СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к измерительной технике и обогащению полезных ископаемых, конкретно к методам и средствам автоматического контроля вязкости флотореагентов, тяжелых суспензий, пульп, вспенивателей и других жидких продуктов, и может быть использовано на углеобогатительных, железорудных, полиметаллических и других обогатительных фабриках с мокрыми способами обогащения.

Известно устройство для измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее вибрационный датчик вязкости с полым вибратором и измерительную схему, в котором для увеличения числа одновременно измеряемых параметров и обеспечения линейности шкалы вибратор выполнен таким образом, что две стороны его поперечного сечения, каждая длиной не менее 0,9 полупериметра сечения, параллельны, причем расстояние между ними меньше чем , где ν вязкость,ω угловая частота колебаний вибратора, а измерительная схема выполнена в виде подключенных друг к другу блоков измерения сдвига частоты и добротности вибратора, выходы которой соединены со входами блока умножения, соединенного в свою очередь с другим блоком умножения, второй выход которого подключен к выходу блока измерения сдвига частоты [1]
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения вязкости и узкий диапазон динамических измерений.

Известен способ непрерывного измерения вязкости жидкостей, основанный на измерении энергии, необходимой для поддержания колебаний виброэлектрического резонансного электромеханического преобразователя с резонансной частотой и постоянной амплитудой, в котором для повышения точности и расширения динамического диапазона поддерживают постоянной добротность резонансного электромеханического преобразователя путем демпфирования виброэлемента электромагнитного преобразователя постоянного тока, а о величине вязкости судят по силе тока в цепи демпфируемого преобразователя [2]
Известен способ измерения физико-химических характеристик жидких сред, например вязкости и плотности, при помощи вибрационного преобразователя, в котором для повышения точности одновременно измеряют частоту колебаний резонансной системы преобразователя, погруженного в исследуемую среду, и параметр, связанный с диссипативными потерями в той же жидкости, например амплитуду, и по полученным данным рассчитывают искомые величины [3]
Известно устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее помещаемый в исследуемую жидкость вибратор, подключенный к генератору колебаний, блок регистрации и индикации, схему автогенерации и электромеханические преобразователи [4]
Недостатками известных способа и устройства являются низкая точность измерения вязкости из-за невысокой чувствительности и низкая надежность по внезапным отказам из-за высокой сложности.

Цель изобретения повышение точности измерения вязкости за счет увеличения чувствительности при одновременном расширении функциональных возможностей за счет дополнительного измерения плотности и повышение надежности по внезапным отказам за счет упрощения.

Цель достигается тем, что в способе непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, включающем возбуждение колебаний рабочего тела, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний и определение искомых характеристик расчетным путем, в качестве рабочего тела используют подвешенный на упругом эластичном шнуре поплавок, дополнительно измеряют среднюю длину шнура, а амплитуду колебаний, определяют по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура, причем по средней длине шнура определяют плотность, а по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура ее вязкость.

Цель достигается тем, что устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее помещаемый в исследуемую жидкость вибратор, подключенный к генератору колебаний, и блок регистрации и индикации, дополнительно содержит омметр и вольтметр переменного напряжения, причем вибратор выполнен в виде поплавка, укрепленного на упругом эластичном подвесе, выполненном в виде петли из токопроводящего упругого эластичного материала, помещенного в оболочку из изоляционного упругого материала, при этом конца петли соединены со входами блока регистрации и индикации.

В устройстве для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости изоляционный материал выполнен из резины или латексного изделия.

На чертеже показано устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, причем для лучшего показа конструкции сосуд с цилиндром, шнур и поплавок даны в продольном осевом разрезе, при этом сечение шнура в поперечном направлении показано в увеличенном масштабе.

Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости содержит генератор 1 с вибратором (вибровозбудителем) 2, помещаемым в исследуемую жидкость 3.

Устройство снабжено омметром 4, вольтметром переменного напряжения 5, блоком индикации и регистрации 6 и поплавком 7, подвешенным на эластичном упругом подвесе в виде эластичного шнура 8, жила которого 9 выполнена в виде петли 10 из токопроводящей резины, а оболочка 11 жилы выполнена из изоляционного упругого эластичного материала, например резины или латексных изделий. Концы 12 и 13 жилы 9 соединены со входами омметра 4 и вольтметра переменного напряжения 5, выходы которых соединены со входами блока 6 индикации и регистрации. Второй конец шнура 8 жестко прикреплен к вибровозбудителю (вибратору) 2 без электрического контакта жилы с жидкостью и вибровозбудителем. Первый конец шнура прикреплен к поплавку 7 с изоляцией жилы от поплавка.

В состав устройства входят также цилиндрический сосуд 14 и размещенный в нем второй цилиндр 15, через края которого происходит перелив жидкости 3. Измеряемая жидкость 3 по входному патрубку 16 проходит через пеноотделитель 17 и по трубе 18 поступает в нижнюю часть сосуда 14. Сетка 19 обеспечивает ламинарный поток жидкости. Жидкость 3 поднимается по цилиндру 15 и, протекая через его край, попадает в сливной патрубок 20, куда через трубу 21 сливается и пена из пеноотделителя 17. Цилиндр 15 жестко соединен с сосудом 14 через расширяющееся основание 22, образуя между сосудом 14 и цилиндром 15 полость для перелива в нее жидкости 3. Сосуд 14 закреплен на подставке 23. Изоляция жилы 9 от поплавка 7 и от вибровозбудителя выполнена с помощью изоляционной оболочки 11.

Способ непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости реализуется следующей последовательностью операций.

Подвешивают на упругом эластичном шнуре поплавок. Поплавок опускают в контролируемую жидкость. Через эластичный упругий шнур от электромеханического преобразователя сообщают поплавку колебания с резонансной частотой в вертикальном направлении. Измеряют амплитуду гармонических удлинений шнура, вызванных гармоническими вертикальными колебаниями поплавка. Определяют среднее значение длины эластичного шнура, на котором подвешен поплавок. По амплитуде гармонических удлинений шнура определяют вязкость контролируемой жидкости. По среднему значению длины шнура определяют плотность жидкости.

Устpойство для непрерывного одновременного измерения вязкости и плотности жидкости работает следующим образом.

Контролируемая жидкость по входному патрубку 16 подается в пеноотделитель 17. Находящаяся в жидкости пена всплывает в верх пеноотделителя 17 и через трубу 21 сливается через сливной патрубок 20. Очищенная таким образом от пены жидкость по трубе 18 подается в нижнюю часть сосуда 14. На пути входа жидкости 3 в сосуд 4 установлена сетка 19, которая обеспечивает ламинарное течение жидкости снизу вверх в сосуде 14, т.е. во второй цилиндр 15. Жидкость 3 переливается через края второго цилиндра 15 и попадает в промежуток между сосудом 14 и цилиндром 15 и далее вытекает через сливной патрубок 20. Этим обеспечивается постоянный верхний уровень жидкости во втором цилиндре 14 и спокойный ламинарный поток жидкости в цилиндре 14 снизу вверх.

Включают генератор 1 с вибровозбудителем (вибратором) 2 на выходе. При этом вибратор осуществляет гармонические колебания в вертикальном направлении. Вместе с вибратором 2 вертикальные гармонические колебания осуществляет и прикрепленный к нему упругий шнур 8, а с ним и поплавок 7. Цилиндры 14 и 15 заполняют образцовой контролируемой жидкостью со средним значением вязкости . Концы 12 и 13 жилы 9 подключены ко входам омметра 4 и вольтметра переменного напряжения 5. Поэтому омметр определяет (измеряет) среднее значение сопротивления жилы 9, а вольтметр переменного напряжения 5 измеряет переменное напряжение на его входах. Это переменное напряжение возникает из-за того, что в токопроводящую жилу 9 из омметра 4 поступает электрический ток, а сопротивление жилы гармонически изменяется из-за периодических удлинений и сокращений жилы. Эти сокращения и удлинения вызваны гармоническими колебаниями в вертикальном направлении вибратора 2, которые по эластичному упругому шнуру 8 передаются поплавку. Так как гармонически изменяется из-за колебаний поплавка сопротивление жилы 9, то на концах 12 и 13 жилы возникает переменное напряжение, пропорциональное амплитуде гармонических колебаний. Частоту генератора 1 изменяют до получения максимальных показаний на выходе вольтметра переменного напряжения 5.

Теперь, если по второму цилиндру 15 будет протекать жидкость с неизвестным значением вязкости, то амплитуда периодических растяжений и сокращений упругого эластичного шнура 8 будет соответствующим образом изменяться: с уменьшением вязкости жидкости она будет тормозить колебания поплавка 7 и амплитуда будет падать, с ростом вязкости контролируемой жидкости она будет больше тормозить возникающие от шнура 8 колебания поплавка 7 и в результате амплитуда периодических колебаний (удлинений и сокращений) шнура будет расти. Амплитуда периодических изменений длины жилы 9 будет являться мерой вязкости жидкости, такой, что с увеличением вязкости амплитуда будет прямо пропорционально расти. Пропорционально квадрату изменений длины жилы 9 будет изменяться и переменное напряжение на входе вольтметра переменного напряжения 5.

В любой момент времени на поплавок 7 действуют две противоположно направленные силы. Первая сила направлена вниз и численно равна весу поплавка 7 Р_п. Вторая сила равна сумме двух составляющих: первая составляющая равна выталкивающей силе, численно равной произведению удельного веса жидкости Р_ж на объем поплавка V, а вторая составляющая равна упругой силе растяжения шнура 8, численно равной произведению удлинения шнура Δ l на жесткость шнура К. При равенстве обоих сил поплавок 7 находится в равновесии. Чем больше удельный вес жидкости, тем больше выталкивающая сила и тем выше во втором цилиндре 15 находится поплавок, и наоборот. Поэтому длина шнура в любой момент времени является однозначной мерой удельного веса (плотности) жидкости.

Известно, что сопротивление любого проводника прямо пропорционально его удельному сопротивлению ρ и длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S,
R ρl/S (1) Если длина шнура l увеличивается в 2 раза от l до 2l, то одновременно поперечное сечение шнура S уменьшается от S до S/2, так как шнур работает в пределах упругих деформаций и при любых изменениях длины шнура его объем остается постоянным. При увеличении длины шнура в n раз от l до nl его сечение уменьшается от S до S/n. Поэтому согласно формуле (1) с увеличением длины шнура от l до nl его сопротивление увеличивается в n² раз. Этим обеспечивается увеличение чувствительности к вязкости и плотности жидкости также в n раз, т.е. при увеличении плотности или вязкости жидкости в n раз в n² раз увеличивается сопротивление жилы 9 шнура 8 и соответственно в n² раз увеличиваются сигналы на выходах омметра 4 и вольтметра 5.

Сигналы с выходов омметра 4 и вольтметра 5 передаются в блок 6 индикации и регистрации, где индицируются и регистрируются непосредственно в единицах вязкости и плотности жидкости.

Градуировка устройства состоит в приведении в однозначное соответствие показаний блока 6 со значениями вязкости и плотности жидкости соответственно. Шкала блока 6 квадратичная и привести ее в однозначное соответствие можно любым из известных методов градуировки.

Техническими преимуществами способа и устройства по сравнению с известными являются: увеличена в n раз чувствительность к вязкости жидкости; расширены функциональные возможности за счет дополнительного измерения плотности жидкости; повышена надежность работы по внезапным отказам за счет упрощения; расширены функциональные возможности за счет обеспечения контроля токопроводящих и агрессивных жидкостей, так как поплавок и шнур легко выполняются изоляционными или стойкими к химическим воздействиям. Одновременное повышение точности, расширение функциональных возможностей и упрощение свидетельствуют о преодолении технического противоречия в способе и устройстве для его осуществления.

Использование: для непрерывного определения вязкости и плотности жидких сред. Сущность изобретения: способ включает возбуждение колебаний рабочего тела, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний и определение вязкости и плотности расчетным путем. В качестве рабочего тела используют подвешенный на упругом эластичном шнуре поплавок. Амплитуду колебаний определяют по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура. Дополнительно измеряют среднюю длину шнура, по которой определяют плотность. Вязкость определяют по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура. Устройство содержит помещаемый в исследуемую жидкость вибратор, выполненный в виде поплавка, укрепленного на упругом эластичном подвесе, выполненном в виде петли из токопроводящего упругого эластичного материала, помещенного в оболочку из изоляционного упругого материала. Концы петли соединены со входами блоков регистрации и индикации. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, включающий возбуждение колебаний рабочего тела, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний и определение искомых характеристик расчетным путем, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют подвешенный на упругом эластичном шнуре поплавок, дополнительно измеряют среднюю длину шнура, а амплитуду колебаний определяют по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура, причем по средней длине шнура определяют плотность, а по величине гармонических удлинений упругого эластичного шнура ее вязкость. 2. Устройство для непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, содержащее помещаемый в исследуемую жидкость вибратор, подключенный к генератору колебаний, и блок регистрации и индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит омметр и вольтметр переменного напряжения, причем вибратор выполнен в виде поплавка, укрепленного на упругом эластичном подвесе, выполненном в виде петли из токопроводящего упругого эластичного материала, помещенного в оболочку из изоляционного упругого материала, при этом концы петли соединены с входами блока регистрации и индикации. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что изоляционный материал выполнен из резины или латексного изделия.