос­ти Дп. п измерения плотности плотномерами различных типов от изме­нения в к раз от оптимального значения одного из конструктивных параметров (определяющего размера а, длины / и толщины стенки h0 резонатора) при фиксированных оптимальных значениях других пара­метров. Все расчеты проведены для жидкости с номинальным значе­нием плотности 1000 кг/м3. Вид графиков указывает на необходи­мость ответственного подхода к выбору конструктивных парамет­ров и изготовлению отдельных элементов механических резонаторов.