УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ
DENSITY CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем и тел неправильном формы, например волокнистых, сыпучих, тканых и нетканых материалов, пористой фильтрующей керамики, поропластов и других, и может найти применение в различных отраслях промышленности.
Известно устройство для измерения плотности (см. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980. - С.156), содержащее герметизированную измерительную емкость с контролируемым веществом, источник расхода газа и измеритель давления.
Известно устройство, реализующее способ измерения плотности (см. Патент РФ 2399904. МПК G01N 9/00. Способ измерения плотности, опубл. 20.09.2010, Бюл. №26), содержащее герметизированную измерительную емкость с контролируемым веществом, к верхней части которой присоединен цилиндр с поршнем и манометр.
Недостатком такого устройства является отсутствие единства измерительного процесса и отсутствие его автоматизации.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является устройство, реализующее способ измерения плотности (см. Патент РФ 2162596, МПК G01N 9/00, 9/26. Способ измерения плотности, опубл. 27.01.2001, Бюл. №3), содержащее измерительную емкость с крышкой, к верхней части которой подключен измеритель давления, дно выполнено в виде мембраны, отделяющей измерительную емкость от пневматической камеры с размещенным в ней соплом, соединенным с атмосферой, и подключенной через дроссель к линии питания.
Недостатком прототипа является то, что с его помощью сложно проводить многократные измерения, позволяющие в значительной степени снизить влияние случайных факторов на точность получаемых результатов.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерений.
Для решения данной задачи предложено устройство контроля плотности, содержащее измерительную емкость с крышкой, к верхней части которой подключен измеритель давления, дно выполнено в виде мембраны, отделяющей измерительную емкость от пневматической камеры с размещенным в ней соплом, соединенным с атмосферой, и подключенной через дроссель к линии питания, к измерительной емкости подключена камера переменного объема с размещенными внутри нее поршнем и пружиной, соединенной с пневматической камерой и с первым соплом пневматического клапана, во второе сопло которого подключена измерительная емкость, сопловая камера с размещенным первым соплом соединена с атмосферой непосредственно, к сопловой камере с размещенным вторым соплом подключен дроссель, выход которого соединен с атмосферой, камера управления пневматического реле присоединена к пневматическому тумблеру.
Устройство контроля плотности представлено на фиг.1.
пит
Устройство состоит из измерительной емкости 1, герметично закрываемой крышкой 2, внутрь которого помещено контролируемое вещество, материал или изделие 3. Контролируемое вещество 3 воздействует на мембрану 4, отделяющую измерительную емкость 1 от камеры 5, в которую помещено сопло 6 соединенное с атмосферой. В камеру 5 через дроссель 7 поступает давление питания Р. Кроме того, камера 5 соединена с полостью 8 емкости переменного объема 9. В емкости переменною объема 9 размещены пружина 10 и поршень 11. К полости измерительной емкости 1 подключен манометр 12. Камера 5 и полость измерительной емкости 1 подключены к соплам 13 и 14 установленным в камерах 15 и 16, соответственно, сдвоенного пневматического клапана 17. В камеру 18 подключен выход пневматического тумблера 19. В камеры 20 и 21 подано давление подпора. Камера 15 непосредственно, камера 16 через дроссель 22 соединены с атмосферой.
в
Принцип действия устройства контроля плотности заключается в следующем. Контролируемое вещество 3 объемом V помещают в измерительную емкость 1 и герметично закрывают крышкой 2. На мембрану 4 со стороны емкости 1 действует сила тяжести контролируемого вещества
1
в
F=mg,
в
2
1
2
где m - масса вещества, кг; g - ускорение свободного падения, м/с, и сила F от давления P в измерительной емкости 1
2
4
1
F=SP,
4
2
где S - эффективная площадь мембраны 4, м.
5
1
2
Под действием этих сил происходит деформация мембраны 4 и сопло 6 прикрывается. Давление P в камере 5 растет до значения, сила от действия которого на мембрану 4 уравновешивает действие суммы сил (F+F) со стороны измерительной емкости 1, т.е.
откуда
19
19
10
Процесс измерения начинается подачей с выхода пневматического тумблера 19 давления P=1 в камеру управления 18 сдвоенного пневматического клапана 17. Под действием давления P=1 мембранные блоки клапана 17 перемещаются, что приводит к закрытию сопл 13 и 14, а следовательно, к отключению полости 8 и измерительной емкости 1 от атмосферы. Начинается процесс заполнения газом полости 8, что приводит к росту давления P в ней и возрастанию силы, действующей на поверхность поршня 11. Под действием этой силы поршень 11 перемещается и растягивает пружину 10.
Перемещение поршня 11 прекращается, как только сила, действующая на него со стороны полости 8, уравновесится силой со стороны измерительной емкости 1, т.е.
11
10
2
где S - площадь поршня, м; c - жесткость пружины 10, Н/м; Δl - удлинение пружины 10, м.
5
Подставляя P из (2) в (3), определим перемещение поршня, соответствующее удлинению пружины, в виде
В начальный момент времени (до перемещения поршня 14) состояние газа в измерительной емкости 1 будет описываться уравнением газового состояния в виде
1н
1
3
где P - начальное абсолютное давление в емкости 1, Па; V - объем измерительной емкости 1, м; θ - масса газа в емкости 1, кг; R - газовая постоянная, Дж/кг К; T - абсолютная температура, K.
1
11
После перемещения поршня 11 начальный объем емкости 1 уменьшится на ΔV=ΔlS, а давление увеличится на ΔP. С учетом этого уравнение газового состояния (5) примет вид
Согласно закону Бойля-Мариотта из (5) и (6) с учетом (4) получим
3
здесь  - постоянный для данной конструкции коэффициент, м/кг.
19
p
После окончания измерительного процесса на выходе пневмотумблера 19 формируют сигнал P=0, которым изменяют состояние пневматического клапана 17. Под действием давления подпора поданного в камеры 20 и 21 пневмоклапана 17 открываются сопла 14 и 13. Полость 8 емкости переменного объема 9 и измерительная емкость 1 соединяются с атмосферой. Сопловая камера 16 соединена с атмосферой через дроссель 20. За счет такого подключения уменьшается скорость разгрузки измерительной емкости 1. Так как полость 8 соединена через сопло 13 и сопловую камеру 15 с атмосферой непосредственно, то на  поршень 11 в течение времени t разгрузки измерительной емкости будет действовать давление
,
1
В
нр
где  - постоянная времени апериодического звена, состоящее из емкости с объемом (V-V) и дросселя 22 с проводимостью β, c; P - давление в измерительной емкости на начало ее разгрузки, Па.
нр
Возврат поршня 11 в исходное состояние происходит за счет силы возвратного действия пружины 10 и силы от давления P на площадь поршня 11.
19
Новое измерение того же вещества начинается поле подачи с выхода пневматического тумблера 19 командного давления P=1.
Таким образом, рассмотренное пневмометрическое компрессионное устройство контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем позволяет осуществить автоматизацию контроля плотности простыми и дешевыми средствами в едином измерительном процессе. Упрощается процесс многократных измерений, позволяющий в значительной степени снизить влияние случайных факторов на точность получаемых результатов.