УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01N11/14 G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэрогидродинамическим устройствам для определения вязкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидкостей.

Известно устройство для определения вязкости (см. А.С. СССР N 1062567, G 01 N 11/16, Мордасов М.М., Дмитриев Д.А., Гализдра В.И. Устройство для измерения вязкости. БИ N47, 1983г.), содержащее струйную трубку, цилиндрический объемный резонатор (ЦОР), детектор, фильтр нижних частот и формирователь импульсов. По частоте автоколебаний жидкости, находящейся в ЦОР, судят о вязкости жидкости.

Недостатком устройства является низкая точность вследствие того, что форма огибающей выходного СВЧ сигнала ЦОР отличается от гармонической и носит случайный характер (так как форма колеблющейся жидкости является в общем случае недетермированной), а также невозможность определения искомой величины (вязкости) высоковязких жидкостей.

За прототип принято устройство (см. А.С. СССР N 1603240, G 01 N 11/10. Мордасов М.М., Дмитриев Д.А. Барботажный вискозиметр. БИ N 40, 1990г.), содержащее измерительный сосуд в виде ЦОР, времяизмерительное устройство, барботажную трубку. Скорость подъема пузырька газа в прототипе определяется вязкостью контролируемой среды.

Недостатком устройства является снижение точности при измерении высоковязких жидкостей.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения высоковязких жидкостей. Сущность изобретения состоит в том, что устройство для измерения вязкости, содержащее цилиндрический объемный резонатор с неизлучающими вырезами для поступления исследуемой жидкости, генератор СВЧ, питающий штырь для возбуждения колебания Е₀₁₀, приемную петлю, соединенную с амплитудным детектором, дополнительно включает в себя аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход - с информационным входом микропроцессора, первый управляющий выход которого подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, а второй - к информационному входу магнитной мешалки, при этом генератор СВЧ выполнен перестраиваемым по частоте, цилиндрический объемный резонатор крепится на поплавке для удержания его на плаву и создания фиксированного уровня исследуемой жидкости внутри ЦОР, а выход цифроаналогового преобразователя соединен со входом перестраиваемого по частоте генератора СВЧ.

На Фиг.1 представлена схема устройства. Устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора (ЦОР) 1, в ЦОР 1 имеются неизлучающие вырезы для помещения исследуемой жидкости 2, возбуждающего штыря 3 колебания Е₀₁₀, приемной петли 4 (плоскость раскрыва перпендикулярна плоскости чертежа), амплитудного детектора (АД) 5, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, микропроцессора 7, один управляющий выход которого соединен с информационным входом магнитной мешалки 8, а другой - со входом цифроаналогового преобразователя 9, а также перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 10 и поплавка 11 для создания фиксированного уровня исследуемой жидкости в ЦОР.

Устройство работает следующим образом. Известно, что при приведении во вращение с круговой частотой ω цилиндрического объема жидкости 2 вращающаяся жидкость через некоторое время t_пп принимает равновесную динамическую форму параболоида вращения. Величина t_пп пропорциональна измеряемой величине вязкости η_ж. Уравнение относительного равновесия жидкости будет иметь вид (см. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газа. - М: Наука. - 1970):
P+ρП-1/2ω²ρr² = const,
где Р - внешнее давление (атмосферное); ρ - плотность жидкости; П - гидростатический потенциал; ω - круговая частота вращения жидкости; r - текущий радиус поверхности вращающейся жидкости. Уравнение огибающей поверхности приведенной во вращение жидкости имеет вид
h = ω²r²/2g,
где h - уровень жидкости,
g - ускорение свободного падения.

Измерения начинаются с момента фиксации резонанса колебания Е₀₁₀ ЦОР 1 при горизонтальном расположении исследуемой жидкости. С этой целью микропроцессор формирует код N_i=N_min÷N_max, который через первый управляющий выход посредством ЦАП 9 управляет перестройкой частоты генератора СВЧ 10: частота генератора изменяется от f_min до f_max. В момент резонанса колебания Е₀₁₀ сигнал через приемную петлю 4, АД 5 и АЦП 6 поступает на информационный вход микропроцессора 7, перестройка частоты генератора СВЧ 10 прекращается (частота генератора СВЧ 10 равна f₁, что соответствует коду N₁ микропроцессора 7).

После фиксации резонанса колебания Е₀₁₀ микропроцессор 7 на первом управляющем выходе формирует код N₂, частота генератора СВЧ 10 через ЦАП 9 устанавливается равной f₂(f₁<f₂), а на втором управляющем выходе - сигнал, который приводит магнитную мешалку во вращение со скоростью ω₁ - жидкость начинает принимать форму параболоида вращения. Так как электрическое поле колебания Е₀₁₀ неравномерно (максимально - у оси и равно нулю - у боковой стенки ЦОР 1), то резонансная частота начинает уменьшаться, и когда станет равной (резонансная частота колебания Е₀₁₀ с параболоидом вращения) частоте генератора СВЧ 10 f₂ микропроцессор формирует код N₃, с помощью которого частота генератора СВЧ 10 устанавливается равной f₃(f₂<f₃), при этом на третьем управляющем выходе появляется сигнал, устанавливающий частоту вращения магнитной мешалки равной ω₂ (ω₂>ω₁), микропроцессор начинает отчет времени t_пп. При достижении параболоидом вращения положения, при котором резонансная частота колебания Е₀₁₀ станет равной частоте f₃, отсчет времени t_пп прекращается. Время t_пп является мерой вязкости. На фиг.2 представлена зависимость t_пп от η_ж при изменении частоты вращения от ω₁ = 1 об/с до ω₂ = 3 об/с.

Фиксация времени t_пп от одного положения равновесия (статического или динамического) до другого, в нашем случае от ω₁ до ω₂ предпочтительней, чем от ω₁ = 0 до ω = ω₂, так как в первом случае временем приведения во вращения магнитной мешалки по сравнению с t_пп можно пренебречь. Выражение для резонансной частоты при изменении частоты вращения жидкости имеет вид:

Так, при ω = 10 рад/с, размерах ЦОР а=с=0,1 м, для водных сред, отношение f_рез(ω)/f_рез(ω = 0) = 1.25, то показывает высокую чувствительность f_peз к изменению формы поверхности жидкости. Следует отметить, что величина первоначального уровня жидкости может быть h₀<<с. Благодаря высокой добротности ЦОР при малых Δω происходит значительное изменение f_peз. Высокая чувствительность сохраняется и для жидкостей с потерями.

Т. о. , предложенное устройство позволяет измерять вязкость высоковязких жидкостей по времени перехода от одного положения равновесия до другого, т. е. точного определения t_пп в момент прихода жидкого параболоида в новое стационарное состояние при заданных величинах ω.с

Использование: в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидкостей. Устройство для измерения вязкости содержит цилиндрический объемный резонатор с неизлучающими вырезами для помещения исследуемой жидкости, генератор СВЧ, питающий штырь для возбуждения колебания Е₀₁₀, приемную петлю, соединенную с амплитудным детектором, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, магнитную мешалку. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения высоковязких жидкостей. 2 ил.

Устройство для измерения вязкости, содержащее цилиндрический объемный резонатор с неизлучающими вырезами для помещения исследуемой жидкости, генератор СВЧ, питающий штырь для возбуждения колебания Е₀₁₀, приемную петлю, соединенную с амплитудным детектором, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход - с информационным входом микропроцессора, первый управляющий выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, а второй - к информационному входу магнитной мешалки, при этом генератор СВЧ выполнен перестраиваемым по частоте, цилиндрический объемный резонатор крепится на поплавке для создания фиксированного уровня исследуемой жидкости, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом перестраиваемого по частоте генератора СВЧ.