Устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3(51) С 01 М 9 00 11 16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(53) 538.137(088.8)56) 1. Авторское свидетельство СССРР 356520, кл. й 01 м 9/10, 1972.2, Патент ФРГ Р 1291138,кл. О 01 М 9/00, опублик, 1970,3. Авторское свидетельство СССР9 837783, кл. В 24 В 13/00, 1981.4. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3344734,кл. б 01 Н 9/10, 1981 (прототип ).(54 )(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕНИЯПЛОТНОСТИ И ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ СРЕД,содержащее колебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе, датчик колебательной скСрости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой, включающий последовательно соединенные фазовый детектор, первыйинтегратор, управляемый генератор и фазосдвигающую цепочку, блок вычислениявязкости и плотности, регистраторывязкости и плотности, блок измеренияактивной составляющей механическогоимпеданса, содержащий последовательно соединенные фазочувствительныйумножитель и второй интегратор, приэтом выход датчика колебательной ЯО 1 092377 скорости связан с выходом возбудителя колебаний и с первым входомблока измерения активной составляющей механического импеданса, выходкоторого подключен к первому входублока вычисления вязкости и плотности, второй вход которого связан свторым входом возбудителя колебаний,а третий вход подключен к первомувыходу возбудителя колебаний и ковторому входу блока измерения активной составляющей механического импеданса, а регистраторы вязкости иплотности подключены соответственнок первому и второму выходам блокавычисления вязкости и плотности,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерения плотности и вязкости вязкихжидкостей и расширения измеряемогодиапазона, в. него дополнительно введены обратный преобразователь вязкости, состоящий иэ якоря с обмоткой и статора с обмоткой, жесткосвязанных с колебательным преобразователем и корпусом соответственно,усилитель тока, подключенный входом к выходу датчика колебательнойскорости, а выходом - к обмоткеякоря, и усилитель мощности, входкоторого связан с первым выходомвозбудителя колебаний, а выходподключен к возбуждаюцему входу колебательного преобразователя.Изобретение относится к приборостроению и может быть использованодля одновременного измерения плотности и вязкости гомогенных жидкостей, в частности топлив на борту летательного аппарата. 5Известен плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности, выполненный в виде цилиндра с радиальнымилопастями, укрепленный на свободном 10конце ьонсольно закрепленного трубчатого магнитострикционного стержня,тороидальную и коаксиальную обмоткивозбуждения, датчик колебательнойскорости, соединенный с усилителем.Колебательный преобразователь вязкости и плотности вместе с датчикомколебательной скорости, усилителем икоаксиальной обмоткой возбужденияобразуют замкнутый контур - автоге 20нератор, работающий в режиме незатухающих колебаний, частота которыхявляется мерой плотности среды,Однако изменение амплитуды и частоты незатухающих колебаний преобразователя вызывается изменениемне только плотности, но и вязкостижидкости, Это обусловлено появлением дополнительного присоединенногомомента инерции и присоединеннойвязкости, являющихся функцией плот 30ности, вязкости и частоты колебаний.Изменение вязкости в широком диапазоне не позволяет обеспечить высокуюточность измерения плотности. Крометого, недостатком схемы автогенератора, по которой выполнен известныйплотномер, является невозможностьобеспечить стабильность частоты незатухающих колебаний, величина которой будет меняться от влияния дополнительных сил, действующих на плотИзвестен также плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности,электромагнитный возбудитель колебаний, датчик колебательной скорости преобразователя, соединенныйс измерителем частоты и с входомусилителя с автоматической регулировкой усиления. Выход усилителячерез фазосдвигающую цепь соединенс входом усилителя мощности, выходкоторого подключен ко входу электромагнитного возбудителя колебаний.В известном плотномере жидкостиосуществляется компенсация влияниявязкости контролируемой среды наточность измерения плотности путемизменения коэффициента усиления усилителя, обуславливающего изменение 60величины крутящего момента до техпор, пока амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя не станет равной заданной величине Г 23, б 5 Недостатком известного устройства является то, что изменение величины крутящего момента обеспечивает компенсацию влияния вязкости только в узком диапазоне измененияплотности. Кроме того, этому плотномеру присущи также недостатки автогенераторной схемы.Известен также плотномер жидкости, содержащий колебательный преобразователь вязкости и плотности, выполненный в виде цилиндра с радиальными лопастями, укрепленного на свободном конце консольно закрепленного в корпусе трубчатого магнитострикционного стержня, снабженного двумя взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения: коаксиальной и тороидальной, последовательносоединенные датчики колебательнойскорости колебательного преобраэователя, фазовый детектор, интегратор, управляемый генератор, фазосдвигающую цепь, образующие воэбудитель колебаний с.фазовой автоподстройкой частоты, и управляемый усилитель, выход которого соединен с одной из обмоток возбуждения, адругая обмотка возбуждения соединенас источником постоянного тока, Выход управляемого генератора подключен к измерителю частоты и через фазосдвигающую цепь - к второму входу фазового детектора. Устройствосодержит сумматор, включенный между выходом фазового детектора и входоминтегратора возбудителя колебаний, последовательно соединенные детектор, вход которого подключен к выходу упомянутого датчика, и компаратор напряжения, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - со вторым входом сумматора и управляющим входом управляемого усилителя 131.В отличие от рассмотренных вышеизвестный плотномер выполнен по схеме возбудителя с контуром фазовой автоподстройки частоты. С помощью контура стабилизации амплитуды скорости колебаний чувствительного элемента, включающего детектор, подключенный к выходу датчика колебательной скорости, и компаратор, где сравниваются опорный сигнал и сигнал с выхода детектора, осуществляется компенсация влияния вязкости на точность измерения плотности. При этом происходит не Только изменение коэффициента усиления усилителя, но и изменение сигнала с выхода сумматора, который приводит к поиску резонансной частоты, ослабляя требования к диапазону изменения коэффициента усиления управляемого усилителя, с помощью которого устанавливается заданная амплитуда колебаний, Таким образом, здесь используются1092377 50 55 два канала координатной коррекции скорости колебаний колебательного преобразователя - изменением частоты и изменением крутящего момента,Недостатком известного плотномера является наличие взаимных перекрестных связей контура фазовой автоподстройки частоты и контура управления величиной крутящего момента и сложность выбора весовых коэффициентов сигналов на входе сумматора и параметрическом входе усилителя тока, что ухудшает точность измерения плотности и динамические свойства плотномера. Как и во всех рассмотренных выше схемах плотномеров, в известном плотномере возможна только качественная оценка величины вязкости средй.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения плотностии вязкости жидких сред, содержащееколебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе, датчик колебательной скорости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой,включающий последовательно соединенные фазовый детектор, первый интегратор, управляемый генератор ифазосдвигающую цепочку, блок вычисления вязкости и плотности, регистраторы вязкости и плотности,блок измерения активной составляющей механического импеданса, содержащий последовательно соединенныефазочувствительный умножитель ивторой интегратор, при этом выходдатчика колебательной скоростисвязан с выходом возбудителя колебаний и с первым входом блока измерения активной составляющей механического импеданса, выход которогоподключен к первому входу блока вы,числения вязкости и плотности, второй вход которого связан с вторымвыходом возбудителя колебаний, атретий вход подключен к первому выходу возбудителя колебаний и ко второму входу блока измерения активной составляющей механического импедан-са, а регистраторы вязкости и плотности подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления вязкости и плотности 41.Однако известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения плотности и вязкости вязких жидкостей и узкий иэмеряемый диапазон, обусловленныйтем, что при изменении величин плотности и вязкости жидкости в широком диапазоне значений изменяетсяобщее демпфирование системы, а следовательно, и величина ее добротности. При этом постоянство амплитуды колебаний зонда достигается при 5 10 15 20 25 1 30 35 40различных значениях величин коэффициента усиления, т,е. при различнойнамагниченности стержня. За счет этого при наличии в каналах измерениянелинейных элементов точность измерения понижается, а при большомцемпфировании амплитуда колебанийзонда с увеличением коэффициентаусиления управляемого усилителя неувеличивается, а уменьшается, чтоограничивает измеряемый диапазонЦель изобретения - повышение точности измерения плотности и вязкости вязких жидкостей и расширение измеряемого диапазона.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измеренияплотности и вязкости жидких сред,содержащем колебательный преобразователь вязкости и плотности, консольно закрепленный в корпусе,датчик колебательной скорости, возбудитель колебаний с фазовой автоподстройкой, включающий последовательно соединенные фазовый детектор, первый интегратор, управляемый генератор и фаэосдвигающую цепочку, блоквычисления вязкости и плотности,регистраторы вязкости и плотности,блок измерения активной составляющеймеханического импеданса, содержащийпоследовательно соединенные фаэочувствительный умножитель и второй интегратор, при этом выход датчика колебательной скорости связан с выходом возбудителя колебаний и с первым входом блока измерения активнойсоставляющей механического импеданса, выход которого подключен кпервому входу блока вычисления вязкости и плотности, второй вход которого связан с вторым выходом возбудителя колебаний, а третий входподключен к первому выходу воэбудителя колебаний и ко второму входу блока измерения активной составляющей механического импеданса, а регистраторы вязкости и плотностиподключены соответственно к первомуи второму выходам блока вычисления вязкости и плотности, в него дополнительно введены обратный преобразователь вязкости, состоящий из якоряс обмоткой и статора с обмоткой,жестко связанных с колебательнымпреобразователем и корпусом соответственно, усилитель тока, подключенный входом к выходу датчика колебательной скорости, а выходом - к об.мотке якоря, и усилитель мощности, вход которого связан с первым выходом возбудителя колебаний, а выход подключен к возбуждающему входу колебательного преобразователя.Совокупность указанных признаков позволяет сохранить неизменной добротность системы при изменении демпфирования в широком диапазоне. Засчет этого работа плотномера осуществляется при неизменном коэффициенте усиления усилителя (при неизменной величине намагниченности стержня). Последнее приводит к увеличению точности измерения плотности и вязкости вязких жидкосТей ик расширению измеряемого диапазона.На чертеже представлена схемапредложенного плотномера жидкости.10Устройство содержит колебательныйпреобразователь 1 вязкости и плотности, выполненный, например,н виде цилиндра 2 с радиальными лопастями 3, закрепленный на свободномконце трубчатого магнитострикционного стержня 4 с помощью ступицы 5, другой конец которого жестко укреплен н корпусе б,и содержащий тороидальную обмотку ноэбуждения 7, расположенную внутри стержня 4 и подключенную к источнику постоянного тока, коаксиальную обмотку возбуждения 8, охватывающую стержень 4 и образующую возбуждающий вход колебательного преобразователя 1, которая подключена к выходу усилителя мощности 9. Датчик колебательной скорости 10 колебательного преобразователя 1 подключен ко входу нозбудителя колебаний 11 с фазовой . 30 автоподстройкой, к первому входу измерителя активной составляющей механического имведанса 12 и ко входу усилителя тока 13, Возбудитель 11 содержит последовательно соединен ные фазовый детектор 14, первый интегратор 1 5 и управляемый генератор 16, выход ,оторого через фаэосдвигающую цепь 17 подключен к опорному входу фазового детектора 14. Вход 40 возбудителя 11 образует сигнальный выход фазового детектора 14, а первый выход - выход управляемого генератора 16, который подключен ко второму нходу измерителя активной составляющей механического импеданса 12 и ко входу усилителя мощности 9, второй выход образован выходом первого интегратора 15. Измеритель 12 содержит последовательно соединенные Фазочувствительный умножитель 18 и второй интегратор 19, Выход второго интегратора 19 соединен с обмоткой статора 20 обратного преобразователя вязкости, жестко установленной на корпусе 6 с помощью держателя 21. Выход усилителя тока 13 подключен к обмотке якоря 22 обРатного преобразователя вязкости, Жестко укрепленной на цилиндре 2.Выходы второго 19 и первого 15 ин Жйгратора и первый выход воэбудитеЛя 11 соединены соотнетственно с первым, вторым и третьим входами блояй вычисления нязкости и плотности ЯЗ, перный и второй выходы которого, 65 соединены с регистраторами плотности 24 и вязкости 25 соответственно.Работа плотномера жидкости осуществляется следующим образом,При включении управляемого генератора 16 н коЛебательной обмоткевозбуждения й протекает переменныйток, вызывающий появление переменного продольного магнитного потока встержне 4. Помимо продольного магнитного потока в стержне 4 действуетпостоянный круговой магнитный поток,создаваемый постоянным током тороидальной обмотки возбуждения 7, В результате взаимодействия кругового ипродольного магнитных потоков нстержне 4 создается результирующийгеликоидальный магнитный поток, изменяющийся в поостранстне и во времени и, как следствие, появляютсякрутильные колебания колебательногопреобразователя 1, соответствующиечастоте управляемого генератора 16.При движении колебательного преобразователя 1 в., вязкой жидкости возникает момент сопротивления, пропорциональный активным и диссипативнымсилам, причем момент сопротивления,вызываемый активными силами, пропорционален присоединенному моментуинерции, а момент сопротивления, вызываемый диссипативными силами,прогорционален присоединенной вязкости,В результате действия контура фазовой,автоподстройки частоты, образованного датчиком колебательной скорости 10, возбудителем 11 и усилителем мощности 9, происходит непрерывная подстройка частоты генератора 16на резонансную частоту колебательного преобразователя 1, погруженного в жидкость, Управление частотойгенератора 16 происходит до тех порпока не совпадут Фазы сигнала на выходе датчика 10 и сигнала на выходегенератора 16, сдвинутого на Л/2в фазосдвигающей цепи 17, При этомсигнал на выходе Фазового детектора 14 равен нулю, а постоянная составляющая на выходе интеграторапропорциональна реактивной составляющей механического импеданса.Контур стабилизации амплитудыскорости колебательного преобразователя 1, образованный датчиком колебательной скорости 19, блоком измерения активной составляющей механического импеданса 12, усилителемтока 13 и обратным преобразователем,содержащим обмотку якоря 22 и обмотку статора 20, осуществляет непрерывную стабилизацию амплитуды скоростиколебательного преобразователя 1следующим образом. Сигнал, поступающий на обмотку якоря 22 через усилитель тока 13 от датчика колебательной скорости 10, образует переменноемагнитное поле в зазоре обратного преобразователя вязкости. При этом, если амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя 1 равна начальной, т.е. амплитуде скорости колебаний в воздухе, то сигнал 5 на выходе умножителя 18 равен О, сигнал на выходе второго интегратора 19 также равен нулю, в обмотке 20 статора обратного преобразователя вязкости ток отсутствует и компенсации сил, обусловленных присоединенной вязкостью, не происходит.Если плотность и вязкость изменяются, то изменяются как резонансная частота Колебательного преобразователя 1, так и его амплитуда скорости. При этом контур фазовой автоподстройки частоты подстроит частоту колебательного преобразователя 1. По той же причине появятся сигналы на выходах умножителя 18, второго интегратора 19 и ток в обмотке 20 статора обратного преобразователя вязкости, образующий Постоянное магнитное поле в его зазоре, величина которого пропорциональна вязкости жидкости, Причем сигнал постоянного напряжения на выходе интегратора 1% пропорционален активной составляющей механического импеданса и, следовательно, присоединенной вязкости исследуемой жидкости.Взаимодействие переменного магнитного потока якоря и постоянного магнитного потока статора вызывает появление момента сил, действующихна колебательный преобразователь 1.Изменение тока в обмотке 20 статораобратного преобразователя вязкостипроисходит до тех пор, пока полностью не скомпенсируются демпфирующие свойства исследуемой жидкостии амплитуда скорости колебаний колебательного преобразователя не станетравной начальной. При этом изменениесигналов на выходах интеграторов 15и 19 будет соответствовать изменениюреактивной и активной составляющихмеханического импеданса колебательного преобразователя 1. Блок вычисления вязкости и плотности 23 по значениям реактивной и активной составляющих механического импеданса и величине частоты колебаний колебательного преобразователя 1, поступающей на третий вход блока 23, вычисляет значения плотности и вязкости жидкости, которые регистрируются регистраторами 24 и 25 соответственно.Испытания устройства пока 3 али, что использование предложенного изобретения по сравнению с базовым обеспечивает повышение измерения плотности жидких гомогенных сред от 0,3 до 0,15 с расширением измеряемого диапазона от 700-900 до 650-900 кг/м и повышение измеренияЭвязкости от 0,3 до 0,2 с расширением измеряемого диапазона.дпис иЛиал ППП "Патент"., г. Ужгород, ул. Проектная,Заказ 3245/26 ВНИИПИ Г по де 113035 у МТираж 823 сударственного ам изобретений сква Ж, Ра митета СССоткрытий кая наб.,