Плотномер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) Я С 01 И 9/О 4 (51) Н АВТОРСНС ТЕПЬСТ с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТК(71) Морской гидрофизическийтут АН УССР(54)(57) ПЛОТНОМЕР, содержащий чувствительный элемент в виде струныиз высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизичувствительного элемента, соединенные последовательно предварительныйусилитель, амплитудный селектор иусилитель мощности, выход которогоподключен к возбуждающей катушке,преобразователь сопротивление - частота, вход которого соединен с чувствительным элементом, а выход - свходами регистратора и смесителя,второй вход смесителя соединен свторым выходом предварительногоусилителя, выход смесителя подключенк второму входу регистратора, о т-.л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измеренийи упрощения конструкции устройства,на чувствительном элементе в месте.расположения возбуждающей катушкизакреплено тело из ферромагнитногоматериала, верхний конец чувствительного элемента прикреплен к упругой Зпластине .из диэлектрического матери- уала, механически соединенной с пьезоэлементом, причем дополнительно (введен фильтр низких частот, входкотового подключен к выходу пьезоэлемента, а выход - к входу предварительного усилителя.1140001Изобретение относится к океанографическим измерениям и может бытьиспользовано для определения профиля плотности морской воды вблизиграницы раздела море-атмосФера в 5условиях морского волнения. Крометого, оно применимо для измеренияпрофиля плотности в устройствахтехнологического контроля плотности различных жидкостей. 10Известен плотномер, содержащийвибрирующий чувствительный элемент,возбуждающие и приемные катушки,оси которых лежат в плоскости, перпендикулярной чувствительному элементу, расположенному вблизи катушек, предварительный усилитель ирегистратор. Чувствительный элементвыполнен в виде цилиндрического резонатора, Цилиндр совершает радиальные колебания на резонансной часто. -те, которые возбуждаются и поддерживаются цепью положительной обратной связи, состоящей из приемника ивозбуждающей катушки, соединенной 25со входом усилителя 1 .Достоинством данного плотномераявляется высокая точность и надежность, непосредственное преобразование измеряемой плотности в частный 30выходной сигнал, возможность применения при высоких давлениях для ши-.рокой номенклатуры контролируемыхеред.Однако известный плотномер не мо- З 5жет быть применен для измерения награнице раздела двух сред.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являетсяплотномер, содержащий чувствитель ный элемент в виде струны из ферромагнитного материала и закрепленной параллельно ей струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствитель 45 ного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилительмощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразо ватель сопротивления - частота, вход которого соединен с чувствительным элементом. а выход - со входамирегистратора и смесителя, второйвход смесителя соединен со вторым 55 входом предварительного усилителя, выход смесителя подключен ко второму входу регистратора. Вблизи вибрирующей струны установлены три индуктивные катушки, подключенные через сумматор к предварительному усилителю и .Достоинством данного плотномера является относительно высокая точность, чувствительность, надежность,возможность измерения профиля плотности воды вблизи границы разделавода - воздух в условиях морскоговолнения,К недостаткам данного устройстваотносят наличие погрешностей, связанных, во-первых, с тем, что высота волны резистивным и вибрирующимчувствительными элементами определяется в разных точках взволнованнойповерхности, поскольку эти элементынаходятся на некотором расстояниидруг от друга, во-вторых, с наличием паразитной вибрации корпуса, выэ.ванной ударами о него волны, втретьих, с наличием электромагнитных наводок в блоке приемных катушек от возбуждающей катушки, Крометого, наличие двух струн и трех приемных индуктивных катушек усложняетустройство.Цель изобретения - снижение погрешности измерения и упрощение устройства.Поставленная цель достигается тем, что в плотномере, содержащем чувствительный элемент в виде струны из высокоомного материала, возбуждающую катушку, расположенную вблизи чувствительного элемента, соединенные последовательно предварительный усилитель, амплитудный селектор и усилитель мощности, выход которого подключен к возбуждающей катушке, преобразователь сопротивление-частота, вход которого соединен с чувствительным элементом, а выходсо входами регистратора и смесителя, второй вход смесителя соединен со вторым выходом предварительного усилителя, вход смесителя подключен ко второму входу регистратора, на чувствительном элементе в месте расположения возбуждающей катушки закреплено тело из ферромагнитного материала, верхний конец чувствительного элемента прикреплен к упругой пластине из диэлектрического материала, механически соединенной с пьезоэлементом, причем в устройство дополнительно введен фильтр низких1140001 30 частот, вход которого подключен квыходу пьезоэлемента, а выход - ковходу предварительного усилителя.Выполнение резистивного,чувствительного элемента с феррьмагнитнымтелом, закрепленным в месте расположения. возбуждающей катушки, позволяет использовать его в качествевибрирующего чувствительного элемента. Прикрепление к нему пьезоэлемен- Ота (через упругую крепежнуо диэлект, рическую пластину) и включение пьезоэлемента на вход предварительноВго усилителя (через фильтр низких.частот) обеспечивает возможностьизмерения плотности исследуемой среды по схеме, аналогичной прототипу,но с одним и тем же чувствительнымэлементом, Использование одногочувствительного элемента вместо двух 2 Ообусловливает упрощение устройстваи исключение погрешности измерения,вызываемой тем, что струны в прототипе погружены в воду на разную высоту. 25Введение в устройство пьезоэле-ъмента, механически соединено с чувствительным элементом, позволяетосуществлять съем сигналов с резистийной струны, при этом упроститьустройство и исключить погрешностиизмерения, вызываемые в прототипевзаимным влиянием возбуждающей и приемных катушек,Наличие упругой диэлектрической, пластины между чувствительпым эле;ментом и пьезоэлементом создает воз;можность укрепить верхний конец чув ствительного элемента и передатьмеханические колебания чувствитель Оного элемента на пьезоэлемецт с минимальцыми искажениями.Введение в плотцомер фильтра низких частот между выходом пьезоэлемента и входом предварительного усилителя позволяет выделить основную гармонику колебаний чувствительногс элемента, исключив искажения, вносимые упругой диэлектрической пластиной, и тем самым снизить погрешность измерения.На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов выполнения предложенного плотномера; на Фиг. 2 - структурная схема плотцомера; на 55 фиг. 3 " чувствительные элементы прототипа, погруженные во взволнованную жидкость. 4Плотномер содержит (фиг. 1) корпус 1 в виде отрезка трубы, герметич но закрытого накидными гайками 2. Корпус заполнен демпфирующей жидкостью. На верхнем и нижнем коццах корпуса и между ними закреплены втулки 3. К средней втулке жестко прикреплена возбуждающая катушка 4, а к верхней и нижней втулкам прикреп. лены кронштейны 5. На нижнем кронштейне имеется диэлектрическая деталь б с отверстием, в котором за" креплен нижний конец чувствительного элемента 7 с помощью болта 8. На верхнем кронштейне 5 в стакане 9 жестко закреплена упругая пластица 10, в отверстии которой закреплен верхний конец чувствительного элемента 7, па наружной стороне пластины 10 приклеен пьезоэлемент 11. Упругая пластина 10 выполнена из диэлектрика.Чувствительный элемент 7 представляет собой струну из высокоомцого материала, расположенную вблизи возбуждающей катушки 4 так, что она перпендикулярна оси возбуждающей катушки 4. В месте пересечения чувствительного элемента (струны 7) осью возбуждающей катушки 4 на чувствительном элементе 7 закреплено Ферромагнитное тело 12, например, в виде шарика.Для уменьшения вредных вибраций и ослабления натяжения чувствительного элемента 7 между втулками 3 ц корпусом 1 выполнены резиновые кольца 13, которые уплотнены прижимными крышками 14 посредством винтов. Плотцомер содержит (Фиг. 2) Фильтб низких частот 15, предварительный усилитель 16, смеситель 17, амплитудны:; селектор 18, усилитель мощности 19. преобразователь сопротцвлецпечастота 20, регистратор 21. Ко входу Фп .ьтра ццзкцх частот подсоединен выход пьезоэлемента 11. Выход фильтра 15 подключен к соединенным последовательно предварительному усилителю 1 б, амплитудному селектору 18, усилителю мощности 19, Выход усилителя мощности 19 подсоединен к катушке возбуждения 4. Ко входу преобразователя сопротивление - частота 20 подключен верхний конец чувствительного элемента 7, а выходы преобразователя 20 подключены ко входам смесителя 17 и регистратора 21. Ко второму входу смесителя 17 подсоединенвторой выход предварительного усилителя 1 б, а выход смесителя 17 подсоединен ко второму входу регистра"тора 21,Механическая часть чувствительного элемента 7 с пьезоэлементом 11(через упругую пластину 10) и связьчувствительного элемента 7 с возбуждающей катушкой 4 через электромагнитное поле возбуждающей катушки 1показана на Фиг. 2 прерывистыми линиями,Плотномер устанавливают. на поверхности исследуемой жидкости так,чтобы чувствительный элемент 7 зани 15мал вертикальное положение,Плотномер работает следующим образом.При подаче питания на измерительную схему плотномера срабатывает 20возбуждающая катушка 4, котсрая,воздействуя на Ферромагнитное тело(шарик 11), притягивает чувствительный элемент 7. Питание катушки 4,отключается, но чувствительный элемент (струна 7) совершает колебания,которые передаются через упругуюдиэлектрическую пластину 10 пьезоэлементу 11, Пьезоэлемент 11 преобра.зовывает механические колебания чувствительного элемента 7 и пластины10 ь электрические сигналы, которыепередаются на фильтр низких частот15. Фильтр 15 отрезает высокочастотную составляющую сигнала и передаетего на предварительный усилитель 1 б,После усиления сигнал поступает напервый вход смесителя 17 и на входамплитудного селектора 18,Собственная частота колебанийчувствительного элемента 7 в возду"хе определяется по Формулег, - п.тоД (1)где 3 - длина чувствительного элемента (струны);Т - сила натяжения чувствительного элемента (струны);,- линейная плотность материала чувствительного элемента (струны).Собственную частоту малых копебаиий чуствительного элемента, (струны) чолностью погруженного в жидкость, можно рассчитать .по Формуле2 (2) где- плотность жидкости;Я - площадь продольного разрезачувствительного элемента(струны) (миделево сечение);С - положительный коэффициент,зависящий от свойств жидкости;- длина чувствительного элемента (струны).В формуле (2) первое слагаемоепод корнем определяет собственнуючастоту колебаний чувствительногоэлемента (струны) в воздухе, а второе слагаемое дает поправку, учитывающую влияние сопротивления жидкости на собственную частоту колебаний чувствительного элемента (струны), Причем, как видно из Формулы(2), эта поправка всегда отрицательна, т.е, при полном погружении чувствительного элемента (струны) в жидкость ее собственная частотауменьшается (й -К =61 О).Если чувствительный элемент (струну) поместить на границе разделажидкость - воздух так, что часть егонаходится в воздухе, и периодическивозбуждать собстзенные колебания,то частота колебаний определяетсякаждый момент времени плотностьюжидкости и высотой волны 12. По-скольку чувствительный элемент (виб.рирующая струна) изготовлена из высокоомного провода, то волна, шунтируя часть его, изменяет омическое сопротивление чувствительного элемента по закону изменениявысоты волны, и по изменению этогосопротивления можно определять высоту волны.Если из высоты волны, полученнойпо изменению собственной частоты колебаний, которая также зависит иот плотности жидкости, вычесть высотуволны, полученную по изменению омического сопротивления, которая стплотности не зависит, то получимзначение плотности жидкости,Таким образом, возникновение колебания чувствительного элемента(струны 7) вследствие присутствияводы являются затухающими. Как только амплитуда колебаний чувствительного элемента (струны), преобразованная пьезоэлементом 11 в элект- рический сигнал, станет равной порогу чувствительности амплитудного селектора 18, через Фильтр 15 и предварительный усилитель 16 срабатываетамплитудный селектор 18, Сигнал самглитудного .селектора 18 поступаетна усилитель мощности 19 и далее навозбуждающую катушку 4, Процесс повторяется, т.е. после действия каждого очередного импульса амплитудаколебаний чувствительного элемента(струны) возрастает, а затем постепенно затухает, срабатывает амплитудный селектор 18 и т.д.Сигнал, пропорциональный высотеволны и определяемый омическим сопротивлением части резистивной струны,зашунтированной жидкостью, поступает на вход преобразователя сопротивление - частота 20 и далее на смеситель 17. Одновременно из смесителя 17 поступает сигнал с выходапредварительного усилителя 16. Результирующий сигнал, длительностьимпульса которого пропорциональнаплотности морской воды, с выходасмесителя 17 поступает на регистратор (частотомер) 21, где одновремен 25но регистрируется частота с выходапреобразователя сопротивление - частота 20, несущая информацию о высоте морской волны,Длительность импульса результирующего сигнала, поступающего со смесителя 17 на регистратор 21, пропорциональна только плотности морскойволны, поскольку в смесителе 17 происходит вычитание сигналов двух,частот: сигнала с выхода предварительного усилителя 16 (частота которого зависит как от высоты волны,так и от плотности морской воды) исигнала с выхода преобразователя 20 4 О(частота которого зависит от высотыволны).По сравнению с прототипом точность измерений в предлагаемом плотномере повышается вследствие заменыдвух струн одной струной.Кроме того, точность увеличивается за счет устранения погрешностей,связанных с наличием вибрации корпу- са, электромагнитных наводок в блоке приемных катушек, а также исключения высших гармоник в спектре колебаний струны и упругой пластины.Резистивный чувствительный элемент обеспечивает измерение высоты морской волны с погрешностью 1 мм. Однако в прототипе 2 Д при измерении высоты волны возникает методическая погрешность, связанная с тем, что вибрационный и резистивный чувствительный элементы находятся на некотором расстоянии д друг от друга (фиг. 3). Из фиг. 3 видно, чтод Х-фЙсЯ где дХ - разность глубин погружениядвух струн в морскую воду;Й - расстояние между струнами(резистивным и вибрирующимчувствительными элементами);Сцъ - крутизна морской волны.При реальном морском волнении крутизна волны может доходить до величины ерш=1 и потому дХ"с 1, Для уменьшения этой погрешности желательно выбирать й как можно меньше. Однако, как показывает опыт работы с плотномером 2,: минимальное значение й равно 3 мм, так как амплитуда вибрирующей струны равна 2 мм и зазор между вибрирующей и резистивной стру нами должен быть не менее 1 мм, Таким образом, Ь Х=ФЗ мм, в результате чего возрастает погрешность собственно резистивного чувствительного элемента. В предлагаемом приборе эта методическая погрешность отсутствует,В предлагаемом плотномере погрешность определения профиля плотности жидкости на границе раздела не превы шает 0,25 Е, следовательно измерение профиля плотности жидкости на границе раздела предлагаемым устройством повышает точность в два раза по сравнению с базовым устройством.