RU169441U1 - Вибрационное устройство для определения параметров среды - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения плотности и вязкости жидких сред в резервуарах и трубопроводах под давлением в процессе течения жидкости по трубопроводу. Устройство для определения плотности и вязкости жидкости содержит цилиндрический корпус, к одному из торцов которого, закрытому мембраной, прикреплены две симметричные лопасти, образующие механическую колебательную систему вибратор типа камертона, погружаемый в измеряемую среду. В полости корпуса размещены кольцеобразные пьезоэлектрические элементы, смонтированные в виде двух групп, одна из которых служит для преобразования возбуждающего сигнала напряжения переменного тока в механические колебания вибратора, а другая - для преобразования механических напряжений сжатия вдоль оси симметрии полости в электрический сигнал обратной связи, выводимый на измерительный прибор. При изменении частоты возбуждающего сигнала фиксируется резонансная частота, соответствующая максимальной амплитуде сигнала обратной связи либо определенному углу фазового сдвига между возбуждающим и принимаемым электрическими сигналами. Резонансная частота понижается по мере увеличения плотности измеряемой среды, что позволяет определить величину этой плотности, а измерение ширины резонансной кривой дает информацию о вязкости среды. Устройство дополнительно содержит металлическую трубку-буфер, диаметр которой существенно меньше диаметра корпуса, помещаемую между корпусом и фланцем. Диаметр трубки-буфера D=(0.6±0.03)⋅D, где D- диаметр корпуса, длина трубки-буфера не менее 0.95⋅D. Техническим результатом является повышение точности

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения плотности и вязкости жидких сред в резервуарах и трубопроводах под давлением в процессе течения жидкости по трубопроводу.

Известен вибрационный плотномер-вискозиметр [1], содержащий полый камертонный резонатор, состоящий из двух параллельных трубок, скрепленных по концам полыми перемычками, причем при протекании измеряемой среды по трубкам, приводимым системой возбуждения в режим автоколебаний, измеряются частота и амплитуда колебаний трубок. Частота является мерой плотности жидкости, а амплитуда - мерой обобщенной характеристики жидкости, определяемой произведением вязкости на плотность. Недостатком данного устройства является то, что оно приспособлено к определению характеристик жидкости в лабораторных условиях и не пригодно для измерения характеристик жидкости в резервуарах и трубопроводах в режиме непрерывного контроля.

Известен вибрационный датчик для определения плотности жидкости [2], содержащий корпус-держатель с двумя рабочими вибраторами, колебания которых возбуждаются магнитными активаторами, выполненными на основе постоянных самарий-кобальтовых магнитов, которые служат как для системы измерения амплитуды колебаний вибраторов, так и для системы привода.

Недостатком известного устройства является применение магнитных активаторов, неизбежно порождающих магнитные поля в измеряемой среде, которые могут вызвать налипание ферромагнитных примесей на поверхность вибраторов, что изменит их массу и собственную частоту и тем самым приведет к ошибкам в измерении плотности жидкости.

Известны также лишенные этого недостатка устройства вибрационного типа, используемые в качестве сигнализаторов уровня жидкости, с двухлопастным вибратором типа камертона, в которых колебания возбуждаются пьезоэлектрическими элементами, расположенными внутри трубчатого корпуса, а сигнал обратной связи регистрируется другими пьезоэлектрическими элементами, расположенными там же [3, 4]. Однако действие этих устройств основано на регистрации некоторого достаточно большого уровня понижения резонансной частоты и не требует точного ее определения, необходимого для измерения плотности жидкости. Тем не менее, принцип применения вибраторов, возбуждаемых пьезоэлектрическими элементами, может быть положен в основу устройств для измерения плотности жидкостей и газов.

Наиболее конструктивно близким к заявляемому устройству является плотномер 804 [5]. Принцип действия плотномеров 804 основан на измерении резонансной частоты механических колебаний чувствительного элемента, погруженного в измеряемую жидкость, и преобразовании частоты в выходной сигнал, пропорциональный плотности жидкости. Плотномеры 804 устанавливаются непосредственно в трубопровод или емкость с исследуемой жидкостью или газом. Конструктивно плотномеры 804 состоят из первичного преобразователя и электронного блока. Первичный преобразователь представляет собой стальной трубчатый корпус с чувствительным элементом в виде камертона. Внутри корпуса закреплен пьезоэлектрический преобразователь. Чувствительный элемент полностью погружен в измеряемую среду. Автогенератор электронного блока с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждает колебания камертона чувствительного элемента. Сигнал обратной связи принимается другой группой пьезоэлектрических элементов. Максимальная амплитуда этого сигнала свидетельствует о достижении резонансной частоты, по величине которой и вычисляется плотность измеряемой среды.

Недостатком этого устройства-прототипа является относительно невысокая точность измерения плотности. Калибровка плотномеров выполняется для двух классов точности с абсолютными погрешностями 0,5 или 1,0 кг/м³. В то же время современный уровень техники в ряде случаев требует существенно большей точности измерения плотности. Относительно невысокий уровень точности обусловлен, прежде всего, отсутствием должного контроля температуры устройства. Известно, что упругие константы металлов могут существенным образом изменяться при изменении температуры, что отражается на резонансной частоте металлического вибратора-камертона. Кроме того, закрепление датчика на корпусе резервуара либо трубопровода создает механическую связь, также влияющую на резонансную частоту вибратора.

С целью повышения эффективности работы заявляемого устройства и точности измерения плотности и вязкости жидкой среды разработана конструкция датчика, показанная на фиг. 1. На фиг. 1 показана

часть датчика в разрезе по плоскости симметрии. Датчик имеет металлический (стальной) цилиндрический корпус (1), закрытый снизу мембраной (2), соединенной с двумя симметричными штангами-лопастями (3), образующими вместе с мембраной вибратор типа камертона. Внутри корпуса в центре мембраны имеется выступ-пята (4), на которую опирается металлический стержень (5), заканчивающийся расширением - подпятником (6). На стержне собран пакет кольцеобразных пьезоэлектрических элементов (7, 8), изоляторов (9) и колец-вставок (10), служащих для компенсации термического расширения при изменениях температуры. Этой же цели служат и латунная деталь (11), имеющая прорези для вывода проводников, и деталь (12), изготовляемая из титанового сплава.

Пьезоэлектрические элементы составлены во встречно-поляризованные пары. Три верхние пары пьезоэлектрических элементов являются электромеханическим преобразователем: на их электроды подается переменный электрический сигнал, преобразующийся в механические напряжения сжатия-растяжения вдоль вертикальной оси, передающиеся через подпятник и пяту на мембрану и вызывающие прогибы мембраны и боковые смещения связанных с ней лопастей. Таким образом возбуждаются колебания вибратора, достигающие на резонансной частоте максимальной амплитуды. В свою очередь, нижняя пара пьезоэлектрических элементов преобразует напряжения сжатия-растяжения во вторичный электрический сигнал обратной связи, выводимый проводниками на регистраторы, фиксирующие амплитуду и фазу вторичного сигнала. При изменении частоты возбуждающего сигнала фиксируется резонансная частота, соответствующая максимальной амплитуде сигнала обратной связи, либо определенному углу фазового сдвига между возбуждающим сигналом и сигналом обратной связи. Резонансная частота понижается по мере увеличения плотности среды, окружающей лопасти, что позволяет определить величину плотности среды. По фиксированным углам сдвига фаз, равным 45° и 135°, определяется ширина резонансной кривой, являющаяся мерой добротности колебательной системы и вязкости среды.

С целью повышения точности измерения плотности и вязкости среды конструкция дополнена металлической трубкой (13), диаметр которой существенно меньше диаметра корпуса, расположенной между корпусом и фланцем (14), внутри которой находится канал для вывода электрических проводников. Эта трубка-буфер обеспечивает, во-первых, механическую развязку вибратора с корпусом резервуара (трубопровода) и снижает влияние посторонних механических возмущений на колебания вибратора. Во-вторых, удаление вибратора от корпуса резервуара (трубопровода) обеспечивает близость температуры вибратора к температуре измеряемой среды за счет снижения теплообмена с поверхностями, имеющими наружную температуру. Датчик температуры (15), помещенный внутри корпуса вибратора вблизи мембраны, фиксирует температуру, близкую к температуре колеблющихся лопастей, что при известной зависимости упругих констант металла от температуры позволяет вносить необходимые поправки и тем самым существенно повышать точность измерения плотности и вязкости среды.

Расчеты характеристик модели велись методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS.

В реальной модели буфер-трубка с размерами ∅12×∅6×23 мм вставлена между корпусом и штуцером плотномера.

На фиг. 2 показаны низкочастотные моды собственных колебаний. Основная мода (а) - симметричные камертонные колебания со встречными (противофазными) колебаниями лопастей. Частота этой моды при данных размерах модели равна 1.468 кГц. Наряду с ней механическими вибрациями может возбуждаться мода с асимметричными (синфазными) колебаниями лопастей (б). Расчет показывает, что если длину буфера свести к нулю, то частоты этих двух мод оказываются близки друг к другу, что весьма нежелательно, поскольку это может вносить значительные искажения в резонансную кривую. Как показано на фиг. 3, на частотной характеристике виброчувствительности K_a(f) модель без буфера имеет широкий двойной пик, поскольку частота моды (б) оказывается очень близка к моде (а): 1.4605 кГц. Сравнение с частотной характеристикой виброчувствительности реальной модели показывает, что буфер снижает виброчувствительность на порядок. Дополнительный пик виброчувствительности, соответствующий моде (б) смещается при этом до 0.8887 кГц и оказывается вдали от области рабочих частот плотномера. На фиг. 4 представлен ряд расчетных частотных характеристик виброчувствительности K_a(f), рассчитанных при различных величинах длины буфера L_b. С увеличением L_b частота дополнительного пика понижается, а амплитуда возрастает, оставаясь, однако, намного меньше, чем амплитуда K_a без буфера (фиг. 3). Важно, что наличие буфера приводит к разнесению частот основной камертонной моды колебаний и дополнительной асимметричной моды, что обеспечивает точность измерения резонансной частоты.

На фиг. 5 показано изменение собственных частот и виброчувствительности датчика в зависимости от относительного диаметра буфера D_b/D₀, где D_b - диаметр буфера, D₀ - диаметр корпуса датчика. Частота симметричной камертонной моды колебаний резонатора практически постоянна, тогда как частота асимметричной моды снижается с уменьшением диаметра буфера. Величина виброчувствительности, определяемая более высоким пиком асимметричной моды, имеет минимум в окрестности D_b/D₀≈0.6. Это позволяет рекомендовать отношение D_b/D₀=0.6±0.03 как оптимальное по виброчувствительности.

С точки зрения уменьшения виброчувствительности было бы целесообразно выбрать конструкцию с буфером небольшой длины, например L_b=5 мм. Однако буфер играет еще и другую важную роль - термической развязки плотномера с наружной температурой.

При точных измерениях частот необходимо учитывать поправки, обусловленные зависимостью упругих констант металла от температуры. Температура в теле датчика распределена, вообще говоря, неоднородно, поскольку температура T₀ измеряемой среды в трубопроводе может весьма существенно отличаться от температуры T₁ вне трубопровода. Градиенты температуры в теле датчика приводят к тепловым потокам. Для резонансной частоты камертонных колебаний определяющую роль играет именно температура лопастей. Поэтому датчик температуры, помещаемый внутри корпуса плотномера, должен располагаться по возможности близко к лопастям. В реальной модели он расположен вблизи середины полости, как это показано на фиг. 1.

Исследование распределения температур в теле датчика методом конечных элементов позволяет оценить степень соответствия температуры, измеряемой датчиком, температуре лопастей. Для этой оценки принимаются предположения о следующих граничных условиях. Температура исследуемой жидкости принимается за 0°C, а наружная температура за 20°C. В жидкости выделяется некоторый тонкий слой - «рубашка», окутывающий тело плотномера (фиг. 6) и обладающий плотностью, теплоемкостью и теплопроводностью жидкости (нефти). На внешней поверхности этого переходного слоя задается температура 0°C. На поверхностях плотномера, находящихся вне резервуара (трубопровода), как и на самой внешней поверхности трубопровода, которая моделируется цилиндрической крышкой, задается температура 20°C. При этих условиях рассчитывается распределение температур в теле плотномера.

На фиг. 7 представлены расчетные картины распределения температур в теле плотномера, наглядно иллюстрирующие роль буфера в приближении температуры внутри полости плотномера к температуре лопастей. Как видно из фиг. 7в, длинный буфер «берет на себя» основной перепад температур и обеспечивает близость измеряемой температуры к температуре лопастей.

На фиг. 8а показаны расчетные зависимости температур середины лопасти, стенки корпуса у дна полости и стенки корпуса посредине полости от длины буфера L_b.

Обобщая результаты, обозначим ΔT=T₁-T₀ - разность наружной температуры и температуры жидкости, а δT - разность температуры, измеряемой датчиком и температуры лопастей; тогда отношение δT/ΔT - характеристика относительной погрешности измерения температуры. Зависимость отношения δT/ΔT от относительной длины буфера представлена на фиг. 8б. Как видно из фиг. 8б, длинный буфер (25 мм) обеспечивает на порядок лучшее приближение температур, чем короткий (2.5 мм). При длине буфера L_b>0.95⋅D₀ величина δT/ΔT становится меньше 0.001. Отметим, что в отсутствие буфера величина δT/ΔT достигает 0.055.

Таким образом, расчеты подтверждают роль важного конструктивного элемента - буфера как механического виброизолятора и как термоизолятора, обеспечивающего достижение поставленной цели - существенное повышение точности измерения плотности и вязкости жидкости в резервуарах и трубопроводах.

Сущность полезной модели поясняется приложенными чертежами.

На фиг. 1 показана геометрическая модель устройства: 1 - корпус, 2 - мембрана, 3 - лопасти, 4 - пята, 5 - стержень, 6 - подпятник, 7-8 - пьезоэлектрические элементы, 9 - изоляторы, 10 - латунные вставки, 11 - вставка с прорезями, 12 - вставка из титанового сплава, 13 - буфер, 14 - штуцер, 15 - датчик температуры.

На фиг. 2 показан характер колебаний камертона на основной (симметричной) моде колебаний (а) и дополнительной (асимметричной) моде (б).

На фиг. 3 приведены расчетные частотные характеристики виброчувствительности устройства без буфера и с буфером.

На фиг. 4 показаны расчетные характеристики виброчувствительности при различных величинах длины буфера L_b.

На фиг. 5 показано изменение собственных частот (а) и виброчувствительности (б) в зависимости от относительного диаметра буфера D_b/D₀.

На фиг. 6 показана геометрическая модель плотномера с «рубашкой» - выделенным слоем жидкости, окружающей устройство.

На фиг. 7 приведены расчетные картины распределения температур в теле плотномера: а - модель плотномера без буфера; б - буфер длиной 5 мм; в - буфер длиной 23 мм.

На фиг. 8а представлены расчетные зависимости температур лопастей, температуры стенки корпуса вблизи мембраны и температуры стенки посредине полости от длины буфера; б - зависимость относительной основной погрешности измерения температуры от относительной длины буфера.

Источники информации

1. Патент на изобретение SU 898288: Вибрационный плотномер-вискозиметр.

2. Патент на изобретение RU 2455628: Вибрационный датчик для определения плотности жидкости.

3. Патент на изобретение WO 0166269 (A1): Device for determining and/or monitoring a predetermined level in a container.

4. Патент на изобретение RU 2406980 C2: Устройство для контроля предельного уровня в емкости.

5. http://www.piezoelectric.ru/TechDocumentation.php.

Claims (1)

1. Вибрационное устройство для измерения плотности и/или вязкости жидкости, включая нефть в резервуаре или трубопроводе, содержащее корпус с чувствительным элементом в виде камертона с двумя лопастями, образующими колебательную систему, возбуждаемую пьезоэлектрическими элементами, расположенными внутри корпуса, измерение резонансной частоты которой дает информацию о плотности жидкости, а измерение ширины резонансной кривой - информацию о вязкости, а также фланец для крепления устройства, отличающееся тем, что оно включает металлическую трубку-буфер диаметром D_b=(0.6±0.03)⋅D₀, где D₀ - диаметр корпуса, длиной не менее 0.95⋅D₀, расположенную между корпусом и фланцем.

Images