Устройство для определения плотности и/или вязкости жидкостей и газов
DEVICE FOR DETERMINING THE DENSITY AND/OR VISCOSITY OF LIQUIDS AND GASES

Изобретение относится к компонентам измерительных устройств и предназначено для определения плотности и/или вязкости жидких (в том числе, сжиженных газов) и/или газообразных сред в различных резервуарах или трубопроводах, в том числе, находящихся под давлением. Устройство может быть использовано также для контроля уровня жидких или сыпучих веществ в емкости и/или трубопроводе.
Известно устройство для определения и контроля предельного уровня в ёмкости, которое представляет собой механическую колебательную структуру, состоящую из диафрагмы  и, по крайней мере, двух осциллирующих штанг, введенных в контейнер вдоль своей продольной оси. Устройство содержит также преобразователи возбуждения и обратной связи, образованные пакетом пьезоэлементов и металлическое кольцо, размещенное на конце пакета смежного с диафрагмой и, по крайней мере, два шипа давления, размещенные между металлическим кольцом и диафрагмой, обеспечивающих передачу колебаний от преобразователя возбуждения на диафрагму с осциллирующими  штангами [1].
Недостатком этого технического решения является сложность монтажа преобразователей возбуждения и обратной связи во внутренней полости устройства, т.к. их установка и соединение с мембраной осуществляется только на двух шипах давления. На шипах давления малых размеров происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом. Кроме того, конструкция не предназначена для работы при значительном внешнем давлении, так как при воздействии давления происходит прогиб диафрагмы внутрь изолированной полости и уменьшение усилия зажатия пакета пьезоэлементов ниже допустимого рабочего значения.
Известно устройство, содержащее механическую колебательную систему, состоящую из двух и более штанг, выступающих в емкость и прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера непроницаемую внутреннюю полость в которой размещены преобразователь возбуждения и преобразователь обратной связи, имеющие на обоих концах металлические кольца и состоящие из набора пьезоэлектрических элементов, включая один и более пьезоэлемент, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для того, чтобы колебания штанг были перпендикулярны к их продольной оси, а также один и более пьезоэлектрических элементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажимной винт, прочно соединенный с мембраной со стороны, противоположной колебательным штангам, проходящий через преобразователи возбуждения и обратной связи, имеется дополнительное металлическое кольцо, размещенное между металлическим кольцом преобразователей и мембраной, соосно с металлическими кольцами преобразователей, причем дополнительное металлическое кольцо выполнено из того же материала, что и мембрана и штуцер и жестко связано с ними сваркой [2].
Недостатком этого технического решения является низкая эффективность передачи колебаний от преобразователя возбуждения к осциллирующим штангам. Кроме того, конструкция также не предназначена для работы при значительном внешнем давлении, так как при воздействии давления происходит прогиб мембраны внутрь непроницаемой внутренней полости и уменьшение усилия зажатия пакета пьезоэлементов ниже допустимого рабочего значения.
Известен виброзонд для определения плотности жидких сред, который содержит вилку, снабжённую пьезоэлектрическим кристаллом, закреплённую на изогнутом участке вилки, и магнитострикционный привод. В виброзонд дополнительно введены труба и демпфирующее устройство, которое состоит из сильфона, стакана и пружины. Сильфон расположен внутри стакана и герметично врезан в трубу виброзонда, пружина жёстко соединена с торцом стакана и корпусом вилки.
Недостатком этого технического решения является низкая эффективность передачи колебаний от магнитострикционного привода к вибрирующей вилке.
Наиболее близким, по технической сущности к заявляемому, является устройство для определения и/или контроля заданного уровня заполнения ёмкости, содержащее установленную на отметке заданного уровня заполнения механическую колебательную систему с цилиндрическим корпусом закрытым мембраной в концевой части. Расположенные столбиком пьезоэлектрические элементы во время работы приводят механическую колебательную систему в колебания, воспринимают колебания, зависящие от уровня заполнения в данный момент, обеспечивают их дальнейшее преобразование и обработку располагаются между первым и вторым пестами, примыкающими к концевой части и к столбику. Весь столбик зажат вдоль продольной оси корпуса между ввинченным в корпус нажимным винтом и мембраной [4].
Недостатком этого технического решения является сложность монтажа преобразователей возбуждения и измерения параметров колебаний в виде столбика пьезоэлементов в корпусе, так как их установка и соединение с мембраной осуществляется только в 1-й точке - в желобке, выполненном в форме песта в котором установлена, с возможностью поворота, круглая купольная часть песта, передающего колебания столбика пьезоэлементов на мембрану. Кроме того, на упомянутом желобке также происходит концентрация контактных механических напряжений, что снижает прочность мембраны и устройства в целом.
Заявляемое в качестве изобретения устройство позволяет устранить этот недостаток путём увеличения жёсткости центральной части мембраны, площади контакта системы возбуждения механических колебаний с мембраной и введением центрирующего элемента на поверхности мембраны. Решение позволяет повысить надёжность устройства, технологичность сборки и расширить сферу применения для сред, находящихся под давлением.
Для достижения указанного технического результата разработано  устройство для определения плотности и/или вязкости жидкостей и газов, которое содержит механическую колебательную систему, состоящую из двух или более штанг, прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера или патрубка-удлинителя непроницаемую внутреннюю полость внутри которой размещён пьезопривод, состоящий из собранных в виде столбика кольцевых изоляторов, металлической шайбы, специальной шайбы, токосъёмников и кольцевых пьезоэлектрических элементов, включая один или более пьезоэлементов, которые могут быть возбуждены напряжением переменного тока для создания колебаний штанг перпендикулярно к их продольной оси, а также один или более пьезоэлементов для преобразования колебаний механической системы в электрический сигнал, зажатый между металлической пятой, с одной стороны и зажимным винтом, с другой, отличающееся тем, что на мембране сформирован специальный выступ, на который опирается пята специальным углублением, согласованным по форме с формой выступа, выполненный за одно целое с мембраной, причём центр выступа совпадает с центром мембраны, наибольший диаметр не превышает 0,7 диаметра мембраны, а максимальная высота составляет не менее двух толщин мембраны. Форма пяты обеспечивает однозначное позиционирование пьезоэлементов при сборке и недеформируемую опору, в которой сформировано углубление для соединения с выступом, обеспечивающее гарантированную установку вдоль центральной оси мембраны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2÷6 - варианты исполнения устройства, а на фиг. 7 и 8 - эквивалентные схемы механической колебательной системы заявленного устройства.
m
m
C
C
r
r
m
C
r
m
C
r
m
F,
э1
э2
э1
э2
э1
э2
э3
э3
э3
э0
э4
э4
э0
Эквивалентные массы  и  сосредоточены на концах невесомых стержней с жесткостями  и  и параметрами трения  и . Мембрана резонатора с массой , жёсткостью  и трением  связана с цилиндром массой . Система возбуждения со специальной шпилькой-опорой и набором пьезоэлементов с жёсткостью  и трением  воздействует на центр мембраны и также связана с цилиндром массой . Противофазные колебания лопастей резонатора возбуждаются силой возникающей в результате обратного пьезоэффекта и действующей на центр мембраны в направлении перпендикулярном её плоскости. Механическая колебательная система рассматривается как часть замкнутой автоколебательной системы, находящейся в режиме вынужденных колебаний, возбуждаемых сосредоточенной силой с частотой, равной собственной частоте колебаний резонатора и определяемой из условия баланса амплитуд и фаз замкнутой системы.
P
Частота колебаний системы определяется массой и жёсткостью элементов, а амплитуда - величиной возбуждающей силы и трением элементов. Воздействие внешнего давления  на систему зависит от параметров жёсткости мембраны и системы возбуждения и может приводить к значительным деформациям мембраны, а соответственно, и характеристик колебательной системы. Вариант наибольших изменений представлен нафиг. 8 и соответствует случаю отсутствия центральной опоры. В этом случае, перемещение центра мембраны постоянного сечения без центральной опоры под действием внешнего давления определяется выражением:
k
D
E
H
P
где  - перемещение центра мембраны,  - конструкционный коэффициент,
- диаметр мембраны, - модуль упругости материала мембраны,
- толщина мембраны, - давление, воздействующее на мембрану.
Перемещение центра мембраны с центральной опорой при воздействии внешнего давления определяется выражением:
l
D
d
d
D
E
P
где  - перемещение центра мембраны,  - длина опоры,  - диаметр мембраны,  - диаметр опоры ( < ), - модуль упругости материала опоры, - давление, воздействующее на мембрану.
Видно, что при наличии центральной опоры (фиг. 7) перемещение центра мембраны не зависит от её толщины и определяется модулем упругости опоры, в нашем случае, значениями упругости шпильки-опоры, пьезоэлементов и специальных вставок. Фактически, перемещение центра мембраны определяется не внешним давлением, а деформацией пьезоэлементов под действием электрического поля при возбуждении колебаний механической системы.
В случае жёсткой центральной опоры, как в предлагаемом устройстве,  изменение формы и частотных характеристик механической колебательной системы пренебрежимо малы и не влияют на погрешность измерения плотности в значительном диапазоне давлений (до 100 МПа).
отличается тем, что
Устройство для определения плотности и/или вязкости жидкостей и газов, фиг. 1, содержит механическую колебательную систему, состоящую из двух или более штанг 1, прикрепленных на расстоянии друг от друга к мембране 2, зажатой на краях и образующей с поверхностью штуцера или патрубка-удлинителя 14 непроницаемую внутреннюю полость внутри которой размещён пьезопривод, состоящий из собранных в виде столбика кольцевых пьезоэлектрических элементов 8 и 9, специальной шайбы 7, кольцевых изоляторов 10, металлической шайбы 11 и токосъёмников 12. Элементы пьезопривода установлены вдоль трубчатого изолятора 6, отделяющего их от металлической пяты 4, на которую он опирается. Пьезопривод прижимается к мембране через пяту с помощью зажимного винта 5. Между приводом и зажимным винтом располагается специальная металлическая шайба, в которой выполнены радиальные канавки для прокладки проводов от токосъёмников в центральный коммутационный канал. Один или более пьезоэлементов 8 в столбике, могут быть использованы для создания колебаний штанг, для чего по проводам 13 и токосъёмникам на них подаётся напряжение переменного тока заданной частоты и амплитуды, которое приводит к изменению геометрических размеров пьезоэлементов, что создаёт возвратно поступательные колебания, передающиеся на пяту, и далее, через специальный выступ мембране и штангам. Один или более пьезоэлементов в столбике преобразуют колебаний механической системы в электрический сигнал, который по проводам 13 передаётся для обработки, управления работой генератора и контроля характеристик механической колебательной системы. В механической колебательной системе поддерживаются колебания на частоте резонанса, или на частоте близкой к резонансной с определённым фазовым сдвигом между электрическим сигналом возбуждения и обратной связи. Устройство  в него введен специальный выступ 3, сформированный на мембране 2 в качестве жёсткого центра, на который опирается пята 4. Форма пяты обеспечивает надёжное соединение с выступом за счёт сформированного углубления, согласованного по форме с формой выступа. Кроме того, пята и трубчатый изолятор обеспечивают однозначное позиционирование пьезоэлементов, кольцевых изоляторов, специального кольца и токосъёмников при сборке, а также, недеформируемую опору для всего пьезопривода.
d
R
h
На фиг. 2 показан вариант исполнения устройства, в котором специальный выступ имеет форму цилиндра диаметром , ровную верхнюю поверхность с фаской, и максимальный радиус  соединения с мембраной не превышает двух высот  выступа.
R
h
На фиг. 3 показан вариант исполнения устройства, специальный выступ имеет форму конуса или усечённого конуса, и максимальный радиус  соединения с мембраной не превышает двух высот  выступа.
r
R
h
На фиг. 4 показан вариант исполнения устройства, специальный выступ имеет форму полусферы радиуса , и максимальный радиус  соединения с мембраной не превышает двух высот  выступа.
R
h
На фиг. 5 показан вариант исполнения устройства, специальный выступ имеет форму цилиндра, верхняя поверхность которого  представляет собой усечённый конус, и максимальный радиус  соединения с мембраной не превышает двух высот  выступа.
R
h
На фиг. 6 показан вариант исполнения устройства, специальный выступ имеет форму цилиндра, верхняя поверхность которого представляет собой сферическую поверхность и максимальный радиус  соединения с мембраной не превышает двух высот  выступа.
На фиг. 7 показана эквивалентная схема механической колебательной системы со специальной шпилькой-опорой при воздействии давления измеряемой среды и без этого воздействия.
На фиг. 8 показана эквивалентная схема механической колебательной системы без центральной опоры при воздействии давления измеряемой среды и без этого воздействия (пунктир).
Период вынужденных колебаний системы штанг и мембраны на частоте резонанса уменьшается при погружения штанг в более плотную среду. При полном погружении системы штанг и мембраны в жидкую или газовую среду значение резонансной частоты системы является мерой, по которой определяется  плотность этой среды, а значение добротности является мерой, по которой определяется вязкость среды.
При частичном погружении системы штанг и мембраны в жидкую или газовую среду изменение резонансной частоты системы является мерой уровня жидкости в точки расположения устройства контроля предельного уровня. При наполнении или опорожнении емкости вещество достигает места, где установлено устройство и по мере погружения или осушения штанг изменяется их собственная частота колебаний.
Источники информации
1. US 5191316, МПК B06B 1/06; G01F 23/296; G01H 13/00; G08B 021/00 «Apparatus for determining and/or monitoring a predetermined contents level in a container» 02.03.1993.
2. Патент RU 2406980  МПК  G01F 23/296 «Устройство для контроля предельного уровня в емкости» 2009.01.26.
3. Патент RU 2346259,  МПК G01N 9/10 «Виброзонд для определения плотности жидких сред» 12.02.2007.
4. Патент RU 2247606, МПК B06B 1/06 «Устройство для определения и/или контроля заданного уровня заполнения емкости» 01.03.2001.