РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к контрольно-измерительной и аналитической технике и предназначено для измерения вязкости и исследования реологических свойств жидкостей.

Известны ротационные вискозиметры [1, 2], содержащие камеру, заполняемую исследуемой жидкостью, с погруженными в нее подвижным и неподвижным воспринимающими элементами в виде тел вращения (цилиндры, диски, конусы, сферы и т. д. ), между поверхностями которых оставлен зазор, заполненный исследуемой жидкостью, а также электродвигатель, вращающий подвижный воспринимающий элемент, и устройство, измеряющее момент сопротивления, возникающий за счет сил внутреннего трения слоев жидкостей, движущихся о равной скоростью в зазоре между поверхностями подвижного и неподвижного воспринимающих элементов. При условии ламинарности течения жидкости в зазоре данный момент будет пропорционален динамической вязкости жидкости в точке кривой течения, соответствующей данному значению установившегося градиента скорости между слоями жидкости. Момент сопротивления измеряется обычно на неподвижном воспринимающем элементе, в качестве которого чаще всего используется сама камера. Применяются и обращенные конструкции, когда во вращение приводится камера с анализируемой жидкостью, а момент измеряется на погруженном в эту жидкость неподвижном воспринимающем элементе.

Общим недостатком указанных конструкций является необходимость измерений при фиксированной скорости вращения ротора, поскольку возникающий момент сопротивления будет зависеть и от скорости вращения подвижного воспринимающего элемента (как правило, это условие обеспечивается путем использования синхронного электродвигателя переменного тока). Это ограничивает область применения таких вискозиметров только для исследования ньютоновских жидкостей, для которых кривая течения линейна и поэтому при любой скорости вращения, при которой сохраняется ламинарность течения, измеренное значение вязкости будет постоянно, а также ограничивает диапазон измеряемых вязкостей. Кроме того, невозможность жесткого закрепления неподвижного воспринимающего элемента (камеры), поскольку на нем измеряется возникающий момент сопротивления, существенно усложняет конструкцию вискозиметра и затрудняет его эксплуатацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ротационный вискозиметр, описанный в [3]. Он содержит асинхронный двигатель, на оси которого закреплены воспринимающий элемент, погруженный в исследуемую жидкость, и диск с прорезями, который совместно с оптопарой является датчиком скорости вращения ротора. Обмотка возбуждения двигателя питается от стабилизированного источника питания, а обмотка управления от управляемого источника, входящего в систему автоматического регулирования скорости вращения ротора электродвигателя, обеспечивающую установление задаваемой с помощью задающего устройства скорости вращения ротора. При достижении заданной скорости вращения ротора ток обмотки управления электродвигателя оказывается пропорциональным моменту сопротивления, который, в свою очередь, пропорционален вязкости анализируемой жидкости. Таким образом, измеритель тока (или напряжения) в управляющей обмотке электродвигателя в установившемся режиме можно проградуировать в единицах вязкости.

Основными недостатками данного вискозиметра являются недостаточная чувствительность и точность, обусловленные наличием непостоянного паразитного момента трения ротора в опорах и низкой крутизной нагрузочной характеристики асинхронного электродвигателя с ферромагнитным ротором.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение точности и чувствительности измерений при возможности исследования как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей, расширение диапазона измеряемых вязкостей и обеспечение возможности создания приборов как непрерывного действия (для контроля технологических процессов), так и для лабораторных исследований.

Решение указанных задач достигается тем, что в ротационном вискозиметре, содержащем жестко закрепленную цилиндрическую камеру, заполняемую анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент в виде тела вращения, приводимый во вращение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, а также систему измерения периода вращения ротора, используется магнитный подвес всей вращающейся части вискозиметра, а ротор асинхронного электродвигателя выполняется в виде тонкостенного полого цилиндра из неферромагнитного проводящего материала.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: использование в качестве ротора электродвигателя тонкостенного полого цилиндра из неферромагнитного проводящего материала и магнитный подвес вращающийся части вискозиметра, позволяющий исключить подшипники, что отсутствует у прототипа и аналогов и чем удовлетворяется критерий "новизны".

На чертеже показано устройство вискозиметра. Вискозиметр состоит из жестко закрепленной цилиндрической камеры 1, заполняемой анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент 3 в виде тела вращения, жестко соединенный с ротором 4 асинхронного двухфазного электродвигателя, который выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра из неферромагнитного проводящего материала и удерживается вместе с воспринимающим элементом с помощью магнитного подвеса, состоящего из цилиндрического якоря 5 из ферромагнитного материала, жестко соединенного с ротором электродвигателя, электромагнита, состоящего из ферромагнитного сердечника 6 с конической торцевой частью, обмотки 7 и фотоэлектронного блока 8, бесконтактной системы 9 измерения периода вращения и источника 10 двухфазного напряжения, питающего статорные обмотки 11 электродвигателя.

Вискозиметр работает следующим образом. Камера 1 заполняется анализируемой жидкостью. С помощью генератора 10 двухфазного напряжения устанавливаются желаемое значение напряжения и частоты питания статора электродвигателя. (Генератор может быть реализован в виде двухфазного генератора прямоугольных симметричных импульсов, амплитуда и частота которых регулируется дискретно и может задаваться с высокой точностью). Электромагнитный подвес использует фотоэлектронную систему автоматического регулирования. При включении питания электромагнита он старается притянуть к себе ферромагнитный якорь 5, жестко соединенный с ротором 4 электродвигателя и воспринимающим элементом 3, но при этом якорь частично перекрывает световой поток от осветителя к фотоприемнику системы автоматического регулирования тока электромагнита. Ток при этом уменьшается и под действием собственной тяжести якорь стремиться опуститься. Благодаря инерции вертикальные колебания якоря и всей подвижной части гасятся и он устанавливается в некотором устойчивом положении, зависящем от веса подвижной части. Благодаря наличию конической части сердечника электромагнита исключаются поперечные смещения якоря, так как при такой форме сердечника поле рассеяния ниже торцевого среза максимально вдоль оси и резко ослабляется при смещении от нее. Под действием вращающего магнитного поля, создаваемого статором электродвигателя в проводящем роторе возникает вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем статора, создаст вращающий момент, который приводит его во вращение. Скорость вращения ротора возрастает до тех пор, пока вращающий момент не сравняется с моментом сопротивления, возникающего из-за внутреннего трения между слоями жидкости при вращении в ней воспринимающего элемента 3, который зависит от скорости вращения. Таким образом, при установившейся скорости вращения длительность периода будет пропорциональна вязкости анализируемой жидкости. Период вращения измеряется с помощью бесконтактной (например, фотоэлектронной) системы 9 измерения периода вращения (система измерения периода вращения не должна создавать дополнительных моментов на вращающейся части вискозиметра). Тарирование и поверка вискозиметра должна производиться по образцовым жидкостям с известной вязкостью. Для точных измерений камера должна помещаться в термостат для поддержания определенной температуры жидкости. Постоянная градуировка в единицах вязкости может быть обеспечена лишь для ньютоновских жидкостей, для которых кривая течения линейна и динамическая вязкость не зависит от скорости вращения (пока сохраняется ламинарность течения). Для неньютоновских жидкостей их реологические свойства наиболее полно определяются кривой течения, снимаемой при возрастании и убывании скорости вращения (т.к. некоторые ив них помимо нелинейности имеют еще и гистерезис). Данный прибор легко позволяет снимать кривые течения путем регулирования напряжения питания асинхронного двигателя (при каждом напряжении питания регистрируется свое установившееся значение периода вращения, соответствующее некоторой фиксированной точке кривой течения). Кроме того, дискретное изменение амплитуды и частоты напряжения питания электродвигателя позволяет изменять диапазон измеряемых вязкостей при исследовании ньютоновских жидкостей. Вторая возможность расширения диапазона измеряемых вязкостей заключается в возможности замены подвижного и неподвижного воспринимающих элементов вискозиметра (т.е. камеры и вращающегося в ней тела).

Таким образом, в качестве лабораторного прибора данный вискозиметр получается весьма гибким, универсальным и очень удобным в эксплуатации. По точности же и чувствительности он намного превосходит лучшие ив существующих вискозиметров.

Помимо лабораторного применения по данной схеме может быть построен и вискозиметр непрерывного действия с погружной камерой для контроля производственных процессов, который будет обладать теми же преимуществами (по сравнению с вышеописанным прототипом).

Сущность изобретения: устройство содержит жестко закрепленную цилиндрическую камеру, заполняемую анализируемой жидкостью, в которую погружен жестко соединенный с короткозамкнутым ротором асинхронного электродвигателя воспринимающий элемент, и систему измерения периода вращения. Ротор и воспринимающий элемент закреплен с помощью электромагнитного подвеса, сердечник которого имеет коническую торцевую часть, а ротор выполнен в виде тонкостенного цилиндра из проводящего неферромагнитного материала, технический результат заключается в повышении точности и чувствительности при исследовании как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей, расширении диапазона измеряемых вязкостей и возможности создания приборов как непрерывного действия, так и для лабораторных исследований. 1 ил.

Ротационный вискозиметр, содержащий жестко закрепленную цилиндрическую камеру, заполняемую анализируемой жидкостью, в которую погружен жестко соединенный с короткозамкнутым ротором асинхронного электродвигателя воспринимающий элемент, и систему измерения периода вращения, отличающийся тем, что ротор и воспринимающий элемент закреплены с помощью электромагнитного подвеса, сердечник которого имеет коническую торцевую часть, а ротор выполнен в виде тонкостенного цилиндра из проводящего неферромагнитного материала.