Вибрационный плотномер

Содержание

 

      1. Аннотация……………………………………………………………………...…4

2. Введение………………………………………….……………………....…...….5
3. Разработка принципиальной схемы…...……………………………….....……9
4. Теоретические исследования зависимостей плотномера.…...………………18
5. Разработка конструкции плотномера………………………..………………..27
6. Экономические расчеты……………………………………………………….39
7. Охрана окружающей среды, техники безопасности…………………………60
8. Технологические расчеты…………………………………………………..…76
9. Заключение……………………………………………………………………..83
10. Библиография………...………………………………………………………...84

 

1. Аннотация 

      В дипломном проекте представлен проект приспособления предназначенного для измерения плотности жидкости. 

      Графическая часть проекта  представлена на десяти форматах А1 и содержит:  

      - обзор материалов и средств измерения плотности;

      -  развернутую принципиальную схему вибрационного плотномера;

      - блок-схему измерительного устройства;

      - графики параметрического анализа функции преобразования измерительного устройства;

      -  конструкцию измерительного устройства;

      -  монтажную схему измерительного устройства;

      -  электромонтажную схему измерительного устройства;

      -  технологическую схему сборки плотномера. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Введение 

       В широкой номенклатуре средств аналитического контроля важное место занимают измерители плотности, которые на многих предприятиях могли бы давать основную информацию о параметрах технологических процессов, поскольку плотность определяет состав и свойства продукции. Весьма важным является измерение плотности жидких и газообразных веществ при их количественном учете в единицах массы, которая определяется по показаниям  плотномера  и  объемного расходомера. Однако широкому промышленному  использованию плотномеров  препятствует их несовершенство,   связанное   с низкими  метрологическими  показателями, трудоемкостью монтажа и обслуживания, большими габаритами и массой, малой надежностью и т.п.

       Основное   отличие   вибрационных   плотномеров   от   традиционных состоит в  том, что они непосредственно  преобразуют измеряемый параметр в частотно-модулированный сигнал без использования промежуточных преобразователей, что обеспечивает высокую точность измерения.  

       Основным  элементом частотных преобразователей является колебательный  контур или частотно-зависимая цепь с параметрами, определяемыми контролируемой величиной. Существуют измерители с электромагнитными   и   механическими   резонаторами,   причем   последние более   перспективны   для   точного измерения  различных параметров. Это объясняется тем, что добротность механических колебательных систем значительно  превосходит аналогичный параметр электромагнитных  контуров. Так если добротность последних составляет 10-200, то добротность механических резонаторов находится в пределах от нескольких сотен до нескольких десятков и даже сотен тысяч. В общем случае частотно-зависимые  элементы можно  использовать в режиме их свободных или вынужденных колебаний, однако подавляющее число преобразователей имеет автоколебательный режим работы.

       Принцип построения частотного преобразователя на базе механического  резонатора заключается в том, что контролируемый параметр, воздействуя на жесткость или массу системы, изменяет частоту ее колебаний. В качестве приемников и возбудителей колебаний используют различные электрические или пневматические преобразователи. Из числа электрических преобразователей, получивших наибольшее распространение, можно назвать электростатические, пьезоэлектрические, магнитострикционные, тензометрические, электромагнитные и магнитоэлектрические. Поскольку большинство этих преобразователей обратимы, то часто и возбудитель, и приемник колебаний выполняются в виде одинаковых преобразователей. В литературе нет указаний на какие-либо преимущества одной системы возбуждения перед другой, поэтому их выбор в каждом конкретном случае определяется конструктивными особенностями измерителя

       В настоящее время вибрационно-частотные  преобразователи с механическими резонаторами получили распространение для измерения механических величин, параметров упругих элементов, давления и разности давлений, температуры, вязкости жидкостей.

       Все частотные преобразователи классифицируют по механизму действия и типу физической системы, преобразующей контролируемую величину в частотный сигнал. По механизму действия вибрационные плотномеры относятся к резонаторным преобразователям, а по типу физической системы к механическим. По числу степеней свободы все колебательные системы, подразделяются на системы с сосредоточенными и распределенными параметрами, первые из которых представляют собой соединение элементов, сосредоточивающих в себе один из основных параметров: упругость и инерционность, причем изменение одного из них может происходить независимо от другого. Такие системы имеют одну степень свободы и одну резонансную частоту при фиксированных значениях параметров элементов. Для системы с распределенными параметрами характерно то, что каждый ее элемент в равной степени обладает упругостью и инерционностью. Оба эти параметра распределены по всей системе так, что изменение одного из них вызывает изменение другого. Такие системы имеют много степеней свободы и, соответственно, много резонансов. Добротность механической системы с распределенными параметрами обычно на 1-2 порядка выше добротности системы с сосредоточенными параметрами в сопоставимых размерах, что позволяет считать преобразователи с распределенными параметрами колебательных систем наиболее перспективными, обеспечивающими более высокую точность измерения.

       В зависимости от способа контакта механического резонатора с контролируемой средой различают проточные и погружные плотномеры. В первых жидкость протекает внутри резонатора и участвует в колебаниях как инертная масса, жестко связанная с ним. В таких приборах колебательная система, как правило, выполняется на основе трубчатых резонаторов. В погружных преобразователях механический резонатор помещают в контролируемую жидкость на некоторую глубину, и ее действие подобно действию некоторой "присоединенной массы", связанной с резонатором и увлекаемой им в колебательное движение. В этом случае в качестве резонаторов обычно используются пластины или оболочки. Передача колебательной энергии механическим резонаторам может производиться различными системами возбуждения колебаний, однако, наибольшее распространение в датчиках плотности получили электромагнитные, магнитоэлектрические и пьезоэлектрические системы возбуждения и съема колебаний. Как уже отмечалось, резонаторные датчики плотности могут использоваться в различных режимах движения: свободном, вынужденном и автоколебательном. В случае свободных колебаний резонатора возможно совмещение функций возбуждения и съема колебаний в одном преобразователе. Такие схемы удобны для систем обегающего контроля, когда одновременно используется большое количество датчиков с одним измерительным устройством.

       Частотные приборы с вынужденными колебаниями  характеризуются большей сложностью и меньшей точностью по сравнению с приборами, в которых используются свободные колебания и автоколебания, и применяются только в тех случаях, когда другие режимы использовать затруднительно или невозможно.

       Преобразователи с автоколебательным режимом  работы резонаторов в большинстве случаев просты по устройству и характеризуются высокой точностью, поэтому именно автоколебательные системы наиболее предпочтительны для вибрационных плотномеров. Такие устройства напоминают схему электронного автогенератора с той лишь разницей, что связь между выходом и входом генератора существует только во время колебаний механического резонатора, таким образом, последний является не только колебательным контуром, но и элементом обратной связи для строго определенной частоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Разработка принципиальной  схемы измерительного  устройства.

 

       На  сегодняшний день известно множество  устройств для измерения плотности жидкости. В данной пояснительной записке представлено пять схем для измерения плотности.

       I.

         

Рисунок 1. Камертонный вибрационный плотномер газов 

      На  рисунке 1 показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом 7, катушек возбуждения 3 с магнитом 7, камертона 10, расположенного в корпусе 5, и электронного усилителя 4. Частота колебаний системы на выходе усилителя 4 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих   колебаний,   определяющих   плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях. 

      II. 

 

Рисунок 2. Проточный вибрационный плотномер 

       На  рисунке 2 показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 (резонаторы), установленные в сильфонах 11 и скрепленные перемычками 6. Сильфоны 11 расположены в опорах. Указанные трубки, катушка 2, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 3 и электронный усилитель 4 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 4 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 8, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 9, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м³, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м³.

III.

 
Рисунок 3. Вибрационный погружной плотномер 

       Чувствительный  элемент состоит из лопатки 19, укрепленной на конце упругого стержня 20,  второй конец которого установлен в отверстие днища 21 корпуса 5. В корпусе установлены также системы возбуждения 3 и съема 2 колебаний, обеспечивающие колебания стержня в двух плоскостях.  Система возбуждения и съема включены в цепь усилителей   по  схеме автогенератора. Выходы усилителей  подключены к входам смесителя  частот, выход которого через низкочастотный фильтр  подключен к частотомеру. Стержень выполнен с нечетным числом слоев, например тремя, причем крайние слои изготовлены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, отличным от температурного коэффициента линейного расширения материала центрального слоя. Сечение стержня симметрично оси О₁ О₁ и относительно оси О₂ О₂, лежащих в плоскостях колебаний стержня.

       Плотномер работает следующим образом. Стержень 20 вместе с лопаткой 19 приводится в режим автоколебаний с частотами f₁ относительно оси О₁ О₁, и f₂ относительно оси О₂ О₂, для чего потери колебательной энергии стержня восполняются через цепи элементов 2 и 3. Сумма и разность частот f₁ и f₂ , образуются на выходе смесителя, а в низкочастотном фильтре выделяется разность частот f₁ - f₂ , которая не зависит от температуры стержня, а определяется только присоединенной массой жидкости к стержню, однозначно связываемая ее с плотностью. 

IV. 

Рисунок 4. Дифференциальный вибрационный плотномер

 
       На рисунке 4 изображена схема дифференциального вибрационного  плотномера. Устройство содержит два резонатора 1, выполненных заодно в виде двух сдвоенных камертонов, установленных на общих основаниях и имеющих ветви, расположенные во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Общие основания   камертонов  установлены на мембранных коробках 12, через которые они сообщаются с технологическим трубопроводом. Статический момент инерции I₁   сечения ветвей первого камертона относительно оси ХУ больше,  чем статический момент инерции I₂ второго камертона относительно оси XX, при этом толщина стенки δ₁   первого камертона меньше толщины стенки  δ₂    второго камертона,  т.е.    В>A. Для возбуждения колебаний второго камертона применен возбудитель 3, усилитель 4, приемник 2, для возбуждения колебаний ветвей первого камертона применен возбудитель 3, усилитель 4 и приемник 2. Системы возбуждения подключены к смесителю 13   частот,  который через низкочастотный фильтр  14 подключен к измерительному прибору  8. Контролируемая среда подается по трубопроводу, проходит по ветвям камертонов 1 и отводится по трубопроводу . Давление Р, а следовательно, скорость течения V среды через ветви камертона изменяется. Это приводит к изменению собственных частот f_1р, f_2р колебаний камертонов, которые возбуждаются,  разность частот выделяется в смесителе 13  и низкочастотном фильтре 14, не зависит от изменения давления Р и скорости U течения среды. Разностная частота f_q  зависит только от контролируемой плотности ρ и регистрируется прибором 8. 
 
 
 

V.

Рисунок 5. Вибрационный датчик плотности