Тараненко Ю.К.

Днепропетровский университет экономики и права

Дифференциальный виброчастотный метод измерения плотности жидких, газообразных, дисперсных сред

На современном этапе развития теории и практики разработки и промышленного применения средств автоматического измерения плотности жидких и газообразных сред, а также массовых концентраций дисперсных систем типа жидкость - твердые частицы, наиболее перспективным методом измерения являеться виброчастотный. Виброчастотный метод измерения плотности жидкости и газов основан на прямом измерительном преобразовании плотности измеряемой среды в частоту колебаний механической колебательной системы, которая заполнена измеряемой средой, либо помещена в измеряемую среду. Преимуществами виброчастотного метода измерения является частотная форма виходного сигнала, отсуствие подвижных элементов, относительная простота реализации, высокая чувствительность к измеряемой величине. В нефтехимической промышленности виброчастотные плотномеры с трубчатыми резонаторами проточного типа являються альтернативой жидкостным хроматографам. В сравнении с хроматографами они значительно дешевле и позволяют производить измерения автоматически непосредственно в технологических трубопроводах.

Преимущества виброчастотного метода измерения способствовали тому, что подавляющее большинство приборостроительных фирм Западной Евроопы, Америки, Японии, Англии, России наладили серийный випуск виброчастотных плотномеров, уровнемеров, анализаторов концентрации дисперсных систем. Среди таких фирм всемирно известная английская фирма Solartron, производящая модели однотрубных виброчастотных плотномеров 7830, 7840, и др.; японская фирма Yokogawa Electric Corp., производящая модели двухтрубных виброчастотных плотномеров; американские фирмы ITT Barton, Micro Motion, производящие модели виброчастотных плотномеров с цилиндрическими и пластинными резонаторами, вибрационные массовые расходомеры, основанные на эффекте Кориолиса; немецкая фирма Endress+Hauser Gmb+Co KG, производящая камертонные сигнализаторы уровня жидкости и сыпучих материалов, построенные на виброчастотном методе измерения плотности. Только в странах Западной Европы выпуск средств аналитической техники основанной на виброчастотном методе достигает 250 000 единиц в год. Именно благодаря широкому применению средств автоматического контроля, в том числе и основанных на виброчастотном методе в странах Западной Европы, Японии, Америки был обеспечен существенный технологический прогресс. Однако следует отметить и недостатки виброчастотных методов измерения, среди которых наиболее существенным являеться температурная погрешность. При изготовлении основного чувствительного элемента прибора — резонатора из нержавеющей стали, например X18H10T, чувствительность к температуре может превышать чувствительность к основному измеряемому параметру — плотности. При медленных изменениях температуры для термокомпенсации, во всех серийно выпускаемых приборах, используються отдельные датчики температуры, которые находятся в тепловом контакте с измеряемой средой. Следует отметить, что различие скоростей прогрева резонатора и дополнительного датчика температуры вызывает появление существенных динамических погрешностей при резких изменениях температуры. Динамические погрешности возникают и в проточных трубчатых резонаторах при резких изменениях скорости и давления среды в резонаторе.

Автором разработан дифференциальный виброчастотный метод измерения плотности жидкости, газов и дисперсных систем [1], который позволяет не только скомпенсировать погрешности от резких изменений температуры, давления и скорости течения измеряемой среды через резонатор, но и существенно уменьшить нелинейность функции преобразования плотности в частоту колебаний. На основе разработанной математической модели трубчатого резонатора проточного типа, получена следующая функция преобразования дифференциального датчика.

,

где: — выходной частотный сигнал дифференциального датчика плотности на основе двух трубчатых резонаторов проточного типа; — частоты резонаторов дифференциального датчика плотности; — комплексные модули упругости материала резонаторов;

,— коэфициенты поглощения энергии колебаний в материале резонаторов;

— скорость течения жидкости через резонатор; — статические моменты инерции трубок резонаторов относительно осей изгибных колебаний: — внешние усилия, которые растягивают или сжимают резонаторы; — длины резонаторов; —массы единицы длины трубок резонаторов; — масса единицы длины жидкости в резонаторе;

— постоянные величины, которые определяются формой изгибных колебаний и условиями закрепления резонаторов, например, для жосткого закрепления концов резонаторов и первой форми коллебаний , .

Как следует из функции преобразования, подбором параметров резонаторов можно обеспечить безинерционную компенсацию температуры, других неинформативных параметров, а также линеаризацию функции преобразования непосредственно в датчике. С учётом простой апаратной реализации вычитания частот можно отказаться от установки микропроцессора в датчике, чем повысить надёжность и снизить стоимость прибора.

1. Тараненко Ю.К. Способ дифференциального измерения плотности. А.С. СССР №1291867,опуб. в Б.И.№7.1987.