ДАТЧИК ВИБРАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА (ВАРИАНТЫ)
SENSOR OF VIBRATION DENSITY METER (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройствам измерения плотности и вязкости жидких сред.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны конструкции вибрационных датчиков плотности с механическими резонаторами, в которых в качестве резонатора используется полый цилиндрический резонатор.
В патенте US 9927341, публ. 27. 03. 2018, МПК G01N 9/00 раскрыта конструкция датчика вибрационного плотномера с цилиндрическим резонатором, включающим узел прямого преобразования электрических колебаний в радиальные механические колебания стенок резонатора и обратного преобразования механических колебаний резонатора в электрические сигналы. Узел преобразования содержит один или больше электроакустических преобразователей, как правило, пьезоэлементов.
Наиболее близким техническим решением является конструкция датчика вибрационного плотномера с цилиндрическим резонатором по патенту RU 2506563, публ. 10.02.2014, МПК G01N 9/00. Датчик содержит герметичный полый корпус, в котором с помощью кольцевой мембраны, обеспечивающей также герметичность внутренней полости датчика относительно исследуемой среды, закреплен полый цилиндрический резонатор, имеющей контакт с исследуемой средой с внутренней и внешней стороны резонатора. Для возбуждения и приема механических колебаний цилиндрического резонатора по окружности мембраны с внутренней стороны корпуса ортогонально расположены четыре пьезоэлемента. Конструкция датчика обеспечивает контакт внутренней и внешней стороны резонатора с исследуемой средой. Для этого в корпусе датчика выполнены специальные отверстия и сверления.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом, достигаемым в данных вариантах изобретения, является повышение точности измерения плотности жидкости при упрощении конструкции датчика.
Датчик вибрационного плотномера по первому варианту включает полый цилиндрический корпус, на одном из торцов которого герметично закреплена металлическая мембрана. К внутренней стороне мембраны прикреплен пьезоэлемент, а к наружной стороне мембраны прикреплен механический преобразователь колебаний, выполненный в виде камертона, к которому в продольном направлении прикреплен полый цилиндрический резонатор. Причем основание камертона прикреплено к мембране, а зубцы камертона прикреплены к торцу полого цилиндрического резонатора
В данном изобретении под камертоном понимается широко известный механический резонатор из согнутого посередине в виде латинской буквы U металлического стержня. Основание камертона - середина стержня, концы согнутого стержня - зубцы камертона. Собственные колебательные свойства камертона определяются размерами, геометрией и материалом стержня. Камертон является преобразователем (трансформатором) механических колебаний и как по направлению, так и по их величине. Преобразование колебаний по направлению проявляется в различной ориентации векторов колебательной скорости основания камертона и его зубцов. Колебания основания камертона имеют меньшую амплитуду и большую силу по сравнению с амплитудой и силой колебаний концов зубцов, т.е. части камертона имеют разные механические сопротивления по отношению к внешним источникам и приемникам колебаний. В данном решении предлагается камертон использовать для согласования источников и приемников механических колебаний, отличающихся внутренними механическими сопротивлениями и направлениями колебаний.
Повышение точности измерения в данном изобретении достигается за счет уменьшения дополнительной массы резонансной системы, за счет того, что уменьшается масса и количество деталей, соединяющих цилиндрический резонатор с мембраной, при этом и обеспечивающей герметичность внутренних полостей датчика и лучшее согласование резонатора с мембраной возбуждения.
При этом упрощается конструкция датчика, в том числе и электромеханического преобразователя - пьезоэлемента, и повышается надежность датчика.
В частных случаях выполнения первого варианта изобретения уточняется выполнение существенных признаков изобретения.
Кроме того, преобразователь колебаний - камертон - прикреплен к мембране своим основанием.
Датчик вибрационного плотномера по второму варианту включает полый цилиндрический корпус, на одном из торцов которого герметично закреплена металлическая мембрана, причем к внутренней стороне мембраны прикреплен пьезоэлемент, а к наружной стороне мембраны прикреплен механический преобразователь колебаний, выполненный в виде камертона, к которому в поперечном направлении прикреплен полый цилиндрический резонатор. Причем основание камертона прикреплено к мембране, а зубцы камертона прикреплены к боковым поверхностям полого цилиндрического резонатора.
Во втором варианте также повышается точность измерения и упрощается конструкция датчика за счет указанных выше особенностей конструкции. В данном варианте, при прикреплении зубцов преобразователя колебаний к боковой поверхности цилиндрического резонатора, этот цилиндрический резонатор размещается поперек оси датчика. Данное свойство конструкции при применении датчика в потоке движущейся жидкости позволяет уменьшить лобовое сопротивление цилиндрического резонатора потоку жидкости.
В частных случаях выполнения второго варианта изобретения
Преобразователь колебаний может быть прикреплен к мембране основанием.
Помимо этого, зубцы преобразователя колебаний прикреплены на равных расстояниях от торцов цилиндрического резонатора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена конструкция датчика вибрационного плотномера по первому варианту на виде спереди.
На Фиг 2 приведена конструкция датчика вибрационного плотномера по первому варианту на виде сбоку.
На Фиг 3 приведена конструкция датчика вибрационного плотномера по второму варианту на виде спереди.
На Фиг 4 приведена конструкция датчика вибрационного плотномера по второму варианту на виде сбоку.
На Фиг 5 приведен рисунок, иллюстрирующий работу датчика.
На Фиг. 6 показан изменение формы цилиндрического резонатора при возбуждении колебаний.
На Фиг. 7 показан вид датчика вибрационного плотномера по первому варианту.
На Фиг. 8 показан вид датчика вибрационного плотномера по второму варианту.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Датчик вибрационного плотномера (Фиг. 1 - Фиг. 4), включает полый цилиндрический корпус 1, на одном из торцов которого жестко и герметично закреплена металлическая мембрана 3. Внутри полости 2 полого корпуса 1 размещен пезоэлемент 4, закрепленный на внутренней стороне металлической мембраны 3. С наружной стороны металлической мембраны 3 жестко прикреплен преобразователь колебаний, выполненный в виде механического камертона 5, основание 7 которого прикреплено к наружной стороне мембраны 3.
В первом варианте изобретения зубцы 6 камертона 5 прикреплены к торцу 9 цилиндрического резонатора 8. (Фиг. 1 - Фиг. 2).
Во втором варианте изобретения зубцы 6 камертона 5 прикреплены к боковой поверхности 11 цилиндрического резонатора 10. (Фиг. 3 - Фиг.4). В лучшем варианте выполнения зубцы 6 камертона 5 прикреплены на равных расстояниях от торцов цилиндрического резонатора 10.
В корпусе 1 размещен также блок электроники (на рисунках не показан), который вырабатывает сигнал возбуждения для пьезоэлемента 4, а также служит для обработки сигналов, которые возникают в пьезоэлементе 4 после возбуждения колебаний цилиндрического резонатора 8, 10.
Датчик в первом варианте работает следующим образом.
С блока электроники подается сигнал возбуждения на клеммы пьезоэлемента 4 (Фиг. 5), соединенного с металлической мембраной 3. В результате происходит периодический прогиб (выгиб) поверхности мембраны 3, т.е. поверхность мембраны 3 будет совершать колебания с частотой сигнала возбуждения. Такие же перемещения будет совершать основание 7 преобразователя колебаний -камертона 5, соединенного с внешней поверхностью мембраны 3. В соответствии с известным механизмом колебаний камертона, при движении основания 7 камертона 5 вверх, зубцы 6 камертона сближаются, при движении вниз - зубцы 6 расходятся. Поскольку зубцы 6 камертона соединены с цилиндрическим резонатором 8, то и его стенки будут совершать колебания уже в горизонтальной плоскости (т.е. в радиальном по отношению коси цилиндрического резонатора направлении) (Фиг. 6) и произойдет радиальное возбуждение цилиндрического резонатора 8.
Таким образом, вертикальные колебания металлической мембраны 3 с помощью преобразователя колебаний - камертона- 5 трансформируются в горизонтальные (в координатах рисунка) колебания стенок цилиндрического резонатора 1.
Кроме того, использование камертона в качестве преобразователя колебаний оптимизирует согласование мембраны с цилиндрическим резонатором, поскольку малые по амплитуде продольные колебания мембраны, жестко соединенной с основанием камертона, трансформируются в большие по амплитуде поперечные колебания зубцов камертона и соответственно в большие амплитуды колебаний стенок цилиндрического резонатора.
При совпадении частоты сигнала возбуждения с собственной частотой цилиндрического резонатора 8 будет наблюдаться резонанс, сопровождаемый увеличением амплитуды колебаний стенок цилиндрического резонатора 8. Колебания стенок резонатора 8 в свою очередь передаются зубцам 6 камертона 5 и в соответствии с механизмом колебания камертона приводят к вертикальным колебаниям основания 7 камертона 5 и далее к колебаниям мембраны 3 и сжатию/растяжению пьезоэлемента 4.
Таким образом, со стороны клемм пьезоэлемента 4 датчик можно рассматривать как электрический контур, частотные свойства которого (резонансные частоты, добротность/затухание), определяются конструкцией датчика и свойствами среды, в которую помещен датчик.
Блок электроники производит измерение частотных свойств данного контура и на их основаниях определяет плотность среды и ее вязкость, поскольку добротность - затухание зависит не только от конструкции датчика, но и от вязкости среды (потерь на нагревание колеблющихся частиц), в которую помещен цилиндрический резонатор 8.
Эти исследования можно производить, например, импульсным методом. Для этого датчик следует периодически возбуждать импульсным сигналом. Исследуя отклик на импульсное воздействие, электронный блок измеряет собственную частоту датчика в среде и оценивает затухание среды. По этим измеренным величинам определяется плотность среды и ее вязкость.
Во втором варианте выполнения датчика его работа происходит практически также. Поскольку зубцы 6 камертона 5 присоединены к боковой поверхности цилиндрического резонатора 10 колебания его стенок будут происходить также в горизонтальной плоскости. Колебания стенок резонатора 10 после его возбуждения передаются обратно зубцам 6 камертона 5 и также приводят к вертикальным колебаниям основания 7 камертона 5 и далее к колебаниям мембраны 3 и сжатию/растяжению пьезоэлемента 4.
Данный вариант конструкции датчика вибрационного плотномера характеризуется уменьшением лобового сопротивления датчика при помещении его в поток жидкости или газа. Поэтому его можно рекомендовать в качестве проточного измерителя плотности жидкости или газа.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
На рисунках Фиг. 7 и Фиг. 8 показаны датчики опытных экземпляров вибрационного плотномера в двух вариантах выполнения. Данные плотномеры обладают повышенной точностью измерения плотности, просты в изготовлении и эксплуатации и могут использоваться для измерения жидких и газообразных сред, как в состоянии покоя, так и в движении.