МИКРОВИСКОЗИМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к технике измерения реологических характеристик жидкостей, преимущественно в тех случаях, когда объем исследуемой пробы составляет 0,01-0,1 мл, и может быть использовано, например, при исследовании крови и других биологических жидкостей.

Известны вискозиметры с малым рабочим объемом (микровискозиметры), действие которых основано на измерении времени прохождения столбиком жидкости, помещенной в измерительный капилляр, фиксированного расстояния под действием заданного перепада давлений [1]
Недостатком таких приборов является то, что скорость сдвига в объеме жидкости непостоянна, что крайне нежелательно при исследовании неньютоновских сред, в частности крови, растворов биополимеров и т.п.

Известен микровискозиметр [2] с цилиндрическим статором, рабочей поверхностью которого является плоская верхняя торцевая поверхность, и свободноустановленным ротором из немагнитного электропроводного материала, представляющим собой цилиндрическую чашечку с плоской нижней рабочей поверхностью. Статор и ротор помещены в термостатирующую рубашку, расположенную в рабочем зазоре магнитного привода вращательного движения. Вискозиметр содержит также датчик периода вращения ротора и измеритель периода.

Это техническое решение является наиболее близким к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.

Известный микровискозиметр работает следующим образом. На рабочую поверхность статора наносят каплю жидкости строго фиксированного объема, и сверху на каплю помещают ротор. Благодаря силам поверхностного натяжения жидкости ротор поддерживается во взвешенном состоянии и автоматически устанавливается соосно статору. Вращающееся магнитное поле, имеющееся в рабочем зазоре магнитного привода, создает постоянный крутящий момент, действующий на ротор. Период вращения ротора, линейно зависящий от вязкости жидкости, определяют с помощью датчика и измерителя периода.

Недостатком этого микровискозиметра также является непостоянство скорости сдвига в объеме образца жидкости (скорость сдвига изменяется от нуля на оси вращения ротора до максимальных значений на периферии образца), что существенно снижает точность измерения реологических параметров неньютоновских сред, в частности жидкостей биологического происхождения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения реологических характеристик неньютоновских жидкостей при исследовании образцов малого объема.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном микровискозиметре, содержащем свободноустановленный ротор из немагнитного электропроводного материала и статор, помещенные в термостатирующую рубашку, соединенную со схемой термостатирования, и расположенную в рабочем зазоре магнитного привода вращательного движения, и датчик периода вращения ротора, согласно изобретению, статор выполнен в виде тела вращения с цилиндрической внешней рабочей поверхностью, а ротор выполнен в виде охватывающего статор свободноустановленного кольца с цилиндрической внутренней рабочей поверхностью, причем ширина рабочей поверхности ротора не больше ширины рабочей поверхности статора.

В предложенном техническом решении жидкость заполняет кольцевой зазор между внешней цилиндрической поверхностью статора и внутренней цилиндрической поверхностью ротора, причем ротор, как и в прототипе, поддерживается во взвешенном состоянии и устанавливается соосно статору благодаря силам поверхностного натяжения. Статор может быть выполнен, например, в виде диска с плоскими горизонтальными торцевыми поверхностями и цилиндрической вертикальной боковой поверхностью, закрепленного на стойке, а ротор в виде тонкостенного кольца (толщина стенки около 0,1 мм), изготовленного из алюминиевого сплава. Диаметр рабочих поверхностей статора и ротора выбирают порядка нескольких миллиметров, ширину рабочих поверхностей около 1-2 мм, величину зазора между ними порядка десятых долей миллиметра. При этом локальная величина скорости сдвига оказывается практически постоянной по объему жидкости, что приводит к значительному повышению точности измерения реологических характеристик неньютоновских сред.

Статор имеет, как правило, большую ширину рабочей поверхности, чем ротор, благодаря чему область перекрывания рабочих поверхностей статора и ротора остается неизменной независимо от плотности, коэффициента поверхностного натяжения и (в известных пределах) от объема жидкости, несмотря на то, что уровень расположения ротора относительно статора изменяется в зависимости от указанных величин. Постоянство области перекрывания рабочих поверхностей статора и ротора также приводит к повышению точности измерений.

Материалом статора в конкретных исполнениях может служить как немагнитный (пластик, керамика, алюминиевые сплавы), так и магнитомягкий материал (пермаллой, магнитомягкий феррит); в последнем случае за счет концентрации магнитного потока в области ротора повышается эффективность магнитного привода вращательного движения.

Статор и ротор в конкретных вариантах конструкции могут быть снабжены защитным покрытием, инертным к действию различных сред, например полимерным, оксидным или выполненным из инертного металла, что расширяет класс жидкостей, доступных для исследования с помощью микровискозиметра.

Термостатирующая рубашка, в которой размещены статор и ротор, в конкретном исполнении прибора выполнена с возможностью ее герметизации, что ограничивает испарение жидкости в процессе измерений и, следовательно, повышает их точность. В особенности это касается многокомпонентных исследуемых систем, в частности растворов, когда испарение одного или нескольких компонентов приводит к изменению состава системы.

Магнитный привод вращательного движения может быть выполнен, например, в виде двух электромагнитов, создающих в области ротора взаимно перпендикулярные магнитные поля и питающихся от источников переменного тока с независимо регулируемыми амплитудами тока (и постоянным сдвигом фаз, равным 90^о). В этом случае крутящий момент, действующий на ротор, и напряжение сдвига в жидкости прямо пропорциональны произведению амплитуд тока в указанных электромагнитах (т. е. прямо пропорциональны амплитуде тока в одном из электромагнитов при фиксированной амплитуде тока в другом), что позволяет в линейном масштабе регистрировать зависимость скорости сдвига и вязкости от напряжения сдвига, используя в качестве непрерывно варьируемого параметра амплитуду тока в одном из электромагнитов, а в качестве величины, задающей предел измерений по напряжению сдвига, дискретно (кратно) изменяемую амплитуду тока в другом.

Датчик периода вращения ротора в конкретном исполнении содержит источник света (светодиод), фоточувствительный элемент (фотодиод), оптический отражатель, расположенный на внешней боковой поверхности ротора (наклеенное миниатюрное зеркало из металлизированной полимерной пленки или плоско сошлифованный и отполированный участок внешней поверхности ротора) и два волоконных световода, закрепленных (и герметично уплотненных) в отверстии (отверстиях), выполненном в стенке термостатирующей рубашки на уровне ротора, причем один из световодов подключен к источнику света, а другой к фоточувствительному элементу. Такая конструкция датчика позволяет избежать дополнительного нагрева жидкости источником света, что улучшает стабильность поддержания температуры, и устанавливать фоточувствительный элемент и источник света на общей монтажной плате с другими элементами схемы микровискозиметра, что повышает помехоустойчивость схемы и упрощает технологию изготовления прибора.

В конкретном исполнении микровискозиметра датчик периода вращения ротора, схема термостатирования и магнитный привод вращательного движения соединены с управляющим вычислительным устройством, в качестве которого может быть использован аналоговый или цифровой специализированный вычислитель или универсальный микрокомпьютер.

Общая схема микровискозиметра приведена на чертеже.

Статор 1 представляет собой тело вращения с цилиндрической внешней боковой рабочей поверхностью (металлический диск с защитным покрытием, инертным к действию различных сред), ротор 2 свободноустановленное кольцо с цилиндрической внутренней рабочей поверхностью, выполненное из немагнитного электропроводного материала (например, из алюминиевого сплава с защитным покрытием). Между рабочими поверхностями статора 1 и ротора 2 в виде кольцевого слоя расположена капля 3 исследуемой жидкости. Статор 1, ротор 2 и капля 3 жидкости размещены в термостатирующей рубашке 4, выполненной с возможностью герметизации, подключенной к схеме 5 термостатирования и расположенной в рабочем зазоре магнитного привода 6 вращательного движения. Магнитный привод 6 (показан условно) выполнен в виде двух электромагнитов с взаимно перпендикулярными осями и общий рабочим зазором, каждый из которых снабжен регулируемым источником переменного тока. В частности, возможен вариант конструкции, когда эти электромагниты имеют общий кольцевой магнитопровод с четырьмя крестообразно расположенными и направленными к центру (к рабочему зазору) радиальными отростками, на которых размещены четыре обмотки, причем противолежащие обмотки попарно соединены между собой (конструкция, аналогичная статору двухфазного асинхронного двигателя). Датчик периода вращения ротора 2 содержит оптический отражатель 7, расположенный на роторе 2, и волоконные световоды 8, введенные внутрь термостатирующей рубашки 4, один из которых подключен к источнику света 9, а другой к фоточувствительному элементу 10. В конкретном исполнении микровискозиметра фоточувствительный элемент 10 датчика периода, а также схема 5 термостатирования и магнитный привод 6 соединены с управляющим вычислительным устройством 11.

Микровискозиметр работает следующим образом.

Ротор 2 приводят в рабочее положение (см. чертеж). Удерживая ротор 2 в этом положении, в кольцевой зазор между рабочими поверхностями статора 1 и ротора 2 с помощью микродозатора вводят каплю 3 исследуемой жидкости и освобождают ротор. Под действием сил поверхностного натяжения ротор 2 устанавливается соосно статору 1 в пределах рабочей поверхности последнего.

Наличие вращающегося магнитного поля, создаваемого магнитным приводом 6 в области ротора 2, приводит к тому, что на ротор действует крутящий момент, причем величина этого момента пропорциональна произведению амплитуд токов в электромагнитах привода 6. При установившемся движении ротора напряжение сдвига практически постоянно по объему жидкости и пропорционально величине крутящего момента, действующего на ротор, а следовательно, и указанному произведению амплитуд токов. При этом период вращения ротора линейно зависит от вязкости жидкости, а скорость сдвига, также практически постоянная по объему жидкости, обратно пропорциональна указанному периоду.

Изменяя амплитуду тока в одном из электромагнитов привода 6 (при постоянной амплитуде тока в другом электромагните, задающей предел измерения), посредством датчика периода (источник света 9, световоды 8, отражатель 7, фоточувствительный элемент 10) и устройства 11 регистрируют период вращения ротора 2 как функцию этой амплитуды, и с помощью устройства 11 по полученной зависимости определяют реологические характеристики исследуемой жидкости, например вязкость как функцию напряжения сдвига или скорости сдвига. Изменяя температуру жидкости (с помощью термостатирующей рубашки 4 и схемы термостатирования 5), определяют температурные вариации реологических характеристик.

Коэффициент пропорциональности между напряжением сдвига в жидкости и произведением амплитуд тока в электромагнитах привода 6, а также коэффициенты линейной зависимости между вязкостью жидкости и периодом вращения ротора 2 определяют в процессе предварительной градуировки микровискозиметра по жидкостям с заранее известными значениями вязкости.

Последовательность и режимы регистрации экспериментальных зависимостей (в том числе температурных) и форма представления результатов определяются программой управляющего вычислительного устройства 11.

Предложенное техническое решение позволяет повысить точность измерения реологических характеристик неньютоновских жидкостей при исследовании образцов малого объема.

Использование: для измерения реологических характеристик жидких сред. Сущность изобретения: микровискозимер содержит статор с цилиндрической внешней рабочей поверхностью и ротор с цилиндрической внутренней поверхностью, который поддерживается во взвешенном состоянии и устанавливается соосно статору при размещении между ними исследуемой жидкости. Статор, ротор и капля жидкости могут быть помещены в герметичную термостатирующую рубашку, подключенную к схеме термостатирования. Датчик периода вращения ротора может быть выполнен в виде двух волоконных световодов, закрепленных в стенке термостатирующей рубашки на уровне ротора, один из которых подключен к источнику света, а другой - к фоточувствительному элементу, и отражателя, расположенного на внешней поверхности ротора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. МИКРОВИСКОЗИМЕТР, содержащий свободно установленный ротор из немагнитного электропроводного материала и статор, размещенные в термостатирующей рубашке, соединенной со схемой термостатирования и расположенной в зазоре магнитного привода вращательного движения, и датчик периода вращения ротора, отличающийся тем, что статор выполнен в виде тела вращения с цилиндрической внешней рабочей поверхностью, а ротор выполнен в виде охватывающего статор свободноустановленного кольца с цилиндрической внутренней рабочей поверхностью, причем ширина рабочей поверхности ротора не больше ширины рабочей поверхности статора. 2. Микровискозиметр по п.1, отличающийся тем, что термостатирующая рубашка выполнена с возможностью герметизации ее внутреннего объема. 3. Микровискозиметр по п.1, отличающийся тем, что датчик периода вращения ротора выполнен в виде двух волоконных световодов, закрепленных в стенке термостатирующей рубашки на уровне ротора, один из которых подключен к источнику света, а другой к фоточувствительному элементу, и отражателя, расположенного на внешней поверхности ротора. 4. Микровискозиметр по п.1, отличающийся тем, что магнитный привод вращательного движения выполнен в виде двух электромагнитов с взаимно перпендикулярными осями и общим рабочим зазором, причем каждый электромагнит снабжен регулируемым источником переменного тока. 5. Микровискозиметр по п. 1, отличающийся тем, что статор выполнен из магнитномягкого материала. 6. Микровискозиметр по п.1, отличающийся тем, что статор и ротор снабжены инертными к действию различных сред покрытиями.