ВИБРАЦИОННЫЙ ПЛОТНОМЕР ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ
VIBRATION LIQUID DENSIMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для измерения плотности жидких сред.
Известен вибрационный плотномер, содержащий чувствительный элемент в виде двух параллельных трубок, соединенных на концах жесткими стяжками и снабженный упругими перемычками. (SU №401908 А2, опубл. 12.10.1973 г.). Перемычки имеют винты, с помощью которых их можно закрепить в любом месте системы. Резонансную частоту чувствительного элемента можно регулировать положением центральных и периферийных перемычек. Недостаток предложенного плотномера состоит в том, что крепление перемычек с помощью винтов снижает добротность чувствительного элемента вибрационного плотномера, что вносит погрешности в измерение частоты колебаний и, следовательно, снижает точность определения плотности жидкостей. Особенно это проявляется при изменении внешней температуры.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является вибрационный плотномер для жидкостей, содержащий трубчатый резонатор в виде двух параллельных трубок, изготовленных из одинакового упругого материала и приваренных конечными частями к соответствующим перемычкам с обеих сторон. (пат. 1158790, Великобритания, опубл. 16.07.1969 г.). Трубки имеют одинаковую форму и размер и расположены в виде противоположных сторон прямоугольника. В центральной части плотномера между трубками расположена опора в виде платформы, на которой находятся возбуждающая и приемная катушки. Платформа закреплена на перемычках с помощью эластичных металлических скобок. Считается, что скобки компенсируют тепловые напряжения материалов платформы, трубок и перемычек, возникающих в работающем вибрационном плотномере при изменении внешней температуры. Недостатком указанного плотномера является то, что изменение температуры может привести к неконтролируемому взаимному перемещению платформы с расположенными на ней возбуждающей и приемной катушками относительно трубок. При этом изменяются расстояния между катушками и трубками, что приводит к изменению между ними магнитной связи, вследствие чего может изменяться частота колебаний трубок, приводящая к погрешностям измерения плотности жидкостей.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание вибрационного плотномера для жидкостей, позволяющего производить измерения плотности различных жидкостей в широком температурном диапазоне.
Технический результат - повышение стабильности и точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в вибрационном плотномере для жидкостей, содержащем трубчатый резонатор, опору, соединенную с трубчатым резонатором перемычками, систему возбуждения и приема колебаний, соединенную с опорой, опора объединена с перемычками и жестко закреплена относительно плоскости симметрии трубчатого резонатора, при этом трубчатый резонатор и опора выполнены из материала с низким коэффициентом линейного расширения.
Предпочтительно выполнить трубчатый резонатор в виде двух трубок, расположенных параллельно друг другу.
Можно выполнить трубчатый резонатор в виде трубок Ω-образной или U-образной формы.
Предпочтительно в качестве материала с низким коэффициентом линейного расширения для трубчатого резонатора и опоры выбрать кварц.
При этом вибрационный плотномер должен дополнительно содержать магниты, установленные на трубчатом резонаторе.
Целесообразно систему возбуждения и приема колебаний выполнить в виде источников возбуждения и приема колебаний, установленных на опоре, частотомера и усилителя, подключенного к объединенному входу частотомера и источника возбуждения колебаний, при этом усилитель электрически связан с источником приема колебаний.
Предпочтительно жестко закрепить источники возбуждения и приема колебаний на опоре симметрично друг другу.
Источники возбуждения и приема колебаний можно выполнить в виде приемной и возбуждающей катушек.
Трубчатый резонатор и опора могут быть выполнены из магнитного материала.
Заявляемое изобретение благодаря новым отличительным признакам, таким как новая форма выполнения опоры и выполнение опоры и трубчатого резонатора из материала с низким коэффициентом линейного расширения, позволяет обеспечить стабильность и точность измерений плотности жидкости в широком диапазоне температур.
Это достигается за счет сохранения неизменности взаимного расположения основных элементов вибрационного плотномера при любых колебаниях температуры. Выбор материала с низким коэффициентом линейного расширения позволяет обеспечить стабильность геометрических размеров опоры и трубчатого резонатора.
На фиг.1 (а, б) схематично изображена конструкция вибрационного плотномера для жидкостей в двух видах.
На фиг.2 (а, б) представлена модификация вибрационного плотномера для жидкостей с трубчатым резонатором Ω-образной формы в двух видах.
На фиг.3 (а, б) представлена модификация вибрационного плотномера для жидкостей с трубчатым резонатором U-образной формы в двух видах.
Заявляемый вибрационный плотномер для жидкостей (фиг.1) содержит трубчатый резонатор, выполненный в виде двух трубок 1 и 2, которые закреплены на опоре 3 с помощью перемычек 4, представляющих собой одно целое с опорой 3. В свою очередь, опора 3 с помощью перемычек 4 жестко закреплена в плоскости симметрии относительно трубок 1, 2 резонатора.
Источники возбуждения и приема колебаний, выполненные в виде возбуждающей и приемной катушек 5 и 6, установлены на опоре 3 симметрично друг другу и взаимодействуют с соответствующими постоянными магнитами 7, закрепленными на трубках 1 и 2 в случае, если трубчатый резонатор выполнен из кварца. Если трубчатый резонатор выполнен из магнитного материала, то постоянные магниты 7 для обеспечения магнитной связи с возбуждающей 5 и приемной 6 катушками не устанавливаются. Аналогичным образом выполнены вибрационные плотномеры с трубчатым резонатором, имеющим трубки Ω-образной формы (фиг.2) и U-образной формы (фиг.3). Стрелками показано направление течения жидкости при заполнении плотномера жидкой средой.
Вибрационный плотномер работает следующим образом.
Трубки 1 и 2 трубчатого резонатора, закрепленные на несущей опоре 3, приводятся в режим автоколебаний в противофазе источником возбуждения колебаний, выполненным в виде возбуждающей катушки 5. Колебания трубок воспринимаются источником приема колебаний, выполненным в виде приемной катушки 6, сигнал которой усиливается усилителем 8 и вновь подается на возбуждающую катушку 5, создавая таким образом автоколебательный режим. Постоянные магниты 7, закрепленные на трубках 1, 2, служат для осуществления магнитной связи трубок с источниками возбуждения и приема колебаний. Частотомер 9 служит для измерения периода колебаний трубок. Измеряемая жидкость поступает на вход трубок 1 и 2. Отвод жидкости осуществляется через противоположный конец трубок.
2
Плотность жидкости определяется путем преобразования измеренного с помощью частотомера периода колебаний трубок, заполненных жидкостью, в соответствии с уравнением: ρ=А·Т-В, где ρ - плотность жидкости, Т - период колебаний трубок, А и В - коэффициенты, определяемые при калибровке плотномера. Определение констант А и В проводится измерением двух проб с известной плотностью при требуемом значении температуры. Например, при работе в диапазоне температур от 5 до 80°C в качестве таких проб обычно используются воздух и вода.
Трубки и опора вибрационного плотномера, выполненные из материала с низким коэффициентом линейного расширения и жестко закрепленные относительно друг друга, сохраняют неизменным взаимное расположение основных элементов вибрационного плотномера в широком температурном интервале и вследствие этого обеспечивают стабильность и точность измерений.
Для изготовления трубок и опоры вибрационного плотномера предпочтительно использовать кварц, так как он имеет наименьший среди других материалов коэффициент линейного расширения и обладает наименьшими механическими потерями с минимальным рассеиванием энергии при колебании трубок. Для изготовления трубок и опоры вибрационного плотномера из магнитных материалов можно воспользоваться прецизионными сплавами с заданными свойствами теплового расширения и упругости, например, марки 42НХТЮ.
В качестве примера практической реализации заявленного плотномера, обеспечивающего высокую точность измерения плотности жидкостей, можно привести следующие опытные данные.
Для проверки работоспособности предложенного изобретения был изготовлен экспериментальный образец вибрационного плотномера по фиг.2. Измерялась плотность воды в диапазоне температур +5°С…+40°C. Измеренные значения сравнивались с табличными данными, приведенными для плотности воды при разных температурах по ГОСТ 3900-85 (СТ СЭВ 6754-89) (Нефть и нефтепродукты, методы определения плотности. М., Издательство стандартов, 1991)
№ п/п
Температура,°С
Табличные значения плотности воды ρ, г/см<sup>3</sup>
Значения плотности воды, измеренные с помощью заявленного плотномера ρ, г/см<sup>3</sup>
Разность табличных и измеренных значений Δρ, г/см<sup>3</sup>
1
5
0,999964
1,000048
-0,000084
2
10
0,999699
0,999654
0,000045
3
20
0,998202
0,998182
0,000020
4
25
0,997043
0,997005
0,000038
5
30
0,995645
0,995587
0,000058
6
40
0,992214
0,992176
0,000038
3
Как видно из таблицы, максимальная ошибка измерения плотности заявляемым вибрационным плотномером составляет 0,000084 г/см.
3
Наиболее низкую погрешность 0,00015 г/см среди вибрационных плотномеров, используемых для целей поточного измерения плотности жидкостей, имеет поточный плотномер Solartron 7835 (http://www.solartron.ru/density/7835.html, рекламные материалы фирмы Mobrey Measurement, ранее Solartron).
Приведенный пример практической реализации показывает, что заявляемый вибрационный плотномер для жидкостей благодаря новой конструкции, обеспечивающей неизменность взаимного расположения основных элементов вибрационного плотномера в широком температурном интервале, позволяет добиться высокой точности измерений плотности жидкостей.