ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Градуировка и поверка вибрационных плотномеров

Градуировка вибрационных плотномеров заключается в определе­нии параметров, входящих в выражения их уравнений шкалы. При использовании одно резонаторно го первичного измерительного пре­образователя, работающего в режиме измерения приведенной к на­чальной температуре ©о плотности жидкости в узком интервале ее возможных значений, уравнение шкалы соответствует равенству (2.32) и имеет вид

Р (©о) = Р„ + Су(Г-Г„)-С0(е-©о), (5.8)

где Тн = Т0 V 1 +аоРн ~ период колебаний резонатора при плотности жидкости рн, соответствующей начальной отметке шкалы.

Для определения значений коэффициентов Ст и Cq необходимо предварительно на основании результатов экспериментальных измере­ний по формулам (2.27) определить значения постоянной а0 резонато­ра и начального периода Т0 его колебаний, а также значение коэффи­циента термо упругости аЕ материала резонатора, воспользовавшись результатами эксперимента и справочными данными о коэффициенте теплового линейного расширения материала. Значение коэффициента теплового объемного расширения а у контролируемой среды также находится по справочным данным.

При использовании однорезонаторнопГ первичного измерительного преобразователя в режиме измерения действительной плотности жид­кости в широком интервале ее возможных значений можно воспользо­ваться уравнением шкалы (2.35), автоматизированную обработку ко­торого целесообразно проводить в несколько этапов. Вначале рассчи­тывают плотность среды р без учета действия ее температуры и давле­ния по двухчленной формуле:

ft = Ci Т2 — С2 (5.9)

или трехчленной формуле, как это делается в плотномерах, выпускае­мых английской фирмой Solartron,

С0+ CtT + СгТ2. (5.10)

Значения коэффициентов Сх и С2 в формуле (5.9) находят экспери­ментально по двум жидкостям с известными плотностями при началь­ной температуре, для определения трех коэффициентов в формуле

(5.10) необходима еще и третья среда с известной плотностью, в ка­честве которой обычно используют воздух.

На втором этапе рассчитывают значение плотности р (0) при данной текущей температуре 0 по формуле

р(О =р[1 - Сз(в-0о)] - С4(0-0О), (5.11)

в которой коэффициенты С3 и С4 находят экспериментально по двум известным значениям плотности жидкости (например, воды) при двух фиксированных ее температурах.

На третьем этапе производится коррекция вычисленного значения плотности среды по ее давлению. Расчетную формулу для коррекции можно получить из выражения (3.11) с учетом линейной зависимости растягивающего резонатор усилия Not избыточного давления р:

р (0, р) = р(0) (1 + С5р) + С6р, (5.12)

где р (0) — плотность жидкости, рассчитанная по формуле (5.11); Р (0> Р) — действительная плотность среды, скорректированная по температуре и давлению; С5 и С6 — коэффициенты, значения которых находятся экспериментально при двух фиксированных избыточных давлениях какой-либо жидкости (например, воды) с использованием гидравлического пресса.

Очевидно, что процедуры коррекции измеренного значения плот­ности среды по температуре и давлению возможны лишь на основе ин­формации, полученной от дополнительных преобразователей темпе­ратуры и давления контролируемой жидкости.

При использовании двухрезонаторного первичного измерительного преобразователя в режиме измерения приведенной к начальной темпе­ратуре плотности целесообразно пользоваться уравнением градуировоч­ной характеристики (3.9), измерение ж£ действительной плотности среды предусматривает два этапа преобразования. Вначале рассчиты­вается по формуле (3.8) действительная температура

0 = 0о + Сх 1

С3(Т')2-Т2

где Т и Т' — периоды колебаний основного и вспомогательного резо­наторов: С і - Сз — коэффициенты, значения которых находят экспери - ментально при трех фиксированных температурах какой-либо жидкос­ти или по известным значениям постоянных а о и а0 основного и вспомо­гательного резонаторов, их начальных периодов колебаний Т0 и Го, а также коэффициента термо упругости аЕ и теплового линейного рас­ширения материала резонаторов aj.

Как уже отмечалось, достоинством двухрезонаторного первичного измерительного преобразователя плотности (см. рис. 3.3) является то, что он не требует применения дополнительных преобразователей температуры я избыточного давления контролируемой среды.

Для определения коэффициентов, входящих в приведенные форму­лы, может быть использована экспериментальная установка, схема ко­торой показана на рис. 5.5. Установка содержит сосуды 1 и 2, запол­ненные жидкостями с известными значениями их плотностей, напри­мер веретенным маслом, точное значение плотности которого при на­чальной температуре 20 °С следует определить экспериментально пик­нометром, и дистиллированной водой с плотностью р (©о) =998,2 кг/м3 при @о =20 °С и атмосферном давлении 101,325 кПа. Каждая из запол­няющих сосуды жидкостей может с помощью насосов 3 транспортиро­ваться по соответствующему замкнутому контуру, проходя через пер­вичный измерительный преобразователь 4, установленный в напорной линии с помощью фланцевых соединений 5. На схеме изображен уста­новленный для градуировки первичный измерительный преобразова

тель проточного типа. В случае градуировки погружных преобразова­телей их следует погрузить с помощью подвесов в сосуды 7 или 2, при этом жидкости также могут перекачиваться по соответствующим замк­нутым контурам, для чего следует соединить верхний и нижний флан­цы 5, опустив боковые сливные трубки в сосуды. Температура гра­дуировочных жидкостей может изменяться и поддерживаться на по­стоянном значении с помощью регулирующего контура, состоящего из термометра 6, регулятора 7 и электронагревателей 8, подключае­мых к выходу регулятора переключателем 9. Для охлаждения жид­костей в сосудах 7 и 2 используются теплообменники 10 в виде труб­чатых змеевиков с протекающей внутри них охлажающей жидкостью (например, водопроводной водой). Температура перекачиваемых жид­костей контролируется образцовым жидкостным стеклянным термо­метром 77. Включение соответствующих транспортных линий установ­ки в различных режимах ее работы осуществляется с помощью венти­лей 72-75, как это указано в табл. 5.1. Вентиль 19 предназначен для слива воды из сосуда 2 в канализацию после окончания эксперимен­тальных работ. Масло из сосуда 7 может сливаїься через вентиль 20. 126

Для обеспечения возможности некоторого смещения верхних труб­ных каналов установки в вертикальном направлении при изменении межфланцевого расстояния первичных преобразователей патрубки ввода промывочной жидкости (например, водопроводной воды) и воздуха для осушки должны подключаться к соответствующим ли­ниям с помощью гибких шлангов. При определении коэффициентов уравнений шкалы вибрационных плотномеров в процессе их градуи­ровки с помощью экспериментальной установки можно использовать данные о плотностях атмосферного воздуха и дистиллированной во­ды, приведенные в приложении.

Поверка вибрационных плотномеров заключается в сличении их показаний с плотностями приготовленных и аттестованных повероч­ных жидкостей, в качестве которых можно использовать жидкости, применяемые для поверки образцовых и рабочих денситометров [25].

Жидкости для поверки вибрационных плотномеров

Поверочные жидкости Пределы, изме­

рений, кг/м3

Петролейный эфир, бензин, бензол и их

смеси................................................................ 650 - 860

Водно-спиртовые растворы.......................... 870 - 950

Серно-винные растворы................................ 960 - 1010

Серно-водные растворы................................ 1000 - 1830

Растворы Туле................................................ 1840 - 2000

Для приготовления нефтяных смесей вместо бензола из-за его ток­сичности можно применять трансформаторное масло.

Водно-спиртовые растворы приготовляют из этилового спирта-рек­тификата и дистиллированной воды. Серно-винные растворы представ­ляют собой смеси спирта-ректификата с химически чистой серной кис-

лотой. Для приготовления серно-водных растворов используют хими­чески чистую серную кислоту и дистиллированную воду. Растворы Туле приготовляют растворением двуйодистой ртути HgJ2 и йодисто­го калия KJ в дистиллированной воде [25]. Для приближенного оп­ределения объемов смешиваемых жидкостей С ПЛОТНОСТЯМИ р J < р и р2 > р с целью получения поверочной смеси требуемой ПЛОТНОСТИ р можно воспользоваться соотношением

Vi/Vi = (р2-р)/(р-р1),

в котором Vi и V2 — объемы смешиваемых жидкостей с плотностя­ми р J и р2.

Полученный из рассчитанных объемов жидкостей поверочный ра­створ доводят до точного значения требуемой плотности добавлением одной из смешиваемых жидкостей при одновременном контроле плот­ности смеси пикнометрическим методом.

На рис. 5.6 изображена схема стенда для поверки проточных виб­рационных плотномеров, позволяющего определять их основные по­грешности в статическом режиме, т. е. путем заполнения внутренней полости трубчатого резонатора поверочной жидкостью. На рисунке показан вариант поверки двухрезонаторного первичного измеритель-

ного преобразователя 1 (см. рис. 3.3), который устанавливается на стенде и подключается к его гидравлическим линиям с помощью ре­зиновых шлангов. Усилители систем возбуждения автоколебаний резо­наторов (основного и вспомогательного) подключаются к источни­ку питания 2, а их выходные сигналы подаются на измерители перио­дов колебаний 3 и 4. Основная погрешность плотномера определяется в трех точках диапазона измерения (начальной, средней и конечной) с помощью аттестованных поверочных жидкостей, находящихся в сосу­дах 5-7 и имеющих известные значения плотностей при начальной тем­пературе.

Жидкости из сосудов последовательно подаются во внутреннюю полость резонаторов с помощью кранов 8-10, при этом окончание процесса заливки контролируется по указательному стеклу 11. После каждой заливки первичного измерительного преобразователя повероч­ной жидкостью и слива ее через кран 12 производится промывка си­стемы промывочной жидкостью, подаваемой через кран 13, и последую­щая осушка сжатым воздухом, для чего открываются вентили 14 к 15. В режиме промывки должны быть закрыты краны 8-10 и вентили 14 и 15, а краны 12, 13 и 16 открыты. При осушке преобразователя кран 13 должен быть закрыт и открыты вентили 14 и 15.

Перед проведением поверки необходимо выполнить следующие опе­рации:

отсоединить первичный измерительный преобразователь плотноме­ра от технологической линии и промежуточного измерительного пре­образователя, промыть его от остатков технологической жидкости и продуть сжатым воздухом под давлением 200—300 кПа до полной осушки;

установить первичный измерительный преобразователь на повероч­ном стенде, снять кожухи, закрывающие резонаторы, вывернуть за­глушки из бобышек на перемычках резонаторов и ввернуть на их мес­то штуцеры, входящие в комплект плотномера;

подключить резиновыми трубками первичный измерительный пре­образователь к гидравлическим линиям поверочного стенда в соответ­ствии со схемой, показанной на рис. 5.6;

подключить первичный измерительный преобразователь к источни­ку питания и измерителям периодов автоколебаний резонаторов.

.

Вычисленные значения плотности р. приводятся к плотности p2oi при начальной температуре 20 ° С по формуле

При проведении расчетов по формулам (5.16) —(5.18) результаты измерений округляют согласно стандарту СТ СЭВ 543—77. Максималь­ное значение основной абсолютной погрешности, вычисленной по вы­ражению (5.18), не должно превышать допускаемой погрешности, ус­тановленной при аттестации плотномера. Вибрационные плотномеры способны работать в самых неблагопри­ятных производственных условиях, обеспечивая при этом высокую точ­ность измерения, соизмеримую с точностью лабораторных ареометров. Основным фактором, влияющим на общую погрешность вибрационного плотномера, является добротность его колебательной системы, кото­рая может обеспечиваться применением механических ревонаторов оптимальной структуры с узлом закрепления, совпадающим с центром масс колебательной системы, а также тщательностью при обработке деталей и сварке резонатора.

Вместе с тем - возможности рассмотренных вибрационно-частотных преобразователей не исчерпьюаются их использованием в плотномерах жидкостей. На базе таких преобразователей могут быть созданы новые перспективные измерители и других технологических параметров. В частности, могут быть реализованы частотные преобразователи плот­ности газов, давления, усилий или массы, концентрации нерастворен - ных в жидкостях газов, устройства для одновременного измерения плотности, вязкости и температуры среды и др. Широкие возможнос­ти дальнейшего совершенствования методов автоматического контро­ля качества, состава и свойств различных веществ могут обеспечить много параметрические анализаторы, построенные на базе различных типов механических резонаторов - и дополненные промежуточными измерительными преобразователями со специализированными вычис­лительными устройствами. На основе резонаторов проточного и погруж­ного типов можно создать измерительные комплексы для автомати­ческого определения тепловых характеристик различных метериалов, таких, как температурные коэффициенты линейного и объемного рас­ширения, тепловые коэффициенты упругости или текучести, темпера­туры начала кипения различных жидкостей. Кроме того, на базе час­тотных преобразователей можно реализовать установки для опреде­ления коррозионной устойчивости различных металлов в агрессивных средах при меняющихся температурах, давлениях и скоростях движе­ния жидкостей или газов. Весьма перспективным является примене­ние механических камертонных резонаторов оптимальной структуры # преобразователях массового расхода жидкостей, основанных на эф­фекте Кориолиса, отличающихся высокой точностью измерения и по­зволяющих одновременно с массовым расходом определять и плот­ность движущейся среды.

Несомненные достоинства преобразователей и устройств, основанных на использовании механических резонаторов, обусловлены рядом свойств, являющихся общими для всех частотных преобразователей. Главными из этих свойств являются следующие [56]:

1. Высокая точность частотных преобразователей, обеспечиваемая непосредственным преобразованием контролируемого параметра в частотно-модулированный сигнал, что выгодно отличает их от ампли­тудных устройств с последующим преобразованием сигнала в частот­ный или цифровой. Этим объясняется то, что наиболее жесткие требо­вания предъявляются к участкам передачи информации от чувствитель­ного элемента к преобразующему устройству, поскольку возникающие на этих участках потери информации последующими операциями вос­полнить не удается. Из-за того, что на этих участках потери информации обусловлены малыми потоками энергии, идущими от чувствительного элемента, становится возможным проникновение помех на входные цепи преобразователей. Мощности частотных преобразователей значи­тельно превышают мощности амплитудных, причем колебательная (реактивная) мощность выходного сигнала механических резонато­ров пропорциональна их добротности.

2. Легкость преобразования частотных сигналов в цифровые, по­скольку их можно представить в виде временных интервалов между импульсами. При этом образцовые меры частоты в виде кварцевых резонаторов обеспечивают большую стабильность по сравнению с об­разцовыми мерами в виде электрического напряжения (нормальны­ми элементами).

3. Высокая помехоустойчивость при передаче частотных сигналов по линиям связи, обуславливаемая тем, что при прохождении таких сигналов через усилительную и коммутирующую аппаратуру может значительно меняться их уровень (амплитуда), но сохраняется неиз­менной частота. Это обстоятельство отличает частотные сигналы от амплитудных, при передаче которых предъявляются высокие требо­вания к стабильности характеристик усилительных звеньев, а также коммутирующей аппаратуры с возможной неустойчивостью переход­ных сопротивлений.

4. Высокая точность интегрирования выходных сигналов частот­ных преобразователей по времени, обеспечиваемая тем, что можно легко использовать суммирующие счетчики импульсов с неограничен­ным временем интегрирования.

.

Примечание. Значения плотностей взяты из таблиц стандартных справочных данных ГОСТ 2-77 "Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100 °С”. М.: Изд-во стандартов, 1978.

Таблица П4. Плотность 96 % (по объему) водного раствора этанола в зависимости от температуры 0 и абсолютного давления ра, кг/м3

П римечание. Значения плотности взяты из книги: Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.

/СО СО (т0 + т+ тТ aTcos 0Т) + rM +

Вид формул (3.19) свидетельствует о том, что твердая фаза суспен­зий влияет на частоту колебаний резонатора не всей, а некоторой эк­вивалентной тэ массой, равной произведению тэ = аттТ, в котором am = «Tcos0T. Кроме того, наличие твердой фазы в контролируемой