ДАТЧИК ВЯЗКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно к устройству высокочувствительных погружных датчиков камертонного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей.

Известны камертонные вискозиметры, например, вискозиметр А.А. Степичева, содержащий две ножки и корпус, одна из сторон которого выполнена в виде пластины, в которую вварены ножки-стержни. Основания ножек, расположенные внутри корпуса, снабжены жесткими Т-образными кронштейнами с пьезоэлементами, зажатыми между кронштейнами [1]
В этой конструкции узловая точка камертона расположена в плоскости, несущей стержни пластины, а пьезоэлементы, которые зажаты между кронштейнами внутри корпуса (за пластиной), создают дополнительную сильную механическую связь между ножками, смещенную относительно узловой точки, что ограничивает наибольшую возможную добротность конструкции и, соответственно, максимальную возможную чувствительность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является камертонный датчик с сменным зондом [2] Датчик представляет собой камертон "классической" формы, закрепленный за узловую точку между ножками в опоре горизонтально, таким образом, что параллельная ножкам ось симметрии, которая происходит через узловую точку и опору расположена параллельно поверхности измеряемой жидкости, а направления колебаний перпендикулярны ей. На ножки наклеены два пьезоэлемента и соосно, одно под другим просверлены два отверстия с резьбой, в которые ввинчены два одинаковых зонда: измерительный на одной ножке и противовес на другой. Измерительный зонд направлен к исследуемой жидкости (вниз). Противовес направлен в противоположную сторону. Отверстия для крепления зондов расположены на одинаковом расстоянии от узловой точки, одно над другим. При измерениях жидкость нагружает только одну из ножек и поэтому чувствительность такого устройства при прочих равных условиях примерно в два раза меньше потенциально возможной для данного камертона. Возможность же повышения чувствительности путем увеличения поверхности пробного тела ограничена, так как при этом возрастает присоединенная масса и, соответственно асимметрия нагрузки ножек, смещается положение узловой точки (где амплитуда колебаний равна нулю и находится крепление камертона в опоре), увеличивается отток энергии по элементам крепления. При больших нагрузках, (жидкости с большим значением гели, студни) это становится заметным и ограничивает динамический диапазон измерений.

Техническим результатом является повышение чувствительности датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик вязкости содержит горизонтальный камертон, на каждой ножке которого установлены пьезоэлектрический преобразователь и зонд. К торцевой поверхности ножек присоединены или изготовлены заодно с ними два выступа, ширина которых меньше половины ширины ножек и которые смещены относительно оси симметрии камертона в разные стороны, причем выступы изогнуты в противоположных направлениях таким образом, что один попадает в пустое пространство рядом с другим. Точки крепления установленных на выступах измерительных зондов расположены параллельно на одном горизонтальном уровне.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик, состоящий из камертона 1, пьезоэлементов 2, двух выступов 3, двух зондов 4. Датчик закреплен в опоре 5.

Для проведения измерений датчик может быть включен вы цепь обратной связи автогенератора, обеспечивающего работу на частоте механического резонанса. При этом на один из пьезоэлементов подается возбуждающее напряжение U_F, с другого снимают напряжение U_ξ, пропорциональное амплитуде колебаний.

При погружении зондов в жидкость, трение между ними и жидкостью вызовет дополнительное, по сравнению с потерями при движении на воздухе, рассеяние энергии. Для достижения той же амплитуды колебаний понадобится большее U_F.

Для ньютоновских жидкостей трение между колеблющимся по гармоническому закону телом и окружающей средой описывается формулой

Z_ж механическое сопротивление жидкости;
F сила, вызывающая движение;
ξ амплитуда колебаний;
x′ амплитуда скорости колебаний;
ρ плотность жидкости;
h вязкость жидкости;
A, B, C, K коэффициенты пропорциональности.

Реально, кроме сопротивления жидкости присутствует также

сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки и общее наблюдаемое сопротивление

возбуждающее напряжение при колебаниях пробного тела на воздухе;
Uξ_o напряжение, пропорциональное амплитуде при колебаниях пробного тела на воздухе;
B коэффициент пропорциональности.

При стабилизированном Uξ

где K коэффициент пропорциональности.

Измерения проводят следующим образом. Находят U_Fо при колебаниях зондов на воздухе. Находят U_Fк при колебаниях зондов в калибровочной жидкости с известными значениями ρ_к и η_к. Определяют коэффициент К по формуле

Далее при неизменном значении Uξ определяют при колебании зондов в исследуемой жидкости. Находят искомое значение ρη по формуле

Пример конкретного выполнения.

Камертон 1 из нержавеющей стали с частотой резонанса f_o~ 800 Гц укреплен в опоре 5. Концы его ножек имеют смещенные в разные стороны выступы 3, один из которых загнут вверх, другой вниз. Ширина ножек камертона 20 мм, ширина выступов 9 мм. На выступах просверлены два отверстия М4 для крепления одинаковых зондов 4.

При испытаниях датчика пьезоэлементы включались в цепь обратной связи автогенератора. Величина Uξ поддерживалась постоянной, равной 1 B. U_F измеряли с помощью цифрового вольтметра. Погружаемая в жидкость часть зондов (пробное тело) представляла собой жесткую проволоку диаметром 1 мм.

На фиг. 2 приведены зависимости между U_F U_F и которые получили с помощью датчика, имеющего один измерительный зонд и противовес (прототип изобретения), кривая а, и с помощью предлагаемого датчика кривая б. Оба они имели одинаковые пробные тела, которые погружали в жидкости на одинаковую глубину. Измеряли U_F в воздухе (точка 0), в гептане (1 а, 1 б), в бензоле (2 а, 2 б), в воде (3 а, 3 б).

Определенные по графикам значения чувствительности составляют: для случая а: К_а 0,6 В/кг•Па•с•м^-3; для случая б: К_б 1,2 В/ кг•Па•с•м^-3.

Таким образом, чувствительность предлагаемого датчика вдвое выше.

Использование: изобретение относится к технике измерения вязкости, а именно к устройствам высокочувствительных погружных датчиков камертонного типа. Сущность изобретения: датчик вязкости содержит горизонтально расположенный камертон, на каждой ножке которого установлены пьезоэлектрический преобразователь и зонд. К торцевой поверхности ножек присоединены или изготовлены заодно с ними два выступа, ширина которых меньше половины ширины ножек, и которые смещены относительно оси симметрии камертона в разные стороны, причем выступы изогнуты в противоположных направлениях таким образом, что один попадает в пустое пространство рядом с другим. Точки крепления установленных на выступах измерительных зондов расположены параллельно на одном уровне. 2 ил.

Датчик вязкости, содержащий горизонтально расположенный камертон, на каждой ножке которого установлены пьезоэлектрический преобразователь и зонд, отличающийся тем, что к торцевой поверхности ножек присоединены или изготовлены заодно с ними два выступа, ширина которых меньше половины ширины ножек и которые смещены относительно оси симметрии камертона в разные стороны, причем выступы изогнуты в противоположных направлениях таким образом, что один попадает в пустое пространство рядом с другим, а точки крепления установленных на выступах измерительных зондов расположены параллельно на одном уровне.