ДАТЧИК ВИБРАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к цифровым приборам для измерения плотности жидкостей и газов. Заявляемое техническое решение распространяется непосредственно на вибрационный датчик плотности и температуры. Датчик вибрационного плотномера может быть использован во многих отраслях промышленности, когда требуется измерить плотность, вязкость жидкостей или их комбинацию.
Известен плотномер [Патент СССР N 633500, кл. G01N 9/00, 1976.], который содержит корпус, внутри которого установлен пустотелый чувствительный элемент с фланцем, омываемый с внутренней и наружной поверхностей и приспособления для возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента, выполненные в виде электромагнитных катушек. Недостатком такого плотномера является снижение точности при измерении плотности вязких жидкостей, например, при пониженных температурах. Электромагнитные системы возбуждения и измерения колебаний чувствительного элемента для эффективной работы требуют малых зазоров между магнитопроводами и стенками чувствительного элемента. Эти зазоры при заполнении их жидкостью, особенно вязкой, приводят к сильному демпфированию чувствительного элемента и снижению точности измерения, а иногда и к невозможности выполнения самого измерения. Известен вибрационный плотномер [Заявка Японии N 54-41348, 1973.], в котором исследуемая жидкость впрыскивается внутрь V-образного трубчатого вибратора с жестко закрепленными концами. Плотность жидкости определяется на основе измерения периода собственных колебаний вибратора, наполненного жидкостью. Пьезоэлектрические элементы установлены в области узла колебаний вибратора с целью возбуждения его колебаний и индикации этих колебаний. Недостатком плотномера является то, что чувствительный элемент омывается исследуемой жидкостью только с одной стороны, и при наличии давления в резонаторе появляются напряжения, приводящие к изменению частоты, а следовательно, к погрешности измерения параметров исследуемой жидкости от давления.
Известен датчик-зонд [Кевин Смит "Вибрационный датчик с цифровым выходом", Электроника" (Elektronics), 1980, N 16, с. 15-16.], позволяющий измерять уровень жидкости, плотность, вязкость или комбинацию указанных параметров. Зонд представляет собой цилиндрическую трубку, закрепленную во фланец, которая подвергается вибрации. Внутри трубки эпоксидным клеем закреплены два пьезоэлектрических преобразователя, один из которых служит для получения вибрации, а другой - для восприятия. Недостатком датчика-зонда является то, что чувствительный элемент (вибратор) омывается исследуемой жидкостью только с одной стороны, и при наличии давления в резонаторе появляются напряжения, приводящие к изменению частоты, а следовательно, к погрешности измерения параметров исследуемой жидкости от давления.
Основным недостатком датчика-зонда является то, что пьезоэлементы для обеспечения функционирования вибратора требуют непосредственного соприкосновения с тонкостенной частью вибратора, что вносит дополнительную массу к вибратору и снижает чувствительность вибратора, т.е. увеличивает погрешность измерения. Кроме того, контакт пьезоэлементов с вибратором снижает его добротность, а следовательно, и точность измерения параметров исследуемой жидкости.
Известен датчик вибрационного плотномера [патент RU 2024841, кл. G01N 9/32, 1991], содержащий корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор с фланцем и пьезоэлементы, установленные на фланце резонатора. Решение выбрано за прототип. Недостатком данного датчика вибрационного плотномера являются: жесткость конструкции между резонатором и фланцем; жесткость конструкции между фланцем и корпусом; паразитное влияние пьезоэлементов друг на друга; слабая чувствительность и низкая добротность датчика; влияние температуры на измерение плотности; влияние твердых инородных тел, находящихся в измеряемой жидкости, на резонансную частоту резонатора.
Все эти недостатки ведут к потере чувствительности и добротности датчика, а также к неточности измерения плотности жидкости.
Задачей полезной модели является увеличение чувствительности и добротности датчика; уменьшение влияния друг на друга паразитных механических колебаний при вибрации пьезоэлементов; исключить влияние температуры; исключить влияние твердых инородных тел, находящихся в измеряемой жидкости; увеличить точность и
повторяемость измерения плотности различных жидкостей в широком диапазоне плотности и температуры.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении диапазона измеряемой плотности; в возможности точно измерить температуру непосредственно у резонатора датчика в широком температурном диапазоне; в возможности автоматически компенсировать температурную зависимость; в возможности исключить влияние твердых инородных тел, расположенных рядом с резонатором, на точность измерения плотности жидкости.
Указанный технический результат достигается за счет следующих вариантов исполнения. Датчик вибрационного плотномера по первому варианту, содержащий корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор с фланцем и пьезоэлементы, установленные на фланце резонатора, отличающийся тем, что на внутренней поверхности цилиндрического резонатора на уровне крепления фланца выполнена канавка вглубь фланца, а с наружной поверхности фланца выточена проточка; пьезоэлементы упакованы в пьезопакеты, состоящие из последовательно соединенных пьезоэлементов числом не менее двух, причем использовано не менее четырех пьезопакетов, два из которых выполнены с функцией возбуждения механических колебаний на резонатор, а два других выполнены с функцией приема и преобразования механических колебаний с резонатора в выходной электрический сигнал с высокой чувствительностью; в центр резонатора вставлен платиновый датчик температуры.
По второму варианту датчик вибрационного плотномера, содержащий корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор с фланцем и пьезоэлементы, установленные на фланце резонатора, отличающийся тем, что с наружной поверхности фланца выполнена наружная канавка вглубь самого фланца по направлению к цилиндрическому резонатору; пьезоэлементы упакованы в пьезопакеты, состоящие из последовательно соединенных пьезоэлементов числом не менее двух, причем использовано не менее четырех пьезопакетов, два из которых выполнены с функцией возбуждения механических колебаний на резонатор, а два других выполнены с функцией приема и преобразования механических колебаний с резонатора в выходной электрический сигнал с высокой чувствительностью; в центр резонатора вставлен платиновый датчик температуры.
В корпусе между пьезопакетами могут быть выполнены пазы, функцией которых является заполнение измеряемой жидкостью для омывки датчика снаружи и изнутри.
На корпус может быть установлен кожух с отверстиями и прорезями для свободной циркуляции измеряемой жидкости.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан вибрационный датчик плотности и температуры в разрезе по 1 варианту (а - вид сбоку; б - вид с торца), где 1 - резонатор, 2 - фланец, 3 - корпус, 4 - пьезопакеты, 5 - датчик температуры, 6 - кожух, 7 - внутренняя канавка, 8 - проточка, 9 - пазы.
На Фиг.2 показан вибрационный датчик плотности и температуры в разрезе (вид сбоку) по 2 варианту, где 10- наружная канавка.
Осуществление полезной модели
На внутренней поверхности цилиндрического резонатора 1 на уровне крепления фланца 2 вытачивается канавка 7 вглубь самого фланца. С наружной поверхности фланца 2 вытачивается проточка 8 (см. Фиг.1), либо с наружной поверхности фланца 2 вытачивается наружная канавка 10 вглубь самого фланца по направлению к цилиндрическому резонатору 1 (см. Фиг.2). Пьезоэлементы упакованы в пьезопакеты 4, состоящие из последовательно соединенных пьезоэлементов. Количество пьезоэлементов в пьезопакете может варьировать от 2 до 12 и более (ограничивается формой пьезоэлемента и конструкцией датчика).
В корпус 3 вставляются четыре пьезопакета 4. Два пьезопакета - для возбуждения механических колебаний на резонатор, и два пьезопакета - для приема и преобразования механических колебаний с резонатора в выходной электрический сигнал с высокой чувствительностью.
В корпусе между пьезопакетами могут быть выфрезерованы пазы 9, которые исключают паразитные влияния пьезопакетов друг на друга и также увеличивают чувствительность датчика. Пазы заполняются измеряемой жидкостью и позволяют омывать датчик как снаружи так и изнутри, что также важно для точного измерения плотности.
В центр резонатора вставлен платиновый датчик температуры 5. Измеряемая величина плотности зависит от температуры жидкости. Для точного измерения плотности жидкости требуется точное измерение температуры жидкости рядом с резонатором.
Предпочтительно на корпус 3 устанавливается кожух 6 с отверстиями и прорезями для
свободной циркуляции измеряемой жидкости. Кожух не только защищает резонатор от механического повреждения при измерении, но и предотвращает влияние твердых инородных тел, расположенных рядом с резонатором, на точность измерения плотности жидкости.
Данные особенности конструкции в обоих вариантах исполнения позволяют уменьшить жесткость конструкции между фланцем, трубкой резонатора и пьезоэлементами; увеличить чувствительность и добротность резонатора; уменьшить паразитное влияние приемных и передающих пьезоэлементов друг на друга; уменьшить зависимость измеряемой плотности жидкости от температуры; уменьшить зависимость измеряемой плотности жидкости от влияние твердых инородных тел, расположенных рядом с резонатором.
Все вышеуказанное позволяет: существенно увеличить диапазон измеряемой плотности; существенно увеличить точность и повторяемость при измерении плотности жидкости; точно измерить температуру непосредственно у резонатора датчика в широком температурном диапазоне; автоматически компенсировать температурную зависимость; исключить влияние твердых инородных тел, расположенных рядом с резонатором, на точность измерения плотности жидкости.