УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ
DENSITY CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем и тел неправильной 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, 1989. - 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, принятым 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 подключенным через дроссель к линии питания.
Недостатком прототипа является невысокая точность измерения из-за неоднозначности получаемого результата вследствие влияния объема измерительной емкости.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерений.
Для решения данной задачи предложено устройство контроля плотности, содержащее измерительную емкость с крышкой, к которой подключен измеритель давления, дно выполнено в виде мембраны, отделяющей измерительную емкость от пневматической камеры с размещенным в ней соплом, соединенным с атмосферой и подключенным через дроссель к линии питания, к измерительной емкости подключена камера переменного объема, внутри которой размещены поршень и пружина, вход управления камеры переменного объема соединен с соплом первого пневматического клапана и с выходом пневматического сумматора, сопло второго пневматического клапана соединено с измерительной емкостью и с камерой переменного объема, сопловые камеры первого и второго пневматических клапанов соединены с атмосферой, а входы управления первого и второго клапанов подключены к выходу первого пневматического тумблера, измерительная емкость подключена в сопло третьего пневматического клапана и к первому входу пневматического сумматора, второй вход которого соединен с сопловой камерой третьего пневматического клапана, в камеру управления которого присоединен выход второго пневматического тумблера.
пит
Устройство контроля плотности представлено на фиг.1. Оно состоит из измерительной емкости 1 герметично закрываемой крышкой 2, внутрь которой 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 (тип П2Д.4) поступает давление питания Р. Камера 5 подключена к соплу 8, установленному в камере 9 нормально закрытого клапана 10 (П3К.1), и входу 11 сумматора 12. Камера 9 клапана 10 соединена с входом 13 сумматора 12. Выход сумматора 12 соединен с полостью 14 емкости переменного объема 15 и подключен к соплу 16, установленному в камере 17 пневматического нормально открытого клапана 18 (П3К.1). Полость измерительной емкости 1 подключена к соплу 20, установленному в камере 21 нормально открытого клапана 22 (П3К.1).
В емкости переменного объема 15 размещены пружина 23 и поршень 24. К измерительной емкости 1 подключен манометр 25 (тип МО 11201). Камера 26 клапана 18 и камера 27 соединена с выходом пневматического тумблера 28 (П1Т.2). Камера 17 непосредственно, а камера 21 через дроссель 29 соединены с атмосферой.
в
В основу работы устройства контроля плотности ρ положен компрессионный пневмометрический метод.
На мембрану 4 со стороны емкости 1 действуют сила тяжести контролируемого вещества
1
в
F=mg,
в
2
где m - масса вещества, кг; g - ускорение свободного падения, м/с,
2
1
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, при котором сила действующая на мембрану 4, уравновешивает действие суммы сил (F+F) со стороны измерительной емкости 1, т.е.
5
4
1
4
в
PS=PS+mg,
откуда
30
13
атм
До помещения контролируемого материала в полость измерительной емкости 1 подают в камеру управления 31 клапана 10 сигнала Р=1 с выхода пневматического тумблера 30. В камере 13 сумматора 12 запоминается давление P=Р.
5
12
5
После помещения в измерительную емкость 1 контролируемого материала 3 и ее герметизации формируется давление P. На выходе сумматора 12 при этом будет давление P=P.
28
28
Процесс измерения начинается подачей с выхода пневматического тумблера 28 давления P=1 в камеры управления 21 и 26 пневматических клапанов 18 и 22 (П3К.1). Одноконтактные клапаны имеют мембранные блоки, состоящие из двух мембран, соединенных жестким стержнем и образующих две камеры. При снятии управляющих давлений от тумблеров 28 и 30 возвращаются в исходные положения за счет действия давления подпора. При подаче давления управления Р в камеры 26 и 27 пневматических клапанов 18 и 22 происходит закрытие сопел 16 и 20. Полость 14 емкости переменного объема 15 и измерительная емкость 1 отключаются от атмосферы.
14
Начинается процесс заполнения газом полости 14, что приводит к росту давления Р в ней и возрастанию силы, действующей на поверхность поршня 24. Под действием этой силы поршень 24 перемещается и растягивает пружину 23.
Перемещение поршня 24 прекращается, как только сила, действующая на него со стороны полости 14, уравновесится силой от давления со стороны измерительной емкости 1, т.е.
24
23
2
где S - площадь поршня, м; с - жесткость пружины 23, Н/м; Δl - удлинение пружины 23, м.
5
Подставляя P из (1) в (2), определим перемещение поршня, соответствующее удлинению пружины, в виде
В начальный момент времени (до перемещения поршня 24) состояние газа в измерительной емкости 1 будет описываться уравнением газового состояния в виде
атм
атм
1
в
3
3
где Р - начальное абсолютное давление в емкости 1, равное атмосферному Р, Па; V - объем измерительной емкости 1, м; V - объем контролируемого вещества, м; Θ - масса газа в емкости 1, кг; R - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T - абсолютная температура, К.
1
24
После перемещения поршня 24 начальный объем емкости 1 уменьшится на ΔV=Δl S, а давление увеличится на ΔР. С учетом этого уравнение газового состояния (4) примет вид
Согласно закону Бойля-Мариотта из (4) и (5) с учетом (3) получим
или
3
здесь  - постоянный для данной конструкции коэффициент, м/кг.
28
p
После окончания первой стадии измерительного процесса на выходе пневматического тумблера 28 формируют сигнал P=0, которым изменяют состояние пневматических клапанов 18 и 22. Под действием давления подпора открываются сопла 16 и 20. Полость 14 емкости переменного объема 15 и измерительная емкость 1 соединяются с атмосферой. Сопловая камера 21 соединена с атмосферой через дроссель 29. За счет такого подключения уменьшается скорость разгрузки измерительной емкости 1. Так как полость 14 соединена через сопло 16 и сопловую камеру 17 с атмосферой непосредственно, то на поршень 24 в течение времени t разгрузки измерительной емкости будет действовать давление
1
B
1н
где  - постоянная времени апериодического звена, состоящего из емкости с объемом (V-V) и дросселя 29 с проводимостью β, с; ΔР - давление в измерительной емкости 1 на начало ее разгрузки, Па.
1
24
Возврат поршня 24 в исходное состояние происходит за счет силы возвратного действия пружины 23 и силы от давления ΔР на площадь S поршня 24.
1
B
1
В уравнение (7) входит разность объемов V-V, которая не позволяет получить однозначную зависимость ΔР от плотности контролируемого материала. Для исключения такого состояния необходимо исключить влияние объема V измерительной камеры на результат измерений.
30
30
5
После первого этапа измерения на выходе тумблера 30 формируют давление Р=1, под действием которого сопло 8 открывается, и давление  подается на вход 13 сумматора 12. При подаче сигнала Р=0 происходит запоминание давления P в камере 13 элемента сравнения 12.
28
Контролируемый материал 3 извлекают из измерительной емкости 1. Измерительную емкость 1 герметично закрывают крышкой 2 и подают давление P=1 с выхода пневматического тумблера 28 в камеры управления 26 и 27 клапанов 18 и 22. В полость 14 емкости переменного объема 15 поступит с выхода сумматора 12 давление
1
где ΔP - увеличение давления в измерительной емкости 1 при отсутствии контролируемого материала, Па.
Равновесие в измерительной системе наступит, когда давление в ней изменится на величину
Здесь
Вычитая из уравнения (8) уравнение (6), после преобразования получим
в
3
где ν- удельный объем вещества, м/кг.
Таким образом, рассмотренное пневмометрическое компрессионное устройство контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем позволяет увеличить точность и осуществить контроль простыми и дешевыми средствами.