Устройство для измерения расхода и плотности жидкости

(1 З) Ь 3 ОЗ СОВЕТСКИХ 2(Щ Использование: в технике расходометрии.Сущность изобретению прямолопастная турбинка из электропроводящего.материала установлена на ое объединение.: полою упругом вапу,выполненном из магнитотвердого материала с ревой поляризациейструктуры, первая и вторая обмотки вединейы с первым выЙ 2099148;кп. О 01 Г ходом блока возбуждения и вычислений, измерительная обмотка размещена Внутри полого вала и МЕРЕНИЯ РАСХО- -.соедийена с входом блока возбуждения и вычисле- ОСТИ .;ния, 7 ий С ЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ О 1) ОПИСАНк авторско 1Р ЕИЮЗ 6/10.ф ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗСоставитель В. ЗайцевТехред М,Моргентал Керецман дактор орректо Тираж . Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5 Заказ 5 изводственно-издательский комбинат "Патент",.г. Ужгород, ул,Гагарина, 101Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения расхода в массовых и объемных единицах и плотности в трубопроводе оптически и акустически непрозрачных жидкостей при .наличии реверса направления движения потока.Известен вибрационный преобразователь массового расхода и плотности, в котором измеряют разность коэффициентов затухания колебаний трубок, установленных в потоке жидкости или газа, снабженных системой возбуждения и регистрации колебаний. Данный преобразователь подвержен влиянию внешйих вибрационных нагрузок, а низкая статическая точность . обусловлена использованием разомкнутой системы управления.Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения массового расхода и плотности жидкости в трубопроводе, содержащее прямолопастную турбинку, закрепленную на упругом валу с защемленными концами, последовательно соединенные преобразователь механических крутильных колебаний турбинки, выполненный ввиде постоянного магнита, укрепленного на турбинке, й измерительной обмотки, расположенной снаружи трубопровода, блок возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров, обмотку возбуждения. крутильных колебаний турбинки и индикаторы массового расхода и плотности жидкости.В известном устройстве система возбуждения крутильных колебаний - электромагнитного типа, то есть возбуждение колебаний осуществлено за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитов, укрепленных на упругом валу перпендикулярно его оси с помощью элементов крепления обеспечивающих параллельное и симметрично их расположение. относительно оси вала, и переменных магнитных полей электромагнита, создаваемых обмоткой возбуждения с магнитопроводом соответствующей формы, расположенным диаметрально противоположно снаружи трубопровода так, что его ось перпендикулярна осям постоянных магнитов;Для определения плотности и массового расхода (при неизменномэначении вязкости среды " до 1 сСт) крутильные колебания вала с турбинкой возбуждаются одновременно на двух частотах; на частоте собственных резонансных колебаний 1 до и на нерезонансной частоте, например 3/45 до или 7/8190,)О - собственный момент инерции, определяемый конструкцией вала и турбинки,Частота Ьо "соответствует фазовому20 сДвигу между возбуждающей силой (токомобмотки возбуждения) и выходным сигналомпреобразователя механических колебаний,равному 90 О, В блоке возбуждения колебанийи вычйслени.я измеряемых пар.аметров такая25 настройка. обеспечивается использованиемконтура.фазовой автоподстройки;частоты, содержащего последовательно соединенныефазовый детектор, усилитель, интегратор иуправляемый генератор. При этом выход ге 30 нератора подключен к опорному входу фазового детектора к обмотке возбуждения, асигнальный вход фазового детектора и к обмотке возбуждения, а сигнальный вход фазового детектора соединен с выходом35 преобразователя механических колебанийтурбинки.На нерезонансной частоте (3/4 доили 7 г(8 тд 0) массовый расход 0 определяется по проявлению диссипативных40 сил, то есть по степени демпфированиятурбинки, следствием которого являетсяпропорционал ьн ый по величине фазовыйсдвиг р между возбуждающей силой исмещением турбинки,с учетом реальных45 значений Ьо и )цПри этом иК1 д Ю(2) имеет вид.2 ттГО ггг,гг,г(3)90 н нИли для малых значений р в отклонениях с учетом, что Ьр = вЖ 55 Частота тд 0 является мерой плотностиконтролируемой среды, Ее изменение обусловлено действием активныхсил на турбинку через иэменейие присоединенного 5 момента инерции турбинки Ьр, который зависит от изменения плотности среды р (Ьр=ар), где: а - коэффициент .пропорцио-.нальности, При этом для колебательной системы второго порядка101 ГнНедостатком известного устройства является низкая точность измерений и невозможность измерения объемноо расхода,обусловленные:5 1. Низкой чувствительностью эа счет размещения на валу постоянных магнитов и элементов их к репл ения зле ктрома гнитнойсистемывозбуждения колебаний, а на турбинке, - постоянного магнита преобразовате 10 ля механических колебаний, увеличивающихвеличийу собственного момента инерции овала с турбинкой,2 пГО г2 пГ Д = " (4)4 п Г ,3 (1-Г )90 нЬФ,4 п Г ) (1-Г )Откуда 0 =Р): ггде Ж - временной интервал между колебанйями возбуждающей силы и отклонением турбинки;Г= - .-"отношение частот:колебаний тур.Ьобинки, некратной частоте собственных. колебаний, и собственнойчастоты колебаний,Блок возбуждения колебанйй и вычис- лений измеряемых параметров содержит измеритель временного интервала ф и осуществляет вычисления в соответствии с выражением (5). Выражение для чувствительного с уче 15 том(1 или 1Я= 4 Г /дР = 24 п ) ) э (Е)620 а относительной чувствительностибГ /Г90 90 Р 1 о1 АР . (71ЯАРФ Г, 2 1+ фР 2 1+АР3огде А-.аО,: . : гохарактера силы взаимодействия электроВеличина Яон определяется парамет- магнита с постоянными магнитами за счетроМ А и величиной плотности,. При Ар 1 . переменного воздушного зазора,величина Яон 0,5, при этом нецелесооб;Дисбалансомивозникновениемуслорано увеличивать А более 4;5, поскольку 30 вий возбуждения колебанийна высших гардаьнейшее увеличение А мало сказывается :мониках.наизменении Оотн..4. Наличием влияния каналов определеПогрешность иэмеренйя плотности (ф) ния плотности и вычисление массового расопределяется погрешностью измерения чв-хода при"подключении их выходов к однойстбты ( био), являющейся мерой плотности 35 обмотке возбуждения.в виде::Целью йзобретения является повышение точности измерений и расширение эксРГ. плуатационныхвозможностей,90.: . (8) . Цель достигается тем, что в устройстве.: 40 измерения:расхода и плотйости в трубопроводе, содержащем прямолопастную турбинку,.закрепленную на упругом валу с0 Р: - 2 Р дГ .: защемленными концами, первую обмотку;".Р . 90; (9):разйещенную снаружи трубопровода и сое. . 45 дийеннуюс первым выходом блока возбужПонижение величины Зон за счет увели- . денияи вычиСления, ковторому и третьемучения ) О: приводит к снижениюточности из- выходам которого подключены входы индимврения плотности,а следовательно, икаторамассового расхода и индикаторарасхода, т.кплотности,. и измерительную обмотку, сое 50 дйненную со входом блока возбуждения и0,-: вычисления, введены. вторая обмотка, делиц = р а=Ъ Ф 10)тсль, выход которого соединен с введенныминдикатором объемного расхода, при этомгде 0 - значение расхода вобъемных еди-, упругий вал выполнен полым, измерительницах; . 55 ная обмотка размещена внутри йолого вала,Ом - значение расхода в массовых еди- вторая обмотка установлена коаксиальноницах. йервой и соединена с четвертым выходом2. Возбуждением несинусоидального . блока возбуждения ивычисления, входы инкрутящего момента из-за несинусоидально- дикаторов массового расхода и плотностисоединены с делителем, а полый вал выполнен из магнитотвердого материала с круговой поляризацией структуры.Сущность изобретения состоит в том, что конструктивно полый вал, выполненный из магнитострикционного магнитотвердого сплава с круговой, поляризацией (например, из деформируемых магнитотвердых сплавов на основе системы Ге-Сг-И), заменяет вал и постоянные магниты с элементами крепления системы электромагнитного возбуждения, укрепленные на валу, а тороидальная обмотка (обычно достаточно 5 витков), проходящая сквозь вал, в которой индуктируется ЭДС Видемана, заменяет преобразователь перемещения прототипа; содержащий магниты, расположенные. на крыльчатке, и измерительные обмотки, расположенные снаружи трубопровода. При этом обмотки возбуждения выполненй коаксиальными в форме эллипсоидов вращения с одинаковым числом винтов на единицу длины, охватывают трубопровод и не содержат магнитопроводов.В предлагаемом устройстве использован магнитострикционнный принцип возбуждения крутильных колебаний вала с турбинкой при размещении вала в полях переменного продольного потока, создаваемого коаксиальной обмоткой возбуждения, и постоянного поперечного магнитного потока, сездаваемого круговой поляризацией, как результат действия суммарного периодического геликоидального намагничивания вала,На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения расхода и плотности жидкости в трубопроводе; на фиг. 2 - схема блока возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров, фиг. 3 поясняет процесс намагничивания вала; фиг. 4 - пространственно-временную структуру продольного синусоидального и поперечного постоянного магнитйых полей напряЖенности Н и область устойчивого существования , вектора намагниченности 1: на фиг. 5 представлена конструктивная схема взаимного расположения вала и тороидэльной измерительной обмотки, поясняющая возникновение ЭДС (ЭДС Видемана) на концах измерительной обмотки; на фиг, 6 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование продольного синусоидального возбуждающего магнитного потока при неизменном значении расхода (О=сопя) и изменении значений плотности в заданном диапазоне от рп,ь до рвах (р=чаг); на фиг. 7 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование продольного синусоидального возбуждающего магнитного потока при неизменном значении плотности(р=сопз 1) и изменении значений расхода взаданном диапазоне от Ов 1 п до Отах (О=чаг),В центре вала 1 соосно с ним с помощью5 ступицы 2 укреплена прямолопастная турбинка 3, Вал 1 (диаметром 6 мм, толщиной1 мм длиной 60 мм) выполнен из ферромагнитного магнитотвердого сплава на основесистемы Ее-бг.-К 1-сплава 18 Н 9 Н с высокой10 механической прочностью и упругостью,Круговая поляризация (постоянный поперечный магнитный поток) создается в немпутем предварительного размещения в немпроводника и пропускания по нему импуль 15 сов тока. Таким образом, в вале создаетсяоднородный и изотропный поперечный постоянный магнитный поток (круговая поляризация), Турбинка 3 выполнена в видецилиидра 4 с наружными радиальными ло 20 пастями 5 иэ сплава Д 16 или ВТ 5, Количество радиальных лопастей 6-10 (из условияобеспечения величины отношенияпр/1 О3,4). Вал 1 с турбинкой 3 укрепленс двух концов с помощью сварки в основа 25 нияхби 7, которые крепятся втрубопроводе8, Внутренняя полость вала 1 герметизирована с помощью направляющих конусов 9 и10 и трубчатых стоек 11 и 12. В основаниях6 й.7 выполнены сквозные отверстия для30 беспрепятственного протекания контролируемой жидкости и создания безвихревогохарактера потока,Коаксиальные обмотки возбуждения 13и 14 охватывают трубопровод 8 и намотаны35 на каркасы 15 и 16, выполненные в формеэллипсоида вращения. Длины обмоток 13 и14 не менее длины скручиваемой части вала1, а число витков одинаково на единицу ихдлины, причем обмотка 13 охватывает об 40 мотку 14. Коаксиальные обмотки возбуждения 13 и 14 создают однородный иизотропный синусоидальный продольныйвозбуждающий магнитный поток, Число витков и токи обмоток 13 и.14 подобраны таким45 образом, чтобы максимальная величина про. дольного магнитного потока была равна величине поперечного магнитного потока,Сквозь вал 1 и турбинки стоек 11 и 12проходит тороидальная измерительная об 50 мотка 17 (5-6 витков провода), преобразующая механические колебаний вала 1 стурбинкой 3 в периодический электрический сигнал. Тороидальная измерительнаяобмотка подключена к блоку 18 возбужде 55 ния колебаний вычисления измеряемых параметров, выходы которого соединены скоаксиальными обмотками возбуждения 13и 14 и с индикаторами массового расхода19, объемного расхода 20 и плотности 21, 1805737 1010 20 50 Блок 18 возбуждения колебаний и вычислений измеряемых параметров включает в себя контур фаэовой автоподстройки частоты, содержащий последовательно соединенные фазовый детектор 22, усилитель 23, интегратор 24 и управляемый генератор 25 синусоидальных колебаний, усилитель мощности 26, измеритель временного интервала 27, делитель частоты 28 с постояннМм коэффициентом деления, равным 4/3, усилитель мощности 29, перемножитель 30, преобразователи 31, 32 частоты в напряжение, второй перемножитель ЗЗ, делитель 34, третий перемножитель 35, четвертый пере- множитель 36, делитель 37 напряжений.Выход генератора 25 подключен к опорному входу фазового детектора 22 и через усИлитель мощности 26 - к коаксиальной обмотке возбуждения 14, а сигнальный вход . фазового детектора 22 соединен с торои дальной измерительной обмоткой 17 и однИм из входов измерителя временного инТервала 27. Второй вход измерителя 27 соединен через делитель частоты 28 с выходом управляемого генератора 26 и через усйлитель мощности 29 - с коаксиальной обМоткой возбуждения 13. Входы перемножителя ЗО подключены к выходу измерителя временного интервала 27 и через преобразователь 31 частоты в напряжение -с выходом делителя частоты 28, Выход управляемого генератора 25 через преобразо 8 атель 32 частоты в напряжение подключен к входам перемножителя 33, осу;цествляющего операцию возведения в квадрат с коэффициентом юг. Выход пере- множителя 33 подключен к второму входу делителя 34, осуществляющего операцию деления делимого в виде постоянной величины напряжения, пропорциойального жесткости. к вала 1. Выход делителя 34 соединен с входом перемножителя 35, на второй вход которого подается напряжение постоянной величины, пропорциональной значению - 4 й (2-Е ), Выходы перемножИгтелей 30 и 35 подключены к перемножителю 36, выход которого соединен с индикатором массового расхода 19 и одним иэ входов делителя 37, второй вход которого подключен к выходу преобразователя частоты в напряжение 32 и к индикатору плотности 21. При этом выход делителя 38 напряжений соединен с индикатором объемного расхода 22.Устройство для измерения расхода и плотности жидкости работает следующим образом.В исходном состоянии вал 1 с прямолопастной турбинкой 3 погружены в жидкость(контролируемую среду). При включении питания блока 18 коаксиальные обмотки возбуждения 13 и 14 создают однородный и изотропный продольный синусоидальный магнитный поток, который геометрически складывается в вале 1 с поперечным постоянным однородным и изотропным магнитным потоком. Изменяющаяся в пространстве и во времени результирующая намагниченность вала 1.в форме круговой спирали-геликоиды создает упругие силы; вызывающие закручивание вала 1 с укрепленной на нем турбинкой 3.Турбинка 3 совершает незатухающие знакопеременные колебания на частоте собственных колебаний, определяемой геометрическими размерами вала 1 с турбинкой 3, механическими свойствами материала вала 1 и присоединенным моментом инерции контролируемой среды, зависящим от плотности этой среды,Собственная частота колебаний вала 1 с турбинкой 3 является мерой плотности койтролируемой среды.25 Механические колебания вала 1 с турбинкой 3 преобразуются в периодическийэлектрический скгнал с помощью тороидальной обмотки 17, на концах которой индуктируется так называемая ЭДС Видемана. При30 скручивании вала 1 в результате магнитоупругости в ней возникает геликоидальная анизатропия магнитной проницаемости,направленная по линиям действия механических напряжений, вдоль которых направлена35 и результирующая намагниченность. При модуляции намагниченности ее переменная поперечная составляющая индицирует второидальной измерительной области 17,пропущенной сквозь вал 1, ЭДС Видемана.40 Ее частота соответствует частоте перемагничивания вала, а величина определится, в основном, величиной намагниченности,магнитными свойствами вала в часТностивеличиной коэффициента магнитострикции,45 а также числом витков обмотки 17,Выражение для значения ЭДС Видемана может быть записано в виде 1 ф поп бФ е = - д -- язепу Ю Жгде Ф - полный результирующий на магничивающий поток, совпадающийпо направлению с результирующей намаг ниченностью.фйоп - поперечная составляющая потока Ф.Или, переходя к магнитной индукции,выражение для мгновенного значения ЭДС11 1805737тороидальной обмотки может быть эаписа- мо но в виде Пр 12 с 1 Впопе = и б 1 Б 1 пзЮ(12) где а - число витков тороидальной измерительной обмотки;д - диаметр провода тороидальной из. мерительной обмотки;1 - активнаядлина проводников тороидальной обмотки, пронизываемых поперечным магнитным потоком.Крутильные колебания вала 1 с турбинкой 3 поддерживаются незатухающими с помощью системы фазовой автоподстройки частоты: фазовый детектор 22 настроен таким образом, что при равенстве частот синусоидальных колебаний, поступающих на его сйгнальный вход с тороидальной измерительной обмотки 17, и на опорный вход с выхода управляемого генератора 25, сигнал рассогласования на его выходе соответствует нулевому уровню, при котором управляемый генератор настроЕн на частоту, соответствующую среднему измеряемому значению плотности среды, например, 800 кг/мз. Возбуждающий сигнал этой частоты подается через усилитель, мощности 26 в обмотку возбуждения 14. Одновременно в преобразователе 32 частотный сигнал преобразуется в аналоговый - . в напряжение постоянного тока й подается нз индикатор 21, содержащий четырехраэрядное табло индикации значенйя плотности. При изменении величины плотности средычастотно-зависимая цель изменяет частоту своих колебаний, величина которой становится отличной от частоты управляемого генера-. тора 25; нз входе фазового детектора 22 появляется рассогласование соответствующего знака, которое усйливается усилителем 26, интегрируется генератором 24 и в виде напряжения прстоянного тока поступает на входуправляемого генератора 25, настраивая его на новую частоту, соответствующую изменившемуся значению плотности.Одновремейно делитель частоты 28 осуществляет деление частотного сигнала с коэффициентом 4/3. С его выхода частотный сигнал 1=3/4 Ьдо подается через усилитель щности 29 в обмотку возбуждения 13.и этом на входе измерителя временногоинтервала 27 появляется аналоговый сигнал, пропорциональный временному сдвигу 5 между двумя синусоидальными колебаниями. Перемножители 30, 33, 35, 36 и делитель 34 осуществляют вычисление в аналоговой форме величины массового расхода Ом в соответствии с алгоритмом (5). При этом пе ремножитель 33 осуществляет операциювозведения в квадрат с коэффициентом 4 л 2 сигнала; пропорционального Ьо, На его выходе сигнал пропорционален величине 15 4 л Ьо . Делитель 34 выполняет операциюделения постояйного сигнала, пропорционального жесткости вала 1(01= к=сопи)и сигнала, пропорционального 4 л 21 до . На его выходе сигнал пропорционален моменту 20 инерции турбинки 1 и (с учетом текущегозначения плотности, т.к. 1, - сумма собственного и присоединительного моментов инерции турбинки 3), Этот сигнал пере- множителем 35 умножается на постоянн ый коэффициент 02= 4 л 2(1-Р 2)=сопзт,- 1=7Перемножитель 30 осуществляет операцию перемножения сигналов, пропорциональных Й, и частоты Ьо=(4/31), преобразо ванной в преобразователе 31 в аналоговыйсигнал. Выходной сигнал перемножителя 36 соответствует величине Ом по алгоритму (5).Этот сигнал подается на индикатор 19 на четырехразрядное табло индикации массо вого расхода, Вычисление СЬ осуществляется делением сигналов, пропорциональных Ом и р. на делителе 37, с выхода которого сигнал подается на индикатор 20 на соответствующее четырехраэрядное табло ин-40 дикации Оч.Испытания предложенного устройствана макетном образце показали, что использование заявляемого изобретения по сравнению с прототипом обеспечивает в 45 нормальных условиях эксплуатации снижение относительной погрешности измерения массового расхода в диапазоне 2502500 кг/ч от 0,590,64 6 до 0440;51% и снижение относительной погрешности измерения плотности в диапазоне 0,70600,8965 г/см от 0,19.0,24 до 0,120,16 о .Формула .изобретенияУСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ: РАСХОДА И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ в трубопроводе, содержащее прямолонастную турбинку, закрепленную на упругом валу с защемленными концами,первую обмотку, размещенную снаружи трубопровода и соединенную с первым выходом блока возбуждения и вычисления, к второму и третьему выходам которого подключены входы индикатора массового расхода й индикатора плот1805737 13 е торюВюыойЮЮМгвад ности, и измерительнуюобмотку, соединенную с входом блока возбуждения и вычисления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений 5 и расширения эксплуатационных возможностей, в него введены вторая обмотка, делитель, выход которого соединен с введенным индикатором об емного расхода, при этом упругий 1 О вал выполнен полым, измерительная обмотка размещена внутри полого вала, вторая обмотка установлена коаксиально первой и соединена с первым выходом блока возбуждения и вычисления, входы индикаторов массового расхода и плотности соединены с делителем, полый вал выполнен из магнитотвердого материала с круговой поляризацией структуры, а прямолопастная турбинка выполнена из электропроводного материала.