Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

ній частині камери вимірювального каналу встановлена поворотна регулююча заслінка (РЗ) для створення опору протіканню зерна. За рахунок цього швидкість руху зерна у вимірювальному каналі нижча, ніж у відкритому обвідному каналі. Тому при роботі вимірювальна камера завжди заповнена зерном, що повільно протікає крізь неї, а надлишок швидко перетікає по обвідному каналу.

На зовнішній поверхні датчика встановлений герметично виконаний корпус НВЧ-генератора (Г) з термометром опору для вимірювання температури зерна. На іншій стороні датчика змонтовано герметичний корпус приймача (П) електромагнітних коливань.

НВЧ-генератор 2 (рис. 17.1 б) виробляє синусоїдальні коливання строго фіксованої частоти, які модулюються прямокутними імпульсами за допомогою модулятора 1. Передавальною антеною 3 вузький пучок електромагнітних хвиль направляють крізь шар зерна 4, яке заповнює вимірювальну камеру. Вода, що міститься у зерні у вигляді вологи, поглинає відповідну частину енергії електромагнітного випромінювання. Послаблений потік випромінювання на іншому боці цієї камери вловлюють приймальною антеною 5. Сигнал антени подають на вимірювальний аттенюатор 6 і направляють у детектор 7, що виділяє сигнал низької частоти. Цей сигнал підсилюють за допомогою підсилювача низької частоти 8 і направляють у блок БОІ для обчислення результату вимірювання. Сюди ж надходить і коригувальний сигнал від ПП температури зерна.

У БОІ результат вимірювання висвітлюється на рідкокристалічному цифровому індикаторі, а крім того, за допомогою нормуючого перетворювача та АЦП перетворюється у вихідні уніфіковані аналоговий (4…20 мА) й цифровий (RS485) сигнали для подальшого використання в схемі автоматизації.

В залежності від модифікації Мікрорадар-113 може мати різні діапазони вимірювання при основній абсолютній похибці вимірювання ± 0,5 % вологості матеріалу. Так, наприклад, вологомір для вимірювання вологості зерна має шкалу 10…20 %, вологості жому после пресса — 20…25 %, керамічного прес-порошка — 2,0… 7,0 %.

Рис. 17.2. Інфрачервоний вологомір МСТ-360

Інфрачервоні фільтри аналізатора генерують послідовність світлових імпульсів. Один з імпульсів вибирають так, щоб знаходитися у максимумі поглинання відповідного молекулярного зв’язку. Інші вибирають на ділянках спектру, де відсутнє поглинання. Імпульси освітлюють аналізований зразок, а відбите від нього світло збирають і фокусують оптичною схемою на світлочутливім елементі. Отримані таким чином електричні сигнали обробляються за допомогою вбудованого мікроконтролера.

При ретельнішому розгляді МСТ-360 являє собою інфрачервоний фотометричний аналізатор, призначений для вимірювання поглиненої продуктом енергії ІЧ-випромінювання кварцової галогенної лампи 4. Система прецизійних лінз 5 і дзеркал 6 збирає ІЧ-випромінювання й направляє його крізь оптичні канали на досліджуваний зразок 3. В корпусі приладу для захисту оптичних і електронних компонентів герметично змонтований прозорий ілюмінатор 7. Увігнуте сферичне дзеркало 8 збирає ІЧ-випромінювання, відбите віддосліджуваногозразка, інаправляєнадетектор9 — фоторезистор на основі сульфіду свинцю.

При вимірюванні вологості використовуються дві довжини хвилі. Випромінювання однієї довжини хвилі служить опорним і не поглинається ні вологою, ні підкладкою 2. Випромінювання іншої довжини хвилі є вимірювальним і помітно поглинається вологою, але не підкладкою.

Для отримання випромінювання зазначених довжин хвиль у приладі використовуються прецизійні інфрачервоні оптичні інтерференційні фільтри R і М, змонтовані в обертовому диску 10.

Фільтри R призначені для отримання опорного променя, а фільтр М — вимірювального. При обертанні диску вони по черзі перетинають промені від джерела 4, пропускаючи випромінювання тільки з певною довжиною хвилі. Диск також містить прозорі «візирні» фільтри V, що пропускають видиме випромінювання для візуальної юстировки положення приладу щодо аналізованого матеріалу.

Оптично розсічений інфрачервоний промінь фокусується на досліджуваному матеріалі 3. Спочатку на матеріал направляється опорне випромінювання, прилад вимірює кількість відбитої від зразка енергії. Потім на зразок направляється вимірювальне випромінюванняйтакожвизначаєтьсяйоговідбитачастина.Вимірювальний промінь частково поглинається вимірюваним компонентом (у даному випадку водою) так, що кількість відбитої енергії виходить меншою, ніж у випадку з опорним променем і відсутністю поглинання.

Детектор випромінювання 9 формує електричні сигнали, пропорційні інтенсивності відбитих опорного й вимірювального променів і направляє їх у мікроконтролер 11, який обчислює відношення цих сигналів, тобто коефіцієнт поглинання. Зміна цього коефіцієнта пропорційна зміні вологовмісту аналізованого матеріалу.

Опорний і вимірювальний промені називаються зовнішніми променями 12. Для виключення дрейфу й підвищення стабільності результатів вимірювань у приладі використовуються також внутрішні промені 13, які мають ті самі довжини хвиль, що й зовнішні промені, але не направляються на матеріал.

Внутрішні промені надходять від того ж джерела, проходять крізь ті ж фільтри й надходять на той же детектор, що й зовнішні. Величини чотирьох електричних сигналів детектора використовуються в мікроконтролері для обчислення вологості W за наступною формулою:

де R — сигнал відбитого опорного променя; M — сигнал відбитого вимірювального променя; R1 — сигнал внутрішнього опорного променя; M1 — сигнал внутрішнього вимірювального променя.

Диск по периметру має несиметрично розташовані вирізи 14 для синхронізації режиму вимірювання мікропроцесорного контролера з положенням диска. У моменти проходження чергового синхровиріза датчик 15 (оптопара «світлодіод-фототранзистор»), виробляє імпульси напруги, що надходять у комутатор 16, який синхронно зі зміною фільтрів, що перетинають внутрішні й зовнішні промені, перемикає режими вимірювання мікроконтролера.

У блоці контролера є також енергонезалежна пам’ять 17, клавіатура 18 керування і програмування та цифрове світлодіодне індикаторне табло 19.

В інших модифікаціях МСТ-360, що вимірюють декілька компонентів, у диск 10 вбудовані додаткові світлофільтри для отримання ІЧ-випромінювання відповідних довжин хвиль.

18. ВИМІРЮВАННЯ ГУСТИНИ Й В’ЯЗКОСТІ РІДИНИ

18.1. Густиноміри

Густина є однією з основних фізичних величин, що характеризує

Ареометр — найпростіший лабораторний прилад для визначення густини і являє собою порожній герметичний циліндр із каліброваним баластом, закріпленим на його дні за допомогою, наприклад, сургучу. У корпусі ареометрів часткового занурення є шкала. Верхня частина корпуса ареометра повного занурення переходить у запаяну трубку малого діаметра з нанесеною на неї шкалою (рис. 18.1).

а) б)

Рис. 18.1. Ареометри постійної маси: а) часткового занурення;

б) повного занурення із вбудованим термометром

При зануренні в рідину на ареометр діє Архімедова сила, що виштовхує, й сила ваги приладу. Коли вони врівноважуються, ареометр припиняє своє занурення в рідину. Глибина занурення, при якій ареометр постійної маси приходить у рівноважний стан, залежить від густини рідини: чим більше густина, тим менша глибина занурення.

У процесі вимірювання поверхня рідини викривляється, навколо плаваючого в рідині ареометра утворюється меніск, який дуже впливає на результат вимірювання.

Істотна похибка через вплив меніска характерна для ареометрів часткового занурення, де площа взаємодії меніска із приладом визначається діаметром ареометра. Для зменшення цього впливу застосовують ареометри повного занурення, де з меніском взаємодіє трубка-шкала меншого діаметра.

Температура також впливає на результат вимірювання густини, тому його корегують за значенням температури рідини за допомогою спеціальних таблиць. Для цього іноді в одному корпусі сполучають ареометр із термометром, як це показано на рис. 18.1 б.

Ареометри постійної маси бувають еталонними, зразковими й робочими.

Ареометри, шкала яких проградуйована в одиницях густини, називають денсиметрами (від латинського densus — густий), наприклад, лактоденсиметри — для вимірювання густини молока й сироватки.

Якщо шкала ареометра проградуйована у відсотках концентрації якої-небудь речовини, він має назву цього компонента, наприклад, спиртометр — для визначення процентного вмісту (за об’ємом) безводного спирту в розчині, цукрометр — для визначення процентного вмісту (по масі) сухих речовин у розчині і т.д.

Поплавкові густиноміри: в якості чутливого елемента тут використовують металевий поплавець 1, який працює подібно до ареометра й переміщується у вимірювальній проточній посудині 2 з постійним рівнем (рис. 18.2).

Вертикальне переміщення поплавця, викликане зміною густини аналізованоїрідини, вимірюєтьсязадопомогоюодногозбезконтактних перетворювачів переміщення 3, розглянутих нами в розділі 7, наприклад — ПП Холу, зв’язаного із вторинним вимірювальним приладом 4.

Вагові густиноміри використовують прямо пропорційну залежність маси речовини при незмінному його об’ємі від густини. Для вимірювання густини досить безупинно зважувати певний об’єм речовини, що протікає по трубопроводу. Перевагою таких густиномірів є незалежність показань від властивостей і швидкості

протікання рідини, можливість їх використання для аналізу пульп, суспензій, забруднених і летучих рідин.

Схема одного з вагових густиномірів наведена на рис. 18.3. Петлеватруба1 однимкінцемопираєтьсянаповоротніопори, розміщені по осі обертання ОО’, а іншим підвішена за допомогою гнучкої тяги 2 доважеля3 противаги, призначеногодляустановкипочаткушкали приладу. Масу порожньої труби 1 при цьому врівноважують за допомогою гир грубого 4 і точного 5 настроювання. Петлева труба 1 з’єднана з нерухомими вхідним 6 і вихідним 7 патрубками за допомогою еластичних вставок, зазвичай сильфонного типу.

За зміни густини рідини, що протікає крізь прилад, вільний кінець петлевої труби переміщується. Для зниження похибки вимірювання це переміщення обмежують за допомогою слідкуючих компенсаційних, наприклад, пневматичних схем вимірювання. У сучасних схемах рухомий кінець петлевої труби опирається на тензодатчик 9, пов’язаний із цифровим приладом 10, що показує і виробляє уніфікований струмовий вихідний сигнал. Клас точності вагових петлевих густиномірів буває від 0,5 до 1,0.

Вібраційнігустиноміри. Принципдіїїхзаснованийназалежності параметрів вимушених пружних коливань труби з досліджуваною речовиною від густини цієї речовини. Звичайно в якості такої залежності служить частота власних коливань резонатора, що утворює разом із системами збудження й зворотного зв’язку електромеханічний генератор.

Частотаf0 власнихколиваньмеханічногорезонаторавизначається відомим вираженням

де С и m — твердість і маса резонатора.

Існуєбезлічконструкційрезонаторів. Дляпроточнихгустиномірів (рис. 18.4) часто використовують резонатор у вигляді здвоєного трубчастого камертону 1, гілки якого приводяться в режим автоколиваньупротифазізадопомогоюсистемизбудження, щоскладається зі збудника 2, приймача коливань 3 і мікроконтролера 4. Камертон служить ланкою позитивного зворотного зв’язку. Стабільність його власної резонансної частоти, обумовлена добротністю коливальної системи і характеризує точністні можливості приладу в цілому.

Резонатор відділено від опор 5 гумовими манжетами 6. При цьому рідину підводять до нього по еластичних рукавах 7, що запобігають передачі поздовжніх коливань ніжок камертона корпусу 8 і трубопроводу. Крім того, вони захищають камертон від впливу температурних деформацій корпуса й трубопроводу. Вихідний сигнал датчика у вигляді частоти змінного струму, що залежить від густини, реєструється мікроконтролером.

Рис. 18.4. Вібраційний густиномір

Власна частота резонатора визначається співвідношенням [5]:

частота порожнього резонатора; λ — постійна, рівна 4,73; E — модуль пружності матеріалу резонатора; l — еквівалентна довжина галузей резонатора; I — момент інерції перетину; mст — маса одиниці довжини стінок резонатора; А = S/mст — постійна датчика; S — площа поперечного перерізу отвору трубки камертона.

Вібраційні густиноміри мають високу точність, чутливість і надійність. Вони безпосередньо перетворюють вимірювану густину в частотний вихідний сигнал і можуть застосуватися при різних тисках і широкій гамі контрольованих рідин і газів. Їх застосовують як для однорідних рідин, так і для суспензій.