СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых, а более конкретно к способам и устройствам 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 с целью автоматического управления процессами.

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 полупериода сечения, параллельны, причем расстояние между ними меньше чем , где n вязкость, w- угловая частота колебаний вибратора, а измерительная схема выполнена в виде подключенных к датчику блоков измерения сдвига частоты и добротности вибратора, выходы которой соединены со входами блока умножения, соединенного в свою очередь с другим блоком умножения, второй вход которого подключен к выходу блока измерения сдвига частоты [1]
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения вязкости и узкий диапазон 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 демпфирующего преобразователя [2]
Недостатком известного устройства является низкая точность при высокой его сложности.

Известен способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, включающий возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение искомых параметров расчетным путем, причем измеряют частоту колебаний резонансной системы преобразователя, погруженного в исследуемую среду, и параметр, связанный с диссипативными потерями в той же жидкости, например амплитуду [3]
Недостатками известного способа являются низкая точность из-за малой чувствительности и низкая надежность по внезапным отказам из-за высокой сложности при его реализации.

Известно устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее помещаемый в сосуд с исследуемой жидкостью вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, блоки регистрации и индикации [4]
Недостатками известного устройства являются низкая точность из-за малой чувствительности и низкая надежность работы по внезапным отказам из-за высокой сложности.

Целью изобретения в части способа является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности за счет упрощения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, включающем возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение искомых параметров расчетным путем, в качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную [-образную скобу с поплавком, прикрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах, дополнительно измеряют постоянное значение разности длин упругих эластичных шнуров, амплитуду колебаний вибрационного преобразователя определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров, причем вязкость рассчитывают с использованием значения амплитуды колебаний, а плотность определяют по постоянному значению разности длин упругих эластичных шнуров.

Целью изобретения в части устройства является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности работы за счет упрощения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее в сосуд с исследуемой жидкостью вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний и блоки регистрации и индикации, содержит два стабилизатора тока, два вольтметра переменного напряжения, два вольтметра постоянного напряжения, два измерителя разности напряжения, а вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной [-образной скобы с поплавком, укрепленном на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего упругого эластичного материала, а оболочка из упругого изоляционного эластичного материала, при этом концы петель соединены со входами вольтметров переменного и постоянного напряжений и с выходами стабилизаторов тока, выходы вольтметров переменного напряжения соединены со входами первого измерителя разности напряжений, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены со входами второго измерителя разности напряжений, а выходы измерителей разности напряжений соединены со входами блока индикации.

В устройстве для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости петли выполнены из токопроводящей резины.

В устройстве для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости изоляционный слой выполнен из резины.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показан общий вид устройства с функциональной схемой и соединением блоков;
на фиг.2 разрез [-образной скобы с поплавком, где для лучшего показа конструкции поперечные размеры шнуров и скобы даны увеличенными;
на фиг. 3 вид сбоку на [-образную скобу с поплавком, где для лучшего показа конструкции размеры даны увеличенными.

Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости содержит генератор 1 с вибровозбудителем 2 и сосуд с жидкостью.

В состав устройства входят стабилизаторы тока 4 и 5, два вольтметра переменного напряжения 6 и 7, два вольтметра постоянного напряжения 8 и 9, два измерителя разности 10 и 11, блок индикации и регистрации 12, [-образная вертикальная скоба 13 с поплавком 14, подвешенным между концами 15 и 16 скобы 13 на вертикальных упругих эластичных шнурах 17 и 18, жилы 19 и 20 которых выполнены в виде петель нитей из токопроводящей резины, а оболочки 21 и 22 жил 19 и 20 выполнены из изоляционного упругого материала, например, из резины или латекса. Концы 23 и 24, 25 и 26 жил 19 и 20 соединены с выходами стабилизаторов тока 4 и 5, и входами вольтметров переменного 6 и 7 и постоянного 8 и 9 напряжения. Выходы вольтметров переменного напряжения 6 и 7 соединены со входами первого измерителя разности 10. Выходы вольтметров постоянного напряжения 8 и 9 соединены со входами второго измерителя разности 11. Выходы измерителей разности 10 и 11 соединены со входами блока 12 индикации и регистрации.

При этом [-образная скоба 13 стержнем 27 жестко прикреплена к вибровозбудителю 2.

Поплавок выполнен, например, полым и сферическим. К оболочке 28 прикреплены концы шнуров 17 и 18 с изоляцией торцов 29 и 30 нитей 19 и 20 от оболочки 28, например, с помощью прокладок 31 и 32. Между нитями 19 и 20 проложены изоляционные прокладки 33 и 34 также из резины или латекса.

В состав устройства входят также цилиндрический сосуд 35 и размещенный в нем второй цилиндр 36, через края которого происходит перелив жидкости 3. Измеряемая жидкость 3 по входному патрубку 37 проходит через пеноотделитель 38 и по трубе 39 поступает в нижнюю часть сосуда 35. Сетка 40 обеспечивает ламинарный поток жидкости. Жидкость 3 поднимается по цилиндру 36 и, перетекая через его край, попадает в сливной патрубок 41, куда через трубу 42 сливается и пена из пеноотделителя 38. Цилиндр 36 жестко соединен с сосудом 35 через расширяющееся основание 43, образуя между сосудом 35 и цилиндром 36 полость перелива в нее жидкости 3. Сосуд 35 закреплен на подставке 44.

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

На упругих эластичных вертикальных шнурах в жидкости подвешивают поплавок, причем верхний и нижний концы шнуров прикрепляют к концам [-образной вертикальной скобы, на вторые концы шнуров прикрепляют к поплавку с возможностью вибраций поплавка на подвешенных вертикальных шнурах. Сообщают вертикальные колебания [-образной скобе с закрепленным шнурами поплавком. Определяют постоянное значение разности длин шнуров и по этому значению разности определяют плотность жидкости. Определяют разность гармонических изменений длин шнуров и по этой разности определяют вязкость жидкости.

Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости работает следующим образом.

Контролируемая жидкость по входному патрубку 37 подается в пеноотделитель 38. Находящаяся в жидкости пена всплывает вверх пеноотделителя 38 и далее через трубу 42 сливается через сливной патрубок 42. Очищенная таким образом от пены жидкость по трубе 39 подается в нижнюю часть сосуда 35. На пути входа жидкости 3 в сосуд 35 установлена сетка 40, которая обеспечивает ламинарное течение жидкости снизу вверх сосуда 35, то есть во второй цилиндр 36. Жидкость 3 переливается через края второго цилиндра 36 и попадает в промежуток между сосудом 35 и цилиндром 36 и далее вытекает через патрубок 41. Этим обеспечивается постоянный верхний уровень жидкости во втором цилиндре 36 и спокойный ламинарный поток жидкости в цилиндре 36 снизу вверх.

Включают генератор 1 с вибровозбудителем 2 на выходе. При этом вибровозбудитель 2 осуществляет гармонические колебания в вертикальном направлении. Вместе с вибровозбудителем вертикальные гармонические колебания осуществляют стержень 27 и [-образная вертикальная скоба 13, а также упругие эластичные шнуры 17 и 18. Вертикальные гармонические колебания шнуров 17 и 18 приводят к вертикальным гармоническим колебаниям поплавка 14. Цилиндры 35 и 36 заполняют образцовой контролируемой жидкостью со средним значением вязкости ν, которое заранее известно. Концы жил 19 и 20 подключены к выходам стабилизаторов тока 4 и 5, ток на выходе которых в любой момент времени поддерживается постоянным независимо от сопротивления нагрузки. Поэтому величина напряжения на выходах стабилизаторов тока 4 и 5 в любой момент времени будет прямо пропорциональной сопротивлению жил 19 и 20. Вольтметры переменного напряжения 6 и 7 будут измерять гармонические изменения напряжения, то есть гармонические изменения сопротивлений жил 19 и 20 в процессе изменений их длин. Вольтметры постоянного напряжения 8 и 9 будут измерять неизменные за период одного колебания и более напряжения, пропорциональные длинам (или сопротивлениям) жил 19 и 20. Частоту генератора 1 изменяют до получения максимальных показаний вольтметров переменного напряжения 6 и 7 и эту частоту, соответствующую резонансу колебаний поплавка 14 при средней вязкости жидкости, фиксируют и в дальнейшем оставляют неизменной. На этом процесс калибровки устройства, который производят на заводе-изготовителе устройства, заканчивают.

Теперь через устройство пропускают жидкость неизвестных значений вязкости и плотности. Амплитуда периодических растяжений и сокращений шнуров 17 и 18 будет соответствующим образом изменяться: при уменьшении вязкости жидкости она будет меньше тормозить колебания поплавка и амплитуда будет падать; с ростом вязкости жидкость будет сильнее тормозить возникающие от шнуров 17 и 18 колебания поплавка и в результате амплитуда периодических изменений длин шнуров 17 и 18 будет расти. Амплитуда периодических изменений длин шнуров поэтому будет являться однозначной мерой вязкости жидкости.

На поплавок 14 в статике (при выключенном генераторе 1) одновременно действуют четыре силы: вверх на поплавок действует выталкивающая сила жидкости 3, пропорциональная ее плотности, и сила натяжения шнура 18; вниз на поплавок действует сила веса поплавка и сила натяжения шнура 18. При увеличении плотности жидкости выталкивающая сила растет и в результате поплавок перемещается вверх длина шнура 18 при этом увеличивается, а длина верхнего шнура 17 уменьшается. Поэтому разность длин шнуров 17 и 18 в любой момент времени за время усреднения не менее одного периода колебаний генератора 1 будет однозначной мерой плотности жидкости.

Известно, что сопротивление любого проводника прямо пропорционально его удельному сопротивлению r и длине l и обратно пропорционально его поперечному сечению S
R = ρl/S. (1)
Если длина шнура l увеличивается в 2 раза от l до 2l, то одновременно в 2 раза от 2l до 4l увеличивается и длина соответствующей жилы 19 или 20. Шнуры 17 и 18, и нити 19 и 20 работают в пределах упругих деформаций когда в любой момент времени объем шнура или нити остается постоянным, так как резина и латекс практически несжимаемы как и жидкости. Поэтому при увеличении длины жилы в 2 раза от 2l до 4l поперечное сечение жилы уменьшается также в 2 раза от S до S/2 и в результате сопротивление жилы увеличивается от (2ρl/S) до (8ρl/S), то есть увеличивается в 4 раза. В общем случае при удлинении шнура в n раз сопротивление его жилы увеличивается в n² раз. Этим обеспечивается увеличение чувствительностей к плотности и вязкости также в n раз, то есть при увеличении плотности или вязкости жидкости в n раз сопротивление жилы изменяется пропорционально n² раз.

При увеличении плотности жидкости поплавок 14 поднимается, шнур 18 удлиняется, а шнур 17 укорачивается. В результате сопротивление жилы 20 растет, а сопротивление жилы 19 падает: постоянное напряжение на выходе стабилизатора тока 4 растет, а постоянное напряжение на выходе стабилизатора тока 5 падает. В результате увеличивается сигнал на выходе измерителя разности 11, причем если напряжение на выходе вольтметра 8 увеличивается в 2 раза, а напряжение на выходе вольтметра 9 уменьшается также в 2 раза, то в результате сигнал на выходе измерителя разности 11 увеличивается уже в 4 раза. Таким образом, за счет изменения разности напряжений с выходов вольтметров постоянного напряжения 8 и 9 результат будет в 2 раза сильнее изменяться с изменением плотности. Так, например, если нить 20 удлинится в 3 раза, нить 19 укоротится в 3 раза, то сигнал на выходе измерителя разности 11 изменится уже в 18 раз (в 9 раз сигнал изменится за счет изменения напряжений и еще в 9 раз сигнал изменится за счет измерения разности напряжений). Столь резкого увеличения чувствительности к контролируемому параметру не обеспечивает ни одно из известных средств измерений.

Сигнал с выхода измерителя разности 11 поступает на вход блока индикации и регистрации 12, где он индицируется и регистрируется непосредственно в единицах плотности жидкости.

При увеличении вязкости жидкости когда включен генератор 1 и вибровозбудитель 2 вместе со стержнем 27 и [-образной скобой 13 совершает вертикальные гармонические колебания без изменений их амплитуды, а поплавок 14 все больше тормозится и в результате гармонические колебания длин шнуров 17 и 18 увеличиваются. С ростом длины шнура 18 падает длина шнура 17 и наоборот. В результате на выходах генераторов тока 4 и 5 возникает переменная составляющая напряжения, которая измеряется вольтметрами 6 и 7. Изменение напряжений на входах вольтметров 6 и 7 происходит всегда в противофазе, так как при удлинении одного шнура укорачивается второй. Сигналы с выходов вольтметров 6 и 7 подаются на входы измерителя разности 10. Как и в случае с измерением плотности, чувствительность к вязкости также увеличивается в 2n² раз. Сигнал с выхода измерителя разности 10 подается в блок 12 индикации и регистрации, где индицируется и регистрируется непосредственно в единицах вязкости.

Чтобы привести в однозначное соответствие показания блока 12, устройство градуируют. Шкала блока 12 квадратичная и привести ее в однозначное соответствие можно любым из известных методов градуировки.

Техническими преимуществами способа по сравнению с прототипом являются следующие: увеличена в 2n² раз чувствительность к вязкости и плотности жидкости; расширены функциональные возможности за счет одновременных непрерывных измерений вязкости и плотности; повышена надежность работы по внезапным отказам, за счет исключения сложных и дорогих, приемного электромеханического преобразователя, зонда с емкостью в виде тонкостенного цилиндра и специальными элементами; расширены функциональные возможности за счет обеспечения контроля токопроводящих и агрессивных жидкостей, так как поплавок и шнуры легко выполняются изоляционными и стойкими к химическим воздействиям.

Использование: для непрерывного определения вязкости и плотности жидких сред. Сущность изобретения: способ включает возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение вязкости и плотности расчетным путем. В качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную [-образную скобу с поплавком укрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах. Амплитуду колебаний определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров. Устройство содержит помещенный в исследуемую жидкость вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, и блоки регистрации и индикации. Вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной [-образной скобы с поплавком, укрепленным на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего эластичного материала, а оболочка - из упругого эластичного материала. Концы петель подключены к области регистрации и индикации. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости, включающий возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение искомых параметров расчетным путем, отличающийся тем, что в качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную [-образную скобу с поплавком, укрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах, дополнительно измеряют постоянное значение разности длин упругих эластичных шнуров, амплитуду колебаний вибрационного преобразователя определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров, причем вязкость рассчитывают с использованием значений амплитуды колебаний, а плотность по постоянному значению разности длин упругих эластичных шнуров. 2. Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее помещаемый в сосуд с исследуемой жидкостью вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, и блоки регистрации и индикации, отличающееся тем, что блок регистрации содержит два стабилизатора тока, два вольтметра переменного напряжения, два вольтметра постоянного напряжения, два измерителя разности напряжения, а вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной [-образной скобы с поплавком, укрепленным на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего упругого эластичного материала, а оболочка из упругого эластичного материала, при этом концы петель соединены с входами вольтметров переменного и постоянного напряжений и входами стабилизаторов тока, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами первого измерителя разности напряжений, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с входами второго измерителя разности напряжений, а выходы измерителей разности напряжений соединены с входами блока индикации. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что петли выполнены из токопроводящей резины. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что изоляционный слой выполнен из резины.