ДАТЧИК ВИБРАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА
SENSOR OF VIBRATION DENSIMETER

Предлагаемое изобретение относится к приборам для измерения плотности и вязкости жидких и газообразных сред, например жидких и газообразных углеводородных топлив. Датчик вибрационного плотномера может быть использован во многих отраслях промышленности, когда требуется измерить плотность, вязкость жидкостей, или их комбинацию.
Известен плотномер [1], 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 [2], 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 от давления измерения параметров исследуемой среды.
Известен датчик-зонд [3], 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 среды (жидкости или газа) 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 среды жидкости.
Наиболее близким техническим решением является датчик вибрационного плотномера [4], содержит корпус, закрепленный в нем полый цилиндрический резонатор, омываемый с внутренней и наружной сторон и имеющий фланец и пьезоэлементы, отделенные от контролируемой среды и установленные в кольцевой полости фланца. Контролируемая среда (жидкость или газ) омывает резонатор с обеих сторон. Установка пьезоэлементов на фланце резонатора позволяет устранить дополнительную массу с резонатора и устранить контакт пьезоэлементов с чувствительной частью резонатора, и тем самым повысить добротность резонатора и чувствительность датчика.
Недостатком датчика вибрационного плотномера является то, что обе стороны жестко крепятся: одна к трубке резонатора, другая к корпусу, обеспечивающему герметизацию пьезоэлементов. Сборка и герметизация пьезоэлементов вибрационного плотномера с применением сварки, пайки, клейки приводит к возникновению механических напряжений и резонансов на паразитных частотах прежде всего в трубке и фланце резонатора, что уменьшает добротность резонатора, и для устранения которых приходится применять дополнительные механические и термические технологические операции в процессе сборки вибрационного плотномера.
Задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить механические напряжения в трубке и фланце резонатора, устранить их влияние на передачу паразитных механических колебаний от фланца к трубке резонатора.
Задача решается тем, что на внутренней поверхности цилиндрического резонатора на расстоянии от плоскости сопряжения внутренней торцевой поверхности кольцевой полости фланца резонатора (поверхности размещения возбуждающих и принимающих частоту пьезоэлементов) и трубки резонатора, равном или меньшем толщины оболочки трубки резонатора, имеются круговая канавка шириной, равной или большей толщины оболочки трубки резонатора, на глубину, равную или большую толщины оболочки трубки резонатора, и с наружной цилиндрической поверхности фланца до плоскости сопряжения цилиндрического резонатора с торцом фланца сплошная проточка на глубину, равную или большую толщины наружной оболочки полости фланца.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении механической связи фланца с трубкой резонатора, что позволяет повысить добротность резонатора и точность плотномера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - схематический частичный разрез датчика плотномера в месте расположения возбуждающего или приемного пьезоэлемента; фиг.2 - вариант исполнения датчика плотномера; фиг.3 - трубка резонатора с фланцем в продольном сечении; фиг.4 - элемент сопряжения трубки резонатора с фланцем в сечении; фиг.5-фиг.10 - варианты исполнения круговой канавки на внутренней поверхности цилиндрического резонатора.
п1
п2
Элемент вибратора в сечении представлен на фиг.1, где 1 - резонатор, 2 - фланец, 3 - пьезоэлемент. Момент воздействия пьезоэлементов на тонкостенную часть трубки резонатора равен М=F∗h где: F - сила воздействия пьезоэлементов на фланец; h - расстояние от точки воздействия силы пьезоэлементов до трубки резонатора. Это обстоятельство позволяет значительно уменьшить мощность, необходимую для создания колебаний вибратора. Полый цилиндрический резонатор 1 с фланцем 2 фиг.2 закреплен в корпусе 4 или в его заглушке с помощью полых опор 5 так, что контролируемая среда (жидкость или газ) омывает резонатор, как с наружной, так и с внутренней стороны. Во внутренней кольцевой полости 6 фланца 2 к ее внутренней поверхности с помощью контакта 7, изолятора 8, прокладки 9 и пружины 10 поджат пьезоэлемент 3. Пружина необходима для обеспечения усилия поджатия при изменении линейных размеров деталей под действием температуры. В качестве такого упругого элемента могут быть применены, например, тарельчатые пружины. Полость 6 с пьезоэлементом герметизируется крышкой 11, приваренной к фланцу с помощью сварных швов 12,13, а провода 14, служащие электрическим выводом пьезоэлементов, проходят через полые опоры резонатора на штепсельный разъем датчика. Для возбуждения колебаний резонатора на электроды пьезоэлемента 3 подается переменное напряжение резонансной частоты. Пьезоэлемент под действием приложенного напряжения колеблется с изменением толщины и, будучи поджат к поверхности фланца 2, вызывает изгибные колебания фланца. Так как фланец 2 непосредственно связан с тонкостенной частью резонатора, его колебания вызывают колебания резонатора 1. Аналогичную конструкцию имеет устройство измерения колебаний. В этом случае деформации фланца вызывают сжатие пьезоэлемента, а с его электродов снимается переменное напряжение, частота которого соответствует частоте колебаний резонатора и служит параметром, характеризующим плотность и вязкость среды, в которую погружен резонатор 1. При герметизации внутренней кольцевой полости 6 фланца 2 сварными швами 12 и 13 во фланце 2 резонатор 1 возникают механические напряжения, которые приводят к появлению механических колебаний и резонансов на паразитных частотах прежде всего в трубке и фланце 2 резонатора 7, что уменьшает добротность резонатора 1. Для снижения передачи паразитных механических колебаний от фланца 2 к тонкостенной части трубки резонатора 1 на внутренней поверхности резонатора 1 на расстоянии от плоскости сопряжения внутренней торцевой поверхности кольцевой полости 6 фланца 2 резонатора и трубки резонатора, равном или меньшем толщины оболочки трубки резонатора, выполнены: круговая канавка 75 шириной d, равной или большей толщины оболочки трубки резонатора 1 на глубину, равную или большую толщины оболочки трубки резонатора 1, сплошная проточка 16 с наружной стороны цилиндра фланца до плоскости сопряжения трубки резонатора 1 с торцом фланца на глубину, равную или большую толщины оболочки кольцевой полости 6 фланца 2. Благодаря тому, что механический контакт трубки резонатора 1 с областью фланца 2 со сварными швами 12, 13 осуществляется фиг.3 через перемычку 17 толщиной l и перемычку 18 толщиной l, образованными при изготовлении круговой канавки 15 и проточки 16,что уменьшает механические напряжения в трубке и фланце резонатора 1 и передачу паразитных механических колебаний от фланца к трубке резонатора без снижения его добротности. Заполнение полости, образованной круговой канавкой 15 на внутренней поверхности цилиндрического резонатора, клеем или герметиком 19, фиг.4 заподлицо с внутренней поверхностью цилиндрического резонатора 1, исключает ее загрязнение и уменьшение добротности резонатора 1. Круговая канавка 15 на внутренней поверхности цилиндрического резонатора в продольном сечении может иметь различную геометрическую форму: прямоугольную на фиг.1 - фиг.4, равнобедренного треугольника 20 со стороной с прилегающими равными углами, сопряженной с внутренней поверхностью резонатора фиг.5, равнобедренной трапеции 21, по основанию сопряженной с внутренней поверхностью резонатора фиг.6, половины круга 22 диаметром, равным ширине канавки, сопряженным с внутренней поверхностью резонатора фиг.7, прямоугольника 23 с равнобедренным треугольником 24 и сопряженных по меньшей стороне прямоугольника и стороне треугольника с прилегающими равными углами и сопряженную второй меньшей стороной прямоугольника с внутренней поверхностью резонатора фиг.8, прямоугольника 23 с равнобедренной трапецией 25 и сопряженных по малой стороне прямоугольника и основанию трапеции и сопряженную второй меньшей стороной прямоугольника с внутренней поверхностью резонатора фиг.9, прямоугольника 23 с половиной круга 26, сопряженных по малой стороне прямоугольника и диаметру круга и сопряженную второй меньшей стороной прямоугольника с внутренней поверхностью резонатора фиг.10.
Преимуществом предлагаемого устройства также является то, что задача увеличения добротности резонатора 1 и точности датчика плотности решена без использования дополнительных деталей. Увеличен выход годных датчиков плотности после технологической операции сборки с применением сварки, пайки, клейки.
Используемая литература:
1. Патент СССР № 633500, кл. G01N 9/00, 1976.
2. Заявка Японии № 54-41348, 1973.
3. Кевин Смит "Вибрационный датчик с цифровым выходом", Электроника "(Elektronics), 1980, № 16, с.15-16.
4. Патент RU №2024841, кл. G01N 9/32, 1991.