ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

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

Вид колебаний

Тип колебательной системы

С сосредоточенными параметрами

С распределенными параметрами

Изгибные

Струнные, пластинные

Трубчатые, пластинные

Крутильные

Трубчатые, лопастные

Трубчатые

Продольные

Пластинные

-

Сложной формы

Оболочковые, плас­тинные

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.

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 …

Измерение массового расхода жидкостей

Проблема измерения массового расхода выделилась в самостоятель­ную область исследований сравнительно недавно, хотя многие науки, такие, как термодинамика, теплотехника, оперировали этим понятием с момента своего зарождения. В настоящее время возросла практичес­кая …

Измерение плотности и концентрации жидких сред

Получившие широкое распространение лабораторные плотномеры, предназначенные для дискретных измерений, подразделяются на ден­ситометры, шкалы которых градуированы в единицах плотности, и концентратомеры, шкалы которых градуированы в процентах по объему или массе. К …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.