Исследование и разработка прецизионного плотномера жидкостей и газов на основе камертонного вибропреобразователя

Во введении обоснована практическая и научная актуальности диссертации, сформулиро- ваны цель и задачи исследования, теоретическая и практическая значимость, а также научная но- визна работы.
В первой главе даётся обзор существующих конструкций первичных преобразователей промышленных вибрационных плотномеров жидкостей и газов, применяемых в системах автома- тизации и управления, приведена их классификация.
Частота колебаний механического резонатора зависит от массы колеблющихся частей и их жёсткости. При изменении плотности среды, окружающей резонатор, происходит изменение ча- стоты его колебаний, так как при этом изменяется присоединённая масса колеблющихся частей. Поэтому в вибрационных плотномерах плотность жидкости или газа определяется по резонансной частоте вибропреобразователя, взаимодействующего с измеряемой средой.
В таблице 1 представлены характеристики наиболее применяемых вибрационных плотно- меров производства ведущих стран мира. Наилучшие показатели погрешности измерений наблю- даются у проточных плотномеров на основе трубчатых ВПП, в то же время, наибольшая универ- сальность и широта температурного диапазона наблюдаются у погружных ВПП камертонного типа.
Анализ существующих ВПП позволил определить основные векторы развития, заключаю- щиеся в совершенствовании как самого ВПП, так и системы возбуждения колебаний с целью по- вышения чувствительности к плотности среды, добротности, помехоустойчивости, автоматиче- ской компенсации дополнительных погрешностей.
7 Таблица 1 – Характеристики вибрационных плотномеров
Производи- Изм. тель элемент
Thermo M. Двойная Ltd. (США) трубка MobreyLTD. Трубка
(Англия)
CDM Micro Две Motion Inc., U-образных
(США) трубки MobreyLTD Камертон
(Англия)
LiquiphantMD Камертон
ensity (Г.)
Плот-3 Цилиндр (Россия)
804 Камертон (Россия)
Диап. показаний, кг/м3
0÷3000 0÷3000
0÷3000
0÷3000 450÷2000 420÷1600 0÷2000
Диапазон из- мерений, кг/м3
0,01÷1800 300÷1100
300÷1300
600÷1250
450÷2000
420÷1600
0÷160 620÷1630
Погреш-ть, кг/м3
±0,01 (газы) ±0,2; ±0,3 ±0,15 (жидкости)
±0,1 (жидкости)
±1,0 ±2,0 ±0,3 ±0,5; ±1,0
Темпер. диапазон, оС
Макс. давление, МПа
минус 50 7,2 ÷ 110
минус 50 15 ÷ 110
минус 50
÷ 204 15
минус 50 20,7 ÷ 200
минус 50 2,5 ÷ 70
минус 60 6,3 ÷ 150
минус 70 16 ÷ 80
Малая погрешность метода (до ± 0,1 кг/м3), индифферентность к типу и составу измеряе- мой среды, широкий диапазон температур и давлений, отсутствие движущихся частей, а также лёгкая автоматизация процесса измерений и встраиваемость в техпроцесс определяют перспек- тивность разработки плотномеров жидкостей и газов на основе ВПП в виде камертона.
Во второй главе рассматривается система возбуждения колебаний ВПП и измерения их параметров, таких как амплитуда, частота и фаза. Выбор системы возбуждения определяется осо- бенностями преобразователя и требованиями к параметрам плотномера в целом.
Механизм возбуждения колебаний ВПП можно представить как пьезоактюатор с предвари- тельным механическим напряжением переменной жёсткостью и массой камертона. Важной осо- бенностью пьезоактюаторов является обратимость и возможность создания датчика перемещения мембраны на основе части пьезоэлементов актюатора. Такие датчики обладают высокой чувстви- тельностью к измеряемому параметру, широким диапазоном рабочих температур и давлений.
Анализ основных электрофизических параметров ПКМ позволяет сделать однозначный вы- вод о том, что повышение их рабочей температуры неизбежно связано со снижением пьезоактив- ности и диэлектрической проницаемости. Это означает потерю амплитуды перемещения, динами- ческой силы актюатора и сигнала обратной связи вибродатчика. Поэтому в работе проведён под- бор и разделение ПКМ, исходя из температурных диапазонов эксплуатации. По температуре рабо- чей среды наблюдаемые потребности можно разделить на пять диапазонов:
1) минус 196 ÷ 70 оС – экстремально низкие температуры. Измерение плотности сжижен- ных газов (например, СПГ);
2) минус 70 ÷ 85 оС – промышленный диапазон температур с учётом северных территорий;
3) минус 40 ÷ 150 оС – повышенные температуры в техпроцессах атомной энергетики и
нефтяных скважинах;
4) 20 ÷ 260 оС – повышенные температуры в техпроцессе химических производств;
5) 1 ÷ 400 оС и выше – экстремально высокие температуры в химической промышленно-
сти и авиакосмической технике.
В первом и втором температурном диапазоне основным ориентиром для выбора материала актюатора является пьезомодуль, в нашем случае это d33:
∆ = · 33 · , (1) где ∆ – удлинение, м; N – количество активных слоёв в актюаторе; E – напряженность электриче-
ского поля, В; – длина пьезоактюатора, м.

Таблица 2 – Результаты испытаний ПКМ
Исходя из близости технологических возможностей при изготовлении пьезоэлементов из существующих ПКМ, основной выигрыш можно получить выбором материала с максимальным пьезомодулем d33. Для температурного диапазона до 85 оС можно рекомендовать материал ЦТС-ЦННФ. Он также имеют максимальное значение энергетического показателя
Кw= 2 /ε33, (2) 33
поэтому подходит и для чувствительных элементов датчиков обратной связи при регистрации электрического заряда на выходе. При регистрации электрического напряжения наилучшим вари- антом можно считать ПКМ ЦТС-19П и ЦТС-36; они также имеют высокий показатель Кw.
Для температурного диапазона до 150 оС наилучшими материалами для актюаторов можно признать ЦТС-19М, ЦТС-19М1. Эти материалы обладают высокой точкой Кюри и при этом доста- точно высоким пьезомодулем d33 – от 300 до 425 пКл/Н. Их также можно применять и для датчи- ков вибрации с выходным сигналом в виде заряда.
Для ЦТС предельными температурами для работы с выходным сигналом по напряжению принято считать значения 250 ÷ 280 оС. Наибольшая эффективность в этом диапазоне наблюдается у преобразователей из ЦТС-36. Менее эффективны, но применимы ЦТС-21 и ЦТС-Б.
Для температур выше 280 оС отсутствуют ПКМ, приемлемые для получения выходного напряжения и возможна работа только с зарядовым сигналом. Для работы в этой области темпера- тур разработаны и применяются составы на основе твёрдых растворов высокотемпературных вис- мутсодержащих соединений типа НТВ-2. Среди них следует отметить серийно выпускаемые в НКТБ «Пьезоприбор» НТВ-2 и ТНВ-2. Материалы имеют пьезомодуль d33 на уровне 10 ÷ 27 пКл/Н, поэтому для получения достаточных амплитуд колебаний вибропреобразователя требуется применение на порядок больших напряжений раскачки, чем при применении ПКМ типа ЦТС.
При измерении механических колебаний предельно малого уровня первостепенную роль играет порог чувствительности пьезоэлектрического датчика, определяемый отношением заряда или напряжения, приведённого к входу согласующего усилителя. Принимая во внимание энерге- тический характер возникающих шумов, при выборе ПКМ для таких датчиков целесообразно ори- ентироваться на энергетический показатель Кw, характеризующий относительную энергию пьезо- элемента пьезоэлектрических датчиков механических величин.
В соответствии с изложенными выше критериями параметров вибрационных плотномеров и ПКМ для проведения испытаний ВПП выбраны материалы, представленные в таблице 2.
Температура эксплуатации ПДМВ -70 ÷ 85оС -40 ÷ 150оС 20 ÷ 260оС 1 ÷ 400оС
Тип преобразователя
Пьезоактюатор
Пьезодатчик
К/К19
ПКМ ЦТС-Р ЦТС-19М ЦТС-36 НТВ-2
Тmax, оС 100 150 260 400
ПКМ ЦТС-19П ЦТС-19П ЦТС-36 НТВ-2
Тmax, оС
150 3,9 150 2,0 260 1,2
400
0,093
В ходе испытаний на вибропреобразователь необходимо последовательно устанавливать одинаковые по геометрии пьезоэлементы из различных ПКМ. Поэтому основным критерием при выборе конструкции ВПП была простота сборки и разборки пьезопреобразователя. В наилучшей степени этому критерию соответствует конструкция вибрационного сигнализатора уровня СУ-802, разработанного в НКТБ «Пьезоприбор», г. Ростов-на-Дону, ОКР «Интроскопия». Оценка эффек- тивности применяемых пьезоматериалов для пары актюатор/датчик проводилась сравнением вы- ходных сигналов испытуемых ВПП с выходным сигналом базового варианта, измеренными при температуре 20 оС.
В качестве базового варианта ВПП принято исполнение, в котором ПКМ ЦТС-19 приме- нялся и для актюатора и для датчика. Одновременно был применён материал ЦТС-Р разработки НКТБ «Пьезоприбор». Результаты испытаний приведены на рисунке 1. Оценка эффективности применения различных ПКМ (К/К19) приведена в таблице 2.

-100
0 100 200 300 Температура, оС
400 500
К/К19
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента преобразования ВПП от температуры
Наибольший эффект наблюдается в промышленном диапазоне температур от минус 70 до 85 оС, где применение ПКМ с высоким пьезомодулем d33 для актюаторов и высоким пьезоэлек- трическим коэффициентом ց33 для датчиков обеспечивает четырёхкратное увеличение эффектив- ности в сравнении с базовым исполнением вибропреобразователя. Эти же принципы позволили существенно увеличить эффективность работы ВПП в диапазоне температур до 150 оС и получить эффективное решение для температур до 260 оС. Так в диапазоне температур до 150 оС амплитуда полезного сигнала увеличена в два раза за счёт применения улучшенных составов на базе ПКМ ЦТС-19. В тоже время применение пьезокерамики ЦТС-36 расширило температурный диапазон применения плотномеров и сигнализаторов уровня до 260 оС без потери эффективности работы ВПП.
В ходе выполнения работы впервые получены результаты измерений характеристик ВПП с применением ПКМ на основе твердых растворов висмутсодержащих соединений при температуре 400 оС. Это открывает новые возможности разработки и изготовления промышленных плотноме- ров для экстремально высоких температур.
Третья глава посвящена теоретическому исследованию ВПП камертонного типа, погру- женного в измеряемую среду. Целью исследования является построение адекватной модели ВПП для дальнейшего исследования поведения в различных средах и условиях эксплуатации.
Частота собственных колебаний механического резонатора определяется из известного со- отношения:
= 1 √ , (3)
где k и m – жесткость и масса резонатора.
При учете влияния внешней среды к массе резонатора добавляется некоторая присоединен-
ная масса, определяемая плотностью () и объемом (V) вовлеченного в колебания вещества
1
=2 √ + . (4)

Из (4) следует, что плотность измеряемой среды связана простым соотношением с резо- нансной частотой колебаний и может вычисляться по формуле:
= 2 + , (5) где a и b – некоторые конструктивные коэффициенты, определяемые при калибровке, а τ – период
колебаний на резонансной частоте.
В качестве исходной модели для моделирования выбрана конструкция вибрационного сиг-
нализатора уровня СУ-802. При проведении экспериментальных исследований базовой кон- струкции были выявлен ряд недостатков устройства-прототипа, основным из которых явля- ется относительно невысокая точность измерения плотности. Для выявления причин и мето-
2
ЦТС-19
ЦТС-Р, ЦТС-19П
ЦТС-19М, ЦТС-19П
ЦТС-36 НТВ-2
дов улучшения характеристик устройства проведено моделирование в системе конечно- элементного анализа ANSYS.
Уравнение движения имеет вид:
∂ij/∂xj =  ̈ i +  ̇  (6) где  – плотность среды;  – тензор напряжений; u – вектор смещений.
В случае изотропной среды при изотермических условиях используется обобщенный закон Гука: ik = E/(1 + ν) [(εik + β εik)+ ν/(1 – 2ν)(εll + β εll)lδik], (7) где ik = 1⁄2(∂ui/∂xk + ∂uk/∂xi) – тензор деформаций; ν – коэффициент Пуассона; Е – вектор напря- женности электрического поля; величины  и  вводятся для описания затухания в твердых средах
по Рэлею (фактически, вязкоупругие потери).
Для изотропного материала тепловое расширение происходит одинаково по всем направле-
ниям, поэтому дополнительные температурные деформации имеют вид:
εTik = αT (T – T0) δik, (8)
где T0 – начальная температура, αT – коэффициент теплового расширения.
Для расчета девиации частоты рассматривалась задача о взаимодействии резонатора с жид-
костью. На графике рисунка 2, приведены результаты расчетов девиации частоты в зависимости от плотности жидкости для модели камертона из стали и из титана с размерами прототипа. Сопо- ставив полученные результаты с формулами зависимости собственной частоты камертона от плотности жидкости (3, 4, 5), получаем, что при надлежащем подборе коэффициентов K, а и b, расчеты методом конечных элементов дают для рассматриваемой нами модели зависимости ча- стоты от плотности жидкости совпадение с большой степенью точности: отклонения не превыша- ют 0,003 %. Этот результат даёт возможность использовать формулу (5) для преобразования пери- ода колебаний ВПП в значение плотности среды и предложить метод калибровки вибрационного плотномера, отличающийся тем, что вместо трёх жидкостей с известной плотностью применяются две среды с известной плотностью, одной из которых может быть воздух, а другой – любая жид- кость с известной плотностью. Применение двух калибровочных сред приводит к снижению тру- доёмкости при определении коэффициентов полинома, а также даёт возможность проводить ка- либровку плотномера непосредственно в местах эксплуатации без снятия с объекта. На этой осно- ве приято решение о применении соотношения (5) для дальнейших экспериментальных исследо- ваний ВПП.
Рисунок 2 – Девиация резонансной частоты камертона в зависимости от плотности жидкости
Для оценки влияния температурных изменений констант материалов на собственную ча- стоту первой гармоники датчика, был проведён расчет её изменения при заданных малых измене- ниях этих констант. Вначале вычислялась собственная частота ненагруженного датчика. Затем по- очередно задавались вариации каждой из констант материалов, составляющих датчик, т.е., упру- гих констант металлов и диэлектриков, упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических констант пьезоактивных материалов. Эти вариации задавались в размере 1 % от абсолютной величины со- ответствующей константы. Вычислялись соответствующие собственные частоты и изменения соб- ственных частот, вызванные каждой из вариаций. Результаты вычислений приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Влияние вариаций параметров материалов на собственную частоту камертона
сталь титан
f1 Δf1 Δf1/f1 f1 Δf1 Δf1/f1
Гц Гцна % Гц Гцна %
Исходные частоты Металл
E
ν Пьезокерамика C11
C12
C13
C33
C44
e31
e33
e15
ε11
ε33 Диэлектрик E
ν
1059,365
1064,490 1059,861
1059,40720 1059,36990 1059,27662 1059,49743 1059,39898 1059,36558 1059,36697 1059,36730 1059,36460 1059,36386
1059,39446 1059,36803
1%
5,12536 0,48381 0,49585 0,04681
0,04195 0,00396
0,00465 0,00044 -0,08863 -0,00837 0,13218 0,01248 0,03373 0,00318 0,00033 0,00003 0,00172 0,00016 0,00205 0,00019 -0,00065 -0,00006 -0,00139 -0,00013
0,02921 0,00276 0,00278 0,00026
1036,04479
1041,07802 1036,45735
1036,08569 1036,04705 1035,96863 1036,15289 1036,07352 1036,04505 1036,04614 1036,04654 1036,04425 1036,04365
1036,07019 1036,04662
1%
5,03323 0,48581 0,41256 0,03982
0,04090 0,00395
0,00226 0,00022 -0,07616 -0,00735 0,10810 0,01043 0,02873 0,00277 0,00026 0,00003 0,00135 0,00013 0,00175 0,00017 -0,00054 -0,00005 -0,00114 -0,00011
0,02540 0,00245 0,00183 0,00018
Из таблицы можно видеть, изменения каких констант материалов оказывают наибольшее влияние на собственную частоту камертона. Очевидно, что наиболее значимым параметром влия- ющим на частоту, является упругий модуль металла Е: увеличение модуля Юнга стали на 1 % вы- зывает повышение собственной частоты камертона на 0,484 %, а для датчика из титанового сплава частота возрастает на 0,486 %. Вторым по значимости параметром является коэффициент Пуассо- на ν, но роль его изменений на порядок меньше. Роль изменений упругого модуля С33 пьезокера- мики вчетверо меньше: соответственно 0,012 % и 0,010 %. Затем идут упругие модули С13 (0,008 % и 0,007 %), С11 (0,004 %), С44 (0,003 %). Модуль Юнга диэлектрика дает вклад около 0,002 %. Вклады пьезоэлектрических eij и диэлектрических констант пьезоматериала εij не превышают 0,0002 %.
Расчеты также показали наличие существенного градиента температур внутри конструкции при наличии разности температур внешней и измеряемой среды. Изменение частоты от воздей- ствия температуры в поддиапазоне от минус 40 до 60 оС, приведённое к девиации частоты и вы- раженное в единицах измерения плотности, достигает 1 кг/м3 на 1 оС. Для достижения общей по- грешности измерения плотности ± 0,3 кг/м3 в приведенном выше диапазоне температур необхо- димо, чтобы влияние температуры на результат измерений не превышало ± 0,1 кг/м3 в любой точ- ке диапазона. Наиболее распространённым способом снижения температурной погрешности из- мерения является способ термокомпенсации, основанный на вычитании из вычисленного значения плотности некоторой его части, приходящейся на температурную составляющую. При цифровом способе термокомпенсации все влияющие параметры измеряются, оцифровываются, а затем про- изводится вычисление конечного результата по заданному алгоритму.
Исходя из главной роли модуля упругости металла в изменении частоты колебаний, можно предложить алгоритм термокомпенсации ВПП, не требующий проведение калибровки в жидко- стях и газах во всём диапазоне температур. Температурные изменения резонансной частоты, вы- званные изменением модуля Юнга, можно фиксировать при нулевой плотности измеряемой сре- ды, поэтому предлагается проводить измерения периода резонансных колебаний в вакууме. Это
Варьируемые параметры
даёт возможность существенно изменить алгоритм калибровки и расчёта коэффициентов термо- компенсации, а именно, проводить калибровку по температуре до калибровки по плотности. Пе- риод колебаний представляется как зависимая от температуры переменная в удобном для вычис- ления виде
= ×∑ , (9) =0
где τ – измеренный период колебаний ВПП, τT – термокомпенсированный период, Kτi – коэффици- енты полинома. Блок-схемы алгоритмов калибровки в диапазоне температур (а) и термокомпенса- ции (б) приведены на рисунке 3.
а) б) Рисунок 3 – Блок-схема алгоритмы термокалибровки (а)
и термокомпенсации (б) ВПП
В процессе термокалибровки ВПП монтируется в специальный сосуд, из которого выкачи- вается воздух. Далее вся конструкция устанавливается в климатическую камеру, где проходит весь цикл испытаний в требуемом диапазоне температур. Измерения периода колебаний и температуры проводятся через каждые 10 оС, эти точки состояний формируют зависимость изменения периода колебаний от температуры. По измеренным значениям определяются коэффициенты полинома (9), которые заносятся в постоянную память прибора, после чего проводятся контрольные операции и измерения для подтверждения корректности проведённых расчётов и процедур записи. Одним из

главных преимуществ алгоритма является существенное расширение диапазона температур тер- мокалибровки, которые ограничены только термостойкостью ВПП, сосуда и линий связи.
С целью снижения погрешности измерений плотномера и повышения эффективности пре- образования разработана следующая модель (рисунок 4, а). ВПП имеет металлический цилиндри- ческий корпус 1, закрытый снизу мембраной 2, соединенной с двумя симметричными штангами (лопастями) 3, образующими вместе с мембраной вибратор типа камертона. На стержне 4 из пье- зоэлектрических элементов 5 собраны актюатор и датчик вибрации. Внутри корпуса установлен платиновый термометр 7.
а) б) в) Рисунок 4 – Модель (а) и моды колебаний ВПП (б и в)
Для снижения погрешности измерения плотности среды модель дополнена металлической трубкой 6, расположенной между корпусом и штуцером, диаметр которой существенно меньше диаметра корпуса. Эта трубка-буфер – обеспечивает механическую развязку вибратора с корпусом резервуара (трубопровода) и снижает влияние посторонних механических возмущений на колеба- ния вибратора. Кроме того, удаление вибратора от корпуса резервуара обеспечивает близость тем- пературы вибратора к температуре измеряемой среды.
На рисунках 4, б и в показаны низкочастотные моды собственных колебаний. Основная мода (рисунок 4, б) – симметричные камертонные колебания со встречными (противофазными) колебаниями лопастей. Наряду с ней, механическими вибрациями может возбуждаться мода с асимметричными (синфазными) колебаниями лопастей, представленная на рисунке 4, в. Расчет показывает, что если длину буфера свести к нулю, то частоты этих двух мод оказываются близки друг к другу, что недопустимо, поскольку это вносит искажения в резонансную кривую.
На частотной характеристике виброчувствительности Ka(f) модель без буфера (рисунок 5) имеет широкий двойной пик, поскольку частота синфазных колебаний оказывается очень близка к основной моде. Сравнение с частотной характеристикой виброчувствительности реальной модели показывает, что буфер снижает виброчувствительность на порядок. Дополнительный пик вибро- чувствительности, соответствующий основной моде смещается при этом до 0,8887 кГц и оказыва- ется вдали от области рабочих частот плотномера. На рисунке 5, б представлен ряд расчетных ча- стотных характеристик виброчувствительности Ka(f), полученных при различных величинах дли- ны буфера Lb, где с увеличением Lb частота дополнительного пика понижается, а амплитуда воз- растает, оставаясь, однако, намного меньше, чем амплитуда Ka без буфера.

150
100 20
50 10
00 1,42 1,44 1,46 1,48 1,5
0,7
1,0
Lb=5 Lb=10 Lb=15 Lb=20 Lb=23
1,2 1,5 f, кГц
40 35 30 25
без буфера
реальная модель
f, кГц
а)
Рисунок 5 – Расчетные частотные характеристики виброчувствительности без буфера (а)
и с различными длинами буфера (б)
Буфер играет и другую важную роль – термической развязки плотномера с наружной тем- пературой. При точных измерениях частот необходимо учитывать поправки, обусловленные зави- симостью упругих констант металла от температуры. Температура в теле датчика распределена неоднородно (рисунок 6), поскольку температура T0 измеряемой среды в трубопроводе может весьма существенно отличаться от температуры T1 вне трубопровода. Для резонансной частоты камертонных колебаний определяющую роль играет именно температура лопастей. Поэтому дат- чик температуры, помещаемый внутри корпуса плотномера, должен располагаться по возможно- сти близко к лопастям.
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
20 Lb, мм 30
б)
лопасть,
середина
полость,
низ
полость,
середина
а)б) в)
Рисунок 6 – Расчетные картины распределения температур в теле ВПП:
а – модель плотномера без буфера; б – с буфером длиной 23 мм; в – зависимости температур лопастей, мембраны и стенки корпуса от длины буфера
Исследование распределения температур в теле датчика методом конечных элементов поз- воляет оценить степень соответствия температуры, измеряемой датчиком, температуре лопастей. На рисунке 6 представлены расчетные картины распределения температур в теле плотномера при ΔT = Т1 – Т0 равном 20 oС, наглядно иллюстрирующие роль буфера в приближении температуры внутри полости плотномера к температуре лопастей. Как видно из рисунка 6, б, длинный буфер «берет на себя» основной перепад температур и обеспечивает близость измеряемой температуры к
0 10
T, °С
Ka, мВ·с2/м
Ka, мВ·с2/м

Таблица 4 – Погрешность измерения плотности жидкостей и воздуха при 20 oС
температуре лопастей. На рисунке 6, в представлены расчетные зависимости температур середины лопасти, стенки корпуса у дна полости и стенки корпуса посредине полости от длины буфера Lb. Как видно из рисунка, длинный буфер (25 мм) обеспечивает на порядок лучшее приближение температур, чем короткий. Это также подтверждают роль трубки-буфера – как механического виброизолятора и как термоизолятора, обеспечивающего достижение поставленной цели – суще- ственного снижения погрешности измерения плотности жидкости.
Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы ВПП в жидкостях и газах различной плотности, вязкости и температуры, а также описанию плотномера, разработан- ного на основе предложенного ВПП.
Для проверки возможности применения (5) проведены измерения периода колебаний ВПП в средах с плотностями от 1 до 1000 кг/м3. Результаты измерений при коэффициентах a = 0,003249 и b = -2082,17 приведены в таблице 4.
Наименование среды
Воздух Нефрас Спирт ГСО ПМС-5 ПМС-10 Вода
, м/с
1,12
688,54
810,60
851,00
917,00 931 4,977 932,50 975 8,904
τ, мкс
800,757 923,471 943,602 950,165 960,785 963,277 973,709
э,3 кг/м
, сПз
, 3 кг/м
1,10 688,54 810,65 851,04 916,97 932,55 998,18
∆, 3 кг/м
0,02 0,02 0,05 0,04 0,03 0,05 0,05
343
1170 0,65 1177 1,197 1225 10,25
0,0181
998,23
1483 1,0019
Не наблюдается влияния скорости звука в среде и вязкости на результаты измерений. Наибольшее отклонение значений плотности вычисленной по (5) от значений, полученных при измерении лабораторным плотномером э, не превышает ± 0,1 кг/м3, что соответствует погрешно- сти лабораторного плотномера.
В соответствии с предложенным выше алгоритмом проведена термокомпенсация экспери- ментальных образцов ВПП. Измерения проводились при температурах минус 50, 30, 10, плюс 10, 40, 60 и 80 oС. Возбуждение ВПП осуществляется от генератора синусоидальных колебаний. Кон- троль сигналов возбуждения и ответного напряжения осуществлялся при помощи осциллографа и частотомера. По результатам измерений рассчитаны калибровочные коэффициенты полинома (9), представленные в таблице 5.
Таблица 5 – Термокалибровочные коэффициенты экспериментальных ВПП
Коэффициенты ВПП No 001 ВПП No 002 ВПП No 003 Кτ0 1 1 1
Кτ1 Кτ2 Кτ3
-2,12363E-4 -3,84220E-4 0 0
0 0
-4,38981E-6 1,75404E-7 -1,28357E-9
Проверка рассчитанных коэффициентов проводилась на жидкостях-компараторах при тем- пературах 10, 30 и 40 oС. Выбранный диапазон температур обусловлен техническими характери- стиками лабораторного плотномера, который использовался в качестве эталонного средства изме- рений. Результаты измерений экспериментального образца No 1 из стали 12Х18Н10Т, приведены в таблице 6. Как видно из представленных данных, предложенный алгоритм термокомпенсации снизил дополнительную погрешность измерения более чем в 10 раз.
Таблица 6 – Температурная погрешность измерения плотности ВПП No 001
Наименование среды
Воздух
Нефрас
Спирт ПМС – 10 Вода
Существенным
ВПП, является вязкость. Потери энергии колебаний ВПП в вязкой жидкости приводят к суще- ственной деформации АЧХ и значительному уменьшению (до двух порядков) отношения сиг- нал/шум. Для практического определения влияния вязкости на погрешность плотномера проведе- ны испытания в жидкостях с номинальными значениями вязкости равномерно распределёнными в диапазоне от 1 до 1000 сПз. Для выделения вязкости, как единственного влияющего параметра, измерения проводились при температуре (20 ± 0,02) oС. Кроме периода колебаний фиксировалась амплитуда ответного сигнала и добротность вибропреобразователя. В таблице 7 приведены изме- ренные значения в измеряемых средах с вязкостью от 1 до 1000 сПз.
T, э, oС кг/м3 10 1,2 20 1,2 30 1,2 40 1,1 10 698,6 20 689,9 30 681,4 40 672,3 10 826,2 20 817,7 30 808,7 40 799,6 20 932,6 30 922,8 40 914,4 10 999,7 20 998,2 30 995,7 40 992,2
τ, мкс 951,844 953,816 955,818 957,880 1181,523 1181,443 1181,507 1181,274 1218,817 1218,955 1219,032 1218,763 1251,744 1251,518 1251,893 1267,925 1270,145 1272,136 1273,823
, кг/м3 -4,1 1,2 6,6 12,2
690,3 -8,3 690,0 0,1 690,2 8,8 689,4 17,1 817,1 -9,1 817,6 -0,1 817,9 9,2 816,9 17,3 932,4 -0,2 931,6 8,9 932,9 18,6 990,2 -9,6 998,2 -0,1
1005,3 9,7 1011,4 19,2
τT, , ∆ ,
мкс кг/м3
953,865 1,4 0,1 953,816 1,2 0,0 953,788 1,2 0,0
∆, кг/м3 -5,3 0,0 5,5
кг/м3 11,1 953,811 1,2 0,1
1184,032 1181,443 1178,998 1176,257 1221,406 1218,955 1216,443 1213,587 1251,744 1248,861 1246,576 1270,617 1270,145 1269,435 1268,413
698,7 0,1 690,0 0,1 681,8 0,4 672,7 0,4 826,1 -0,1 817,6 -0,1 808,9 0,2 799,1 -0,5 932,4 -0,2 922,2 -0,6 914,1 -0,3 999,9 0,1 998,2 -0,1 995,6 0,0 991,9 -0,3
параметром жидкости, влияющим на определение резонансной частоты
Таблица 7 – Параметры колебаний ВПП и значения измеренной плотности
Наименование среды Воздух Вода ПМС-5 ПМС-20 ПМС-50 Масло И-20 ПМС-100 ПМС-150 ПМС-200 ПМС-500 ПМС-1000
, э, сПз кг/м3 0,02 1,12 1,00 998,2 4,98 917,0
19,31 951,9 52,69 963,2 62,23 832,5
98,261 967,6 152,25 969,6 202,39 970,6 508,35 973,1
1012,53 975,2
Q V, , ∆, мВ кг/м3 кг/м3
2517,0 2530 1,10 0,0 488,5 1818 998,2 0,0 241,7 927 916,9 0,1 131,9 514 951,9 0,0
79,7 323 963,3 0,1 73,2 298 832,6 0,1 58,1 243 967,7 0,1 46,7 203 969,7 0,1 40,5 180 970,8 0,2 25,5 115 973,8 0,7 18,1 87 978,0 2,8
, кг/м3 1,10 998,2 916,9 951,8 963,2 832,6 967,7 969,7 970,8 973,2 975,3
∆ , кг/м3 0,0 0,0 -0,1 -0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1

Полученные данные дают возможность предложить алгоритм калибровки и расчёта коэф- фициентов компенсации влияния вязкости на результаты измерения плотности, основанный на измеренных значениях амплитуды выходного сигнала. Влияние вязкости на результат измерения плотности в общем случае имеет нелинейный характер и в некотором диапазоне может быть ап- проксимировано полиномом третьего порядка. Поэтому коррекция результатов измерения плотно- сти от вязкости может быть реализована в виде:
= + ∑4 , (10) =0
где – калибровочные коэффициенты по вязкости, – отношение напряжения ответного сиг- нала к напряжению возбуждающего сигнала.
Определение калибровочных коэффициентов по вязкости проводится по результатам изме- рения амплитуды напряжения выходного сигнала в жидкостях с различной вязкостью. Рассчитан- ные коэффициенты записываются в постоянную память плотномера. Алгоритм калибровки ВПП по вязкости становится частью общего алгоритма калибровки плотномера, которая включает по- лучение информации о изменении периода и амплитуды колебаний ВПП от температуры, опреде- ление значений коэффициентов преобразования периода колебаний в значение плотности и изме- рении отклонений значений плотности, вызванных влиянием вязкости. Результаты применения алгоритма компенсации погрешности зависящей от вязкости среды представлены в таблице 7, как и ∆ . Как видно из приведённых значений, применение алгоритма позволило на порядок сни- зить погрешность измерения плотности в диапазоне до 1000 сПз.
Для практической реализации плотномера предложена блок-схема электронного преобра- зователя, изображенная на рисунке 7. Основными блоками схемы являются автогенератор с управляемой фазовой характеристикой и микроконтроллер, управляющий автогенератором. Авто- генератор возбуждает колебания камертона на 1-й моде изгибных колебаний лопаток камертона. Усилительные блоки (►,◄) преобразуют входной и выходной сигнал автогенератора в удобный для обработки микроконтроллером меандр. Измеряется также амплитуда сигнала с датчика вибра- ции. Устройство поддерживает заданный фазовый сдвиг с погрешностью не хуже ± 0,1 градуса в диапазоне частот от 500 до 2000 Гц.
Рисунок 7 – Блок-схема электронного преобразователя плотномера
Информация о температуре ВПП поступает от платинового термометра, электрический сигнал которого оцифровывается микроконтроллером и при помощи калибровочных коэффициен- тов вычисляется значение в градусах Цельсия с погрешностью не хуже ± 0,1 оС. Получая данные о периоде и амплитуде колебаний и температуре ВПП, микроконтроллер проводит коррекцию по температуре и вязкости и вычисляет текущее значение плотности измеряемой среды.

Основные результаты и выводы работы
1. Разработана и экспериментально подтверждена модель конструкции ВПП камертонно- го типа и проведено моделирование в системе конечно-элементного анализа ANSYS, которая позволяет выбирать необходимые решения при проектировании погружного вибрационного плотномера.
2. Предложен и опробован метод калибровки вибрационного плотномера по двум средам с известной плотностью, одной из которых, может быть, воздух, а другой любая жидкость с из- вестной плотностью. Метод позволяет проводить определение коэффициентов преобразования периода колебаний в плотность измеряемой среды непосредственно на месте эксплуатации без демонтажа плотномера, при сохранении погрешности измерений не более ± 0,3 кг/м3.
3. Выявлены элементы конструкции, оказывающие критическое влияние на погреш- ность измерения плотности при изменении температуры среды и выработаны решения, позво- ляющие снизить градиент температур внутри ВПП до ± 0,2 оС, а, следовательно, проводить эф- фективную термокомпенсацию периода колебаний за счёт применения дополнительного внутрен- него датчика температуры.
4. Разработан алгоритм автоматической компенсации влияния температуры среды на по- грешность измерения плотности, позволивший расширить диапазон температур измеряемых сред экстремально низкими и высокими значениями, а также снизить погрешность измерения плотно- сти до ± 0,3 кг/м3.
5. На основе исследований влияния плотности, вязкости и температуры среды на частот- ные характеристики полученного в работе ВПП разработан алгоритм автоматической компенса- ции влияния вязкости среды на погрешность измерения плотности, позволивший увеличить мак- симальный предел вязкости сред доступных для измерения до 1000 сПз.
6. Для измерения плотности различных сред установлены температурные диапазоны применения современных ПКМ, обеспечивающие максимально эффективные параметры ВПП. Создан ВПП с рабочей температурой до 400 оС из ПКМ на основе твердых растворов висмутсо-
держащих соединений.
7. В результате выполнения диссертационной работы создан отечественный плотномер,
не уступающий по техническому уровню зарубежным аналогам и внедрённый в техпроцесс на ведущих предприятиях РФ. Исследования погрешности разработанного плотномера в различных жидкостях и газах в диапазоне плотностей от 1 до 1630 кг/м3 и вязкости до 1000 сПз, а также экс- периментальные исследования в реальных условиях эксплуатации при добыче, хранении, перера- ботке и транспортировке нефти подтвердили его высокие эксплуатационные характеристики.