ВИБРАЦИОННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ
VIBRATION SENSOR FOR DETERMINING LIQUID DENSITY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения плотности жидких сред в различных резервуарах, в том числе в аппаратах под давлением.
Устройство предназначено для определения концентрации урана, тяжелых элементов и других веществ в технологических растворах радиохимического производства в аппаратах с любым избыточным давлением при переработке отработанного ядерного топлива по значению измеренной плотности раствора.
Известно устройство для измерения плотности или вязкости жидкостей (авторское свидетельство СССР №312181 «Вибродатчик вязкости»). Конструктивно оно представляет собой двухстержневую колебательную систему, разделенную в узловой плоскости защитным корпусом, внутри которого смонтирована дифференциальная электромагнитная система измерения-привода.
Для определения плотности раствора с помощью известного устройства в режиме автоколебаний измеряют собственную частоту колебаний вибраторов (стержней), для определения вязкости - амплитуду собственных колебаний.
Недостатком известного устройства является то, что верхние (приводные) части стержней удалены от нижних (рабочих) частей стержней. Это приводит к большому фазовому запаздыванию рабочих частей стержней по отношению к верхним частям, доходящее до 180° при осушении датчика. Большое фазовое запаздывание между измерительным и приводным сигналами вызывает недостаточную стабильность работы автогенератора как по амплитуде, так и по частоте, а при осушении чувствительного элемента вызывает срыв автоколебаний, что в некоторых случаях эксплуатации недопустимо. Например, в тех случаях, когда на плотномер заведена уставка блокировки насосов азотной кислоты, исключающая подачу кислоты в технологический процесс при превышении концентрации.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является виброзонд для определения плотности жидких сред (патент России №2346259). Конструктивно виброзонд представляет собой вилку с вибраторами, снабженную в верхней переходной части пьезоэлектрическим кристаллом и магнитострикционным приводом, закрепленными на изогнутом участке вилки, защитную трубу, между нижней частью которой и вилкой введено демпфирующее устройство, представляющее собой сильфон, стакан и пружину, причем сильфон расположен внутри стакана и герметично врезан в трубу.
Сильфон защищает проходящие внутри сильфона электрические проводники, а также пьезоэлектрические кристаллы и магнитострикционный привод от воздействия агрессивной измеряемой среды.
Преимуществом прототипа перед аналогами является приближение приводного устройства к нижним рабочим вибраторам и уменьшение фазового запаздывания.
5
Недостатком прототипа является то, что прототип не может работать в аппаратах с давлением, выше 0,3·10 Па, так как чувствительный элемент соединен с корпусом датчика через сильфон (гибкий элемент). При подаче в аппарат даже малого давления чувствительный элемент будет прижат к корпусу датчика и автоколебания пропадут или, как минимум, частота автоколебаний изменится непредсказуемо.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является дальнейшее снижение фазового запаздывания между измерительным и приводным сигналами и уменьшение зависимости работы устройства от давления в аппарате до величины, обеспечивающей стабильную работу устройства.
Заявляемое устройство представляет собой дальнейшее приближение привода к нижним (рабочим) вибраторам, выражающееся в том, что привод размещается в нем непосредственно между рабочими вибраторами, что позволяет снизить фазовое запаздывание при полном осушении чувствительного элемента практически до безопасного уровня, позволяющего автогенератору функционировать как в контролируемой жидкости, так и в воздухе.
Вторая задача, а именно создание условий для работы устройства в аппаратах с давлением без изменения его метрологических характеристик, решена в предлагаемом устройстве изготовлением корпуса датчика и его составных элементов (рабочих вибраторов и защитного кармана для имерительно-приводной системы) из монолитного куска нержавеющей стали, что исключает деформации корпуса и составных частей при появлении давления в аппарате.
Конструкция заявляемого устройства представлена на фиг.1.
Заявляемое устройство представляет собой защитную трубу 1, к нижнему краю которой герметично примыкает корпус-держатель 2, с рабочими вибраторами 3 и защитным карманом 4 для катушек измерителя-привода с сердечниками из магнитной стали 5. В корпусе-держателе выполнены три вертикальных загрузочных канала. Один, центральный, продолжающийся в защитном кармане каналом 6, предназначен для загрузки во время сборки устройства измерительно-приводной системы. Два боковых канала выполнены с продолжением их в вибраторах (каналы 7) и предназначены для загрузки в вибраторы магнитных измерительно-приводных активаторов 8. Магнитные активаторы выполнены на основе постоянных самарий-кобальтовых магнитов. Снизу каналы вибраторов и защитного кармана герметично заглушены защитными крышками 9 и 10. Верхние части вибраторов выше активаторов выполнены с пазами для создания упругих элементов. Зазоры между стенками вибраторов и защитного кармана составляют 3 мм при величине диаметра корпуса-держателя 42 мм.
Макет заявляемого устройства был изготовлен и испытан. Испытания показали, что поставленная цель, то есть сохранение работоспособности автогенератора при любой степени осушения чувствительного элемента, достигнута.
При полном осушении чувствительного элемента фазовое запаздывание не превысило 30°, а фактический запас для сохранения режима автогенератора составляет не менее 60°. Срыва автоколебаний вибраторов не было. Надежность работы плотномера была доведена до нужного уровня.
5
Что касается внутриаппаратного давления, то отсутствие сильфона и абсолютно симметричная и герметично-жесткая конструкция предлагаемого устройства гарантирует сохранение не только работоспособности, но и метрологических характеристик устройства вплоть до значений давления в аппарате 20·10 Па и более.