УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем и тел неправильной формы, например волокнистых, сыпучих, тканых и нетканых материалов, пористой фильтрующей керамики, поропластов и других, и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Известно устройство для измерения плотности (см. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1989. - С.156), содержащее герметизированную измерительную емкость с контролируемым веществом, источник расхода газа и измеритель давления.

Известно устройство, реализующее способ измерения плотности (см. патент РФ 2399904. МПК G01N 9/00. Способ измерения плотности, опубл. 20.09.2010, Бюл. №26), содержащее герметизированную измерительную емкость с контролируемым веществом, к верхней части которой присоединен цилиндр с поршнем и манометр.

Недостатком такого устройства является отсутствие единства измерительного процесса и отсутствие его автоматизации.

Наиболее близким по техническому решению, принятым за прототип, является устройство, реализующее способ измерения плотности (см. патент РФ 2162596. МПК G01N 9/00, 9/26. Способ измерения плотности, опубл. 27.01.2001, Бюл. №3), содержащее измерительную емкость с крышкой, к верхней части которой подключен измеритель давления, дно выполнено в виде мембраны, отделяющей измерительную емкость от пневматической камеры с размещенным в ней соплом, соединенным с атмосферой и подключенным через дроссель к линии питания.

Недостатком прототипа является невысокая точность измерения из-за неоднозначности получаемого результата вследствие влияния объема измерительной емкости.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерений.

Для решения данной задачи предложено устройство контроля плотности, содержащее измерительную емкость с крышкой, к которой подключен измеритель давления, дно выполнено в виде мембраны, отделяющей измерительную емкость от пневматической камеры с размещенным в ней соплом, соединенным с атмосферой и подключенным через дроссель к линии питания, к измерительной емкости подключена камера переменного объема, внутри которой размещены поршень и пружина, вход управления камеры переменного объема соединен с соплом первого пневматического клапана и с выходом пневматического сумматора, сопло второго пневматического клапана соединено с измерительной емкостью и с камерой переменного объема, сопловые камеры первого и второго пневматических клапанов соединены с атмосферой, а входы управления первого и второго клапанов подключены к выходу первого пневматического тумблера, измерительная емкость подключена в сопло третьего пневматического клапана и к первому входу пневматического сумматора, второй вход которого соединен с сопловой камерой третьего пневматического клапана, в камеру управления которого присоединен выход второго пневматического тумблера.

Устройство контроля плотности представлено на фиг.1. Оно состоит из измерительной емкости 1 герметично закрываемой крышкой 2, внутрь которой помещено контролируемое вещество, материал или изделие 3. Контролируемое вещество 3 воздействует на мембрану 4, отделяющую измерительную емкость 1 от камеры 5, в которую помещено сопло 6, соединенное с атмосферой. В камеру 5 через дроссель 7 (тип П2Д.4) поступает давление питания Р_пит. Камера 5 подключена к соплу 8, установленному в камере 9 нормально закрытого клапана 10 (П3К.1), и входу 11 сумматора 12. Камера 9 клапана 10 соединена с входом 13 сумматора 12. Выход сумматора 12 соединен с полостью 14 емкости переменного объема 15 и подключен к соплу 16, установленному в камере 17 пневматического нормально открытого клапана 18 (П3К.1). Полость измерительной емкости 1 подключена к соплу 20, установленному в камере 21 нормально открытого клапана 22 (П3К.1).

В емкости переменного объема 15 размещены пружина 23 и поршень 24. К измерительной емкости 1 подключен манометр 25 (тип МО 11201). Камера 26 клапана 18 и камера 27 соединена с выходом пневматического тумблера 28 (П1Т.2). Камера 17 непосредственно, а камера 21 через дроссель 29 соединены с атмосферой.

В основу работы устройства контроля плотности ρ_в положен компрессионный пневмометрический метод.

На мембрану 4 со стороны емкости 1 действуют сила тяжести контролируемого вещества

F₁=m_вg,

где m_в - масса вещества, кг; g - ускорение свободного падения, м/с²,

и сила F₂ от давления P₁ в измерительной емкости 1

F₂=S₄P₁,

где S₄ - эффективная площадь мембраны 4, м².

Под действием этих сил происходит деформация мембраны 4 и сопло 6 прикрывается. Давление P₅ в камере 5 растет до значения, при котором сила действующая на мембрану 4, уравновешивает действие суммы сил (F₁+F₂) со стороны измерительной емкости 1, т.е.

P₅S₄=P₁S₄+m_вg,

откуда

До помещения контролируемого материала в полость измерительной емкости 1 подают в камеру управления 31 клапана 10 сигнала Р₃₀=1 с выхода пневматического тумблера 30. В камере 13 сумматора 12 запоминается давление P₁₃=Р_атм.

После помещения в измерительную емкость 1 контролируемого материала 3 и ее герметизации формируется давление P₅. На выходе сумматора 12 при этом будет давление P₁₂=P₅.

Процесс измерения начинается подачей с выхода пневматического тумблера 28 давления P₂₈=1 в камеры управления 21 и 26 пневматических клапанов 18 и 22 (П3К.1). Одноконтактные клапаны имеют мембранные блоки, состоящие из двух мембран, соединенных жестким стержнем и образующих две камеры. При снятии управляющих давлений от тумблеров 28 и 30 возвращаются в исходные положения за счет действия давления подпора. При подаче давления управления Р₂₈ в камеры 26 и 27 пневматических клапанов 18 и 22 происходит закрытие сопел 16 и 20. Полость 14 емкости переменного объема 15 и измерительная емкость 1 отключаются от атмосферы.

Начинается процесс заполнения газом полости 14, что приводит к росту давления Р₁₄ в ней и возрастанию силы, действующей на поверхность поршня 24. Под действием этой силы поршень 24 перемещается и растягивает пружину 23.

Перемещение поршня 24 прекращается, как только сила, действующая на него со стороны полости 14, уравновесится силой от давления со стороны измерительной емкости 1, т.е.

где S₂₄ - площадь поршня, м²; с₂₃ - жесткость пружины 23, Н/м; Δl - удлинение пружины 23, м.

Подставляя P₅ из (1) в (2), определим перемещение поршня, соответствующее удлинению пружины, в виде

В начальный момент времени (до перемещения поршня 24) состояние газа в измерительной емкости 1 будет описываться уравнением газового состояния в виде

где Р_атм - начальное абсолютное давление в емкости 1, равное атмосферному Р_атм, Па; V₁ - объем измерительной емкости 1, м³; V_в - объем контролируемого вещества, м³; Θ - масса газа в емкости 1, кг; R - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T - абсолютная температура, К.

После перемещения поршня 24 начальный объем емкости 1 уменьшится на ΔV₁=Δl S₂₄, а давление увеличится на ΔР. С учетом этого уравнение газового состояния (4) примет вид

Согласно закону Бойля-Мариотта из (4) и (5) с учетом (3) получим

или

здесь - постоянный для данной конструкции коэффициент, м³/кг.

После окончания первой стадии измерительного процесса на выходе пневматического тумблера 28 формируют сигнал P₂₈=0, которым изменяют состояние пневматических клапанов 18 и 22. Под действием давления подпора открываются сопла 16 и 20. Полость 14 емкости переменного объема 15 и измерительная емкость 1 соединяются с атмосферой. Сопловая камера 21 соединена с атмосферой через дроссель 29. За счет такого подключения уменьшается скорость разгрузки измерительной емкости 1. Так как полость 14 соединена через сопло 16 и сопловую камеру 17 с атмосферой непосредственно, то на поршень 24 в течение времени t_p разгрузки измерительной емкости будет действовать давление

где - постоянная времени апериодического звена, состоящего из емкости с объемом (V₁-V_B) и дросселя 29 с проводимостью β, с; ΔР_1н - давление в измерительной емкости 1 на начало ее разгрузки, Па.

Возврат поршня 24 в исходное состояние происходит за счет силы возвратного действия пружины 23 и силы от давления ΔР₁ на площадь S₂₄ поршня 24.

В уравнение (7) входит разность объемов V₁-V_B, которая не позволяет получить однозначную зависимость ΔР от плотности контролируемого материала. Для исключения такого состояния необходимо исключить влияние объема V₁ измерительной камеры на результат измерений.

После первого этапа измерения на выходе тумблера 30 формируют давление Р₃₀=1, под действием которого сопло 8 открывается, и давление подается на вход 13 сумматора 12. При подаче сигнала Р₃₀=0 происходит запоминание давления P₅ в камере 13 элемента сравнения 12.

Контролируемый материал 3 извлекают из измерительной емкости 1. Измерительную емкость 1 герметично закрывают крышкой 2 и подают давление P₂₈=1 с выхода пневматического тумблера 28 в камеры управления 26 и 27 клапанов 18 и 22. В полость 14 емкости переменного объема 15 поступит с выхода сумматора 12 давление

где ΔP₁ - увеличение давления в измерительной емкости 1 при отсутствии контролируемого материала, Па.

Равновесие в измерительной системе наступит, когда давление в ней изменится на величину

Здесь

Вычитая из уравнения (8) уравнение (6), после преобразования получим

где ν_в - удельный объем вещества, м³/кг.

Таким образом, рассмотренное пневмометрическое компрессионное устройство контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем позволяет увеличить точность и осуществить контроль простыми и дешевыми средствами.