Разработка и исследование электромеханического вибрационного плотномера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Разработка и исследование электромеханического вибрационного плотномера

Введение

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.

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.

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.

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 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 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.

1. Принципиальная схема измерительного устройства

На сегодняшний день известно множество устройств для измерения плотности жидкости. В данной пояснительной записке представлено пять схем для измерения плотности.

I.

Рисунок 1. Камертонный вибрационный плотномер газов

На рисунке 1 показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом 7, катушек возбуждения 3 с магнитом 7, камертона 10, расположенного в корпусе 5, и электронного усилителя 4. Частота колебаний системы на выходе усилителя 4 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.

II.

Рисунок 2. Проточный вибрационный плотномер

На рисунке 2 показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 (резонаторы), установленные в сильфонах 11 и скрепленные перемычками 6. Сильфоны 11 расположены в опорах. Указанные трубки, катушка 2, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 3 и электронный усилитель 4 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 4 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 8, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 9, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690 - 1050 кг/м³, температура жидкости 10-100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м³.

III.

Рисунок 3. Вибрационный погружной плотномер

Чувствительный элемент состоит из лопатки 19, укрепленной на конце упругого стержня 20, второй конец которого установлен в отверстие днища 21 корпуса 5. В корпусе установлены также системы возбуждения 3 и съема 2 колебаний, обеспечивающие колебания стержня в двух плоскостях. Система возбуждения и съема включены в цепь усилителей по схеме автогенератора. Выходы усилителей подключены к входам смесителя частот, выход которого через низкочастотный фильтр подключен к частотомеру. Стержень выполнен с нечетным числом слоев, например тремя, причем крайние слои изготовлены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, отличным от температурного коэффициента линейного расширения материала центрального слоя. Сечение стержня симметрично оси О₁ О₁ и относительно оси О₂ О₂, лежащих в плоскостях колебаний стержня.

Плотномер работает следующим образом. Стержень 20 вместе с лопаткой 19 приводится в режим автоколебаний с частотами f₁ относительно оси О₁ О₁, и f₂ относительно оси О₂ О₂, для чего потери колебательной энергии стержня восполняются через цепи элементов 2 и 3. Сумма и разность частот f₁ и f₂, образуются на выходе смесителя, а в низкочастотном фильтре выделяется разность частот f₁ - f₂, которая не зависит от температуры стержня, а определяется только присоединенной массой жидкости к стержню, однозначно связываемая ее с плотностью.

IV.

Рисунок 4. Дифференциальный вибрационный плотномер

На рисунке 4 изображена схема дифференциального вибрационного плотномера. Устройство содержит два резонатора 1, выполненных заодно в виде двух сдвоенных камертонов, установленных на общих основаниях и имеющих ветви, расположенные во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Общие основания камертонов установлены на мембранных коробках 12, через которые они сообщаются с технологическим трубопроводом. Статический момент инерции I1 сечения ветвей первого камертона относительно оси ХУ больше, чем статический момент инерции I2 второго камертона относительно оси XX, при этом толщина стенки д1 первого камертона меньше толщины стенки д2 второго камертона, т.е. В>A. Для возбуждения колебаний второго камертона применен возбудитель 3, усилитель 4, приемник 2, для возбуждения колебаний ветвей первого камертона применен возбудитель 3, усилитель 4 и приемник 2. Системы возбуждения подключены к смесителю 13 частот, который через низкочастотный фильтр 14 подключен к измерительному прибору 8. Контролируемая среда подается по трубопроводу, проходит по ветвям камертонов 1 и отводится по трубопроводу. Давление Р, а следовательно, скорость течения V среды через ветви камертона изменяется. Это приводит к изменению собственных частот f1р, f2р колебаний камертонов, которые возбуждаются, разность частот выделяется в смесителе 13 и низкочастотном фильтре 14, не зависит от изменения давления Р и скорости U течения среды. Разностная частота fq зависит только от контролируемой плотности с и регистрируется прибором 8.

V.

Рисунок 5. Вибрационный датчик плотности

На рисунке 5 изображена схема вибрационного датчика плотности. Датчик содержит резонатор в виде двух одинаковых параллельных трубок 1, соединенных между собой системой упругих перемычек 6, установленных между центральной частью резонатора и его жесткими основаниями, и двух одинаковых компенсирующих сильфонов 15, расположенных между трубами 1 и параллельно им. Сильфоны 15 открытыми концами соединены между собой патрубком 16, а закрытыми концами жестко прикреплены к жестким основаниям с помощью упоров. Патрубок 16 своей средней части закреплен в корпусе датчика элементами. Концы трубок 1 посредством четырех одинаковых развязывающих сильфонов 17 соединены с двумя распределителями жидкости, предназначенными для ввода и вывода исследуемой жидкости. Внутренняя замкнутая полость, образованная патрубком 16 и сильфонами 15, сообщена посредством гибкого трубопровода с входным распределителем жидкости. Система возбуждения резонатора состоит из приемника 2 колебаний, возбудителя 3 и усилителя 4. Частотомер 18 предназначен для регистрации выходного сигнала датчика.

Датчик работает следующим образом. Исследуемая жидкость входит в датчик через входной распределитель жидкости и через развязывающие сильфоны 17 и выходной распределитель жидкости выходит из датчика. Одновременно исследуемая жидкость через входной распределитель жидкости и гибкий трубопровод поступает в замкнутую полость. Система возбуждения приводит в автоколебания в противофазе трубки 1 резонатора. Частота автоколебаний регистрируется частотомером 18.

Схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором показана на рисунке 6.

1-резонатор;

2-приемная катушка;

3-катушка возбуждения;

4-фланцы;

5-корпус;

6-тонкостенный цилиндр;

а)

б)

Рисунок 5. Принципиальная схема вибрационного плотномера с оболочковым резонатором.

Описание работы вибрационного плотномера с оболочковым резонатором.

Помимо рассмотренных преобразователей у нас и за рубежом широкое распространение получили вибрационные плотномеры с оболочковыми резонаторами в виде вибрирующих цилиндров. На рисунке 5, а показан вибрационный плотномер, резонатором которого служит тонкостенный цилиндр 1 с фланцами 2 на торцах [2]. Цилиндр изготовляется из магнитного материала с малым коэффициентом термоупругости (например, из элинвара) с толщиной стенки 0,6 мм для жидкостей [3]. 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 возбуждения 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 рисунке 5, 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.

частотный преобразователь резонатор плотномер

2. Математическая модель зависимостей плотномера

Основные формулы для частоты и амплитуды автоколебаний.

Формулы для частоты и амплитуды автоколебаний цилиндрического резонатора в жидкости:

(1)

(2)

(3)

Градуировочные характеристики вибрационных плотномеров учитывают влияние ряда факторов на частоту автоколебаний резонаторов. Поскольку основным параметром, подлежащим измерению, является плотность жидкости, то целесообразно упростить эти соотношения, отбросив факторы, учитывающие изменение условий измерения (скорость среды, растягивающие усилия, действующие на резонатор). Действие же этих факторов удобно рассмотреть отдельно, оценивая значения дополнительных погрешностей. Запишем упрощенное выражение градуировочной характеристики в общем виде, пригодном для описания статики вибрационного плотномера.

Поскольку более точным и быстрым является режим измерения не частоты, а периода колебаний резонатора, то запишем градуировочную характеристику относительно периода Т колебаний

(4)

Входящие в это выражение начальный период Т_о колебаний и постоянная а₀ резонатора определяются из нижеследующих выражений.

Для цилиндрического резонатора погружного типа с двухсторонним контактом жидкости:

(5)

где l - длина образующей цилиндра; а₁ - коэффициент, зависящий от условий закрепления торцов цилиндра и определяемый соотношением (3).

k_T = h₀ / a и k_l = l / a

- относительная толщина и длина цилиндрической оболочки; m_пр - распределенная «присоединенная масса» жидкости, увлекаемая резонатором в движение.

Статическая характеристика вибрационного плотномера с цилиндрическим оболочковым резонатором может быть записана в общепринятом виде, если выразить «присоединенную массу» жидкости через относительную толщину «присоединенного слоя» снаружи К⁺_с и внутри К^-_с резонатора

m_пр = с а (К⁺_с - К^-_с),

где с - плотность среды, контактирующей с обеими поверхностями резонатора; а - радиус срединной поверхности цилиндра резонатора. Относительная толщина «присоединенного слоя» жидкости определяется нижеследующим выражением:

Окончательный вид статической характеристики плотномера представляется формулой

(8)

в которой - начальная частота колебаний резонатора; - постоянная резонатора.

Градуировочная характеристика плотномера может быть построена расчетным путем, если известны точные значения начального периода колебаний Т_о и постоянной а₀ резонатора. Однако определение указанных параметров с высокой точностью расчетным путем не представляется возможным, поскольку мы не обладаем достоверными сведениями относительно модуля - упругости Е, плотности материала с₀ и геометрических размерах резонатора. Так, толщина стенки резонатора не остается постоянной по длине после изготовления, сборки и сварки. Конкретное значение начального периода Т_о во многом определяется коэффициентом а₁ зависящим от условий закрепления резонатора в основаниях. На практике не представляется возможным обеспечить идеальные условия закрепления, которые принимались при расчете, кроме того, они могут различаться даже внутри партии резонаторов одного типа.

Точные значения параметров Т_о и а₁ для уже изготовленного резонатора находят экспериментально путем совместного решения системы уравнений вида (4) с использованием результатов измерения периодов колебаний T₁ и Т₂ при двух фиксированных значениях плотностей с₁ и с₂ жидкостей и одной и той же температуре:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Градуировочная характеристика

На рисунке 6 представлена градуировочная характеристика, построенная по формуле (4) для реальных образцов вибрационных плотномеров.

Аналитическая и графическая формы градуировочных характеристик вибрационных плотномеров свидетельствуют об их существенной нелинейности в широком интервале контролируемых плотностей. Вместе с тем в большинстве случаев практического использования плотномеров требуется измерять малые отклонения плотности от некоторого начального значения. Реальная градуировочная характеристика может быть линеаризована некоторой номинальной характеристикой, выбираемой из условия минимума возникающей погрешности линейности. Градуировочная характеристика, представленная формулой (4), соответствует изотермическому режиму работы вибрационных плотномеров, однако при отклонении температуры измеряемой среды от некоторого начального значения возникает существенная погрешность измерения, являющаяся следствием температурных изменений физических свойств и размеров резонаторов. Будем считать, что эти изменения соответствуют следующим равенствам:

в которых Е(И₀), с₀(И_о), l(И_о) - модуль упругости, плотность материала и линейный размер резонатора при начальной температуре И_О (обычно И_О = 20°С); с(И_О) - плотность контролируемой среды при начальной температуре; а_Е и а_l - коэффициенты термоупругости и линейного расширения материала резонатора; а_V - коэффициент объемного расширения контролируемой жидкости.

Подставив эти соотношения в формулу (4), получим выражение градуировочной характеристики вибрационных плотномеров, связывающее их выходной сигнал как с плотностью, так и с температурой измеряемой среды:

(9)

частотный преобразователь резонатор плотномер

Заключение

В данном дипломном проекте было предложено усовершенствовать вибрационный плотномер для жидких сред с цилиндрическим резонатором путем внедрения двух датчиков температуры, погрешность которых значительно меньше, и составляет 0,01% от результата измерений. При уменьшении погрешности измерения температуры контролируемой среды уменьшается и погрешность измерения плотности вибрационного плотномера.

У предложенных датчиков температуры срок службы превышает срок службы ранее установленного датчика температуры. Предложенные датчики устанавливаются непосредственно в трубопровод до и после самого плотномера, а не внутри плотномера. Также эти датчики можно менять, при выходе их из строя, не останавливая перекачку жидкости по трубопроводу.

Также в данной конструкции предложен ряд изменений в целях достижения взаимозаменяемости отдельных узлов и деталей.

Комплекс этих усовершенствований позволяет снизить затраты на обслуживание данного измерительного устройства.

Литература

1. Ю.П. Жуков. Вибрационные плотномеры. - М. Энергоавтомиздат, 1991. - 144 с.: ил. - (Б-ка по автоматике; Вып 678).

2. Пат. 1175586 - Англия, МКИ G 01 n 9/00. Measuring of fluid density / J. Agar. 1969.

3. Пат. 1294489 - Англия, МКИ G 01 №9/00. Linearing circuit / A.J. Ley. 1978.

4. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. / Под ред. В.Н. Челомея. Т. 1. М.: Машиностроение, 1978.

5. О.И. Рыбьякова «Расчет затрат на разработку программного продукта»

6. СанПиН 2.2.3.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

7. СНиП 23.05-95. Естественное и искусственное освещение.

8. Волосов С.С. Приборы для автоматического контроля в машиностроении. М., 1975.

9. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. / Под ред. В.Н. Челомея. Т. 6. М.: Машиностроение, 1981.

10. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980.

11. Измеритель плотности жидкости вибрационного типа / ВЦП. №Ц-7008. М., 1973. Пер. ст. С. Охата, К. Ватабэ - из журн. «Кэйсо». 1968. Т. 11. №6. С. 45-51.

Размещено на Allbest.ru