ВИСКОЗИМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к измерению реологических характеристик жидких сред с использованием колебательного вискозиметра. Преимущественная область использования измерение вязкости жидких сред в труднодоступных местах.

Наиболее близким к изобретению является колебательный вискозиметр, состоящий из колебательного зонда, средств для возбуждения крутильных колебаний и средств для их регистрации. Зонд представляет собой полый наконечник, укрепленный на конце упругого полого тонкостенного торсиона. Возмущающая сила передается от силовозбудителей, жестко закрепленных на корпусе, через жесткий центральный стержень на зонд, который совершает крутильные колебания относительно корпуса [1]
Недостатком является то, что зонд совершает колебания относительно неподвижного массивного корпуса вискозиметра, что приводит к утечке энергии в корпус, которая может быть по величине соизмерима с рассеянием энергии вибрирующего зонда в жидкости. Из-за этого существенно снижается точность определения вязкости жидкости. Кроме того, данный вискозиметр имеет большие габариты и его невозможно использовать для измерения вязкости жидкости в труднодоступных местах.

Данное изобретение направлено на повышение точности определения вязкости жидкости и обеспечение возможности ее измерения в труднодоступных местах.

Для этого колебательный зонд и элемент корпуса выполнены в виде полых герметичных цилиндров с одинаковыми наружным диаметром и высотой, возбудитель крутильных колебаний выполнен в виде электромагнитов и полюсных наконечников, которые установлены соответственно в элементе корпуса и на концах крестовины диаметрально противоположно и попарно друг против друга, причем моменты инерции полых цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами одинаковы, а к наружной поверхности элемента корпуса в точке пересечения его с осью вала прикреплена гибкая нерастяжимая нить. Кроме того, в полости одного из цилиндров размещен регулятор величины момента инерции цилиндра относительно его оси, выполненный в виде двух одинаковых подвижно установленных масс, размещенных диаметрально противоположно.

На фиг.1 схематически изображен продольный разрез вискозиметра; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1.

Вискозиметр состоит из двух полых цилиндров 1 и 2, герметично закрытых крышками 3 и 4 с прокладками 5 и 6. Цилиндры соосно соединены упругим полым тонкостенным стержнем 7, образуя тем самым крутильный маятник. К наружной поверхности крышки 3 в точке, совпадающей с осью цилиндра, прикреплена гибкая нерастяжимая нить (трос) 8. В полом цилиндре 1 на внутренней его стенке жестко и диаметрально противоположно укреплены электромагниты 9 и 10, напротив которых находятся полюсные наконечники (ферромагнитные массы) 11 и 12, установленные на концах крестовины 13. Крестовина 13 соединена с жестким валом 14, проходящим через упругий полый стержень 7 и скрепленным соосно с полым цилиндром 2. Электромагниты 9 и 10 связаны с блоком 15 возбуждения колебаний, а на упругий полый тонкостенный стержень 7 с внутренней стороны наклеен тензорезистор 16, связанный с блоком 17 регистрации колебаний, состоящим, например, из двухлучевого осциллографа и частотомера. Наружный диаметр и высота обоих полых герметичных цилиндров 1 и 2 одинаковы. В полости одного из герметичных цилиндров (в полости цилиндра 2) размещен регулятор 18 величины момента инерции цилиндра относительно его оси, выполненный, например, в виде двух одинаковых подвижно установленных масс, размещенных диаметрально противоположно. Моменты инерции обоих полых цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами относительно их общей оси одинаковы. На крышке 3 в зоне крепления нити 8 установлены проходные герметические электроизоляторы (не показаны), через которые выведены электрические провода как от тензорезистора, так и от электромагнитов.

Вискозиметр работает следующим образом.

Крутильный маятник вискозиметра подвешивают на нити 8. От блока 15 возбуждения управляющий сигнал с требуемой частотой подают поочередно на каждый электромагнит, т.е. в противофазе. Благодаря направлению возникающего силового воздействия между электромагнитами и полюсными наконечниками на полый упругий стержень 7 передается знакопеременный крутящий момент и в вискозиметре возбуждаются крутильные колебания. Определяют собственную частоту ω_o колебаний крутильного маятника на воздухе по наибольшей амплитуде колебаний при фиксированном уровне подводимой мощности к электромагнитам (или по затухающим колебаниям), а также положение узла колебаний (неподвижного сечения) на упругом полом стержне 7. Если узел колебаний не находится в среднем по высоте поперечном сечении стержня 7, то, смещая и фиксируя массы регулятора 18 величины момента инерции, добиваются равенства моментов инерции обоих полых герметичных цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами, при котором узел колебаний будет находиться в среднем по высоте поперечном сечении стержня 7. Далее крутильный маятник вискозиметра на нити 8 полностью погружают в жидкость на заданную глубину. Малые габариты крутильного маятника и соответственно зонда, любая требуемая длина нити позволяют опустить его в труднодоступное место, притом на требуемую глубину. С помощью блока 17 регистрации колебаний производят синхронную запись осциллограмм колебательного процесса и возбуждающей силы, определяют резонансную частоту ω колебаний крутильного маятника (зонда) в жидкости, при которой сдвиг фаз между возбуждающей силой и колебательной скоростью равен нулю, а динамическую вязкость жидкости определяют по формуле, которая для цилиндрического зонда, колеблющегося вокруг своей оси, имеет вид [2]
η (1) где η динамическая вязкость жидкости;
I момент инерции герметичного полого цилиндра совместно с жестко связанными с ним массами относительно его оси;
ω_o- собственная частота колебаний крутильного маятника на воздухе;
ρ- плотность жидкости;
ν_р=
ω резонансная частота колебаний крутильного маятника в жидкости, при которой сдвиг фаз между возбуждающей силой и колебательной скоростью равен нулю;
h πR³(2H+R);
R наружный радиус полого герметичного цилиндра;
Н высота полого герметичного цилиндра.

Динамическую вязкость жидкости можно определить и по формуле, в которую входит логарифмический декремент δ свободных колебаний [3]
η -, (2) где δ ln
n число циклов колебаний рассматриваемого участка виброграммы;
a_i- амплитуда колебаний в начале участка виброграммы;
a_i+n- амплитуда колебаний в конце участка виброграммы;
γ- тангенс угла механических потерь в упругом полом тонкостенном стержне, определяемый по регистрации колебаний на воздухе.

Остальные обозначения соответствуют таковым в предыдущей формуле (1). Таким образом, благодаря автономному силовозбуждению зонда, закреплению упругого элемента зонда в узловом сечении, подвеске его на нерастяжимой нити (тросе) не происходит паразитная утечка энергии при колебаниях зонда. Это повышает точность определения вязкости жидкости, позволяет сделать вискозиметр малогабаритным и использовать его в труднодоступных местах.

Использование: для измерения реологических характеристик жидких сред. Сущность изобретения: вискозиметр содержит упругий полый стержень, через который проходит жесткий вал, соосно соединенный с одной стороны с колебательным запором, а с другой - с осесимметричным валу элементом корпуса. Жесткий вал соединен с крестовиной, расположенной внутри осесимметричного элемента корпуса вместе с возбудителем крутильных колебаний. Возбудитель крутильных колебаний связан с блоком возбуждения крутильных колебаний. Колебательный зонд соединен с блоком регистрации колебаний. Колебательный зонд и осесимметричный элемент корпуса выполнены в виде полых цилиндров одинакового диаметра и высоты. 2 з. п. ф-лы. 3 ил.

1. ВИСКОЗИМЕТР, содержащий упругий полый стержень и проходящий через него жесткий вал, соосно соединенные с одной стороны с колебательным зондом, а с другой стороны упругий полый стержень соединен с осесимметричным валу элементом корпуса, а жесткий вал - с крестовиной, расположенной внутри элемента корпуса, возбудитель крутильных колебаний зонда, расположенный в элементе корпуса и связанный с блоком возбуждения колебаний, и блок регистрации колебаний, отличающийся тем, что колебательный зонд и элемент корпуса выполнены в виде полых герметичных цилиндров с одинаковыми наружным диаметром и высотой, возбудитель крутильных колебаний выполнен в виде электромагнитов и полюсных наконечников, которые установлены соответственно в элементе корпуса и на концах крестовины диаметрально противоположно и попарно друг напротив друга, причем моменты инерции полых цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами одинаковы, а к наружной поверхности элемента корпуса в точке пересечения его с осью вала прикреплена гибкая нерастяжимая нить. 2. Визкозиметр по п.1, отличающийся тем, что в полости одного из цилиндров размещен регулятор момента инерции цилиндра относительно его оси. 3. Вискозиметр по п.2, отличающийся тем, что регулятор момента инерции относительно оси цилиндра выполнен в виде двух одинаковых подвижно-установочных масс, размещенных диаметрально противоположно.