ДАТЧИК ВЯЗКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно к устройству 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 [А.А.Степичев, а.с. 329445, опубликован 09.11.1972 г., Бюлл. №7]. 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.

Недостатком также является относительно сложная форма близко расположенных обтекаемых поверхностей, что может привести к забиванию двухкомпонентного зонда коагулюмом (в случае коагулирующих жидкостей).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является камертонный датчик со смежным зондом. [А.В.Богословский, М.А.Полуэктов// Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988. - с.34-38]. Датчик представляет собой камертон "классической" формы, закрепленный за узловую точку между ножками в опоре. На ножки наклеены два пьезоэлемента и установлены два одинаковых зонда - измерительный, на одной ножке, и противовес, на другой. Измерительный зонд направлен к исследуемой жидкости вниз. Противовес направлен в противоположную сторону. При измерениях жидкость нагружает только одну из ножек. Возможность повышения чувствительности такого устройства путем увеличения размеров пробного тела ограничена, так как при этом возрастает присоединенная масса жидкости и, соответственно, асимметрия нагрузки ножек, изменяется положение узловой точки (где амплитуда колебаний равна нулю и находится крепление камертона к опоре), увеличивается отток энергии по элементам крепления. При больших нагрузках (жидкости с большим значением вязкости, гели, студни) разбаланс симметрии нагрузки становится заметным и ограничивает динамический диапазон измерений.

Недостатком является также поступательный характер движения пробного тела, это приводит к появлению лобового сопротивления и создаваемая деформация исследуемой части не имеет чисто сдвигового характера, что может оказывать влияние на результаты измерений вязкоупругих объектов.

Задача изобретения - устранение асимметрии механической нагрузки и исключение "лобовой" составляющей механического сопротивления.

Технический результат достигается тем, что датчик вязкости содержит вертикальный камертон, на каждой ножке которого расположен пьезоэлектрический преобразователь. К концам ножек присоединены или изготовлены заодно с ними два одинаковых противовеса таким образом, что их центры тяжести смещены в разные стороны относительно оси камертона и средней линии каждой ножки, а зонд - пробное тело в виде тела вращения закреплен на конце вертикальной оси. Ось - осевой стержень проходит насквозь через основание камертона, который подвешен на струнных растяжных за две точки на нем.

На фиг.1 изображен традиционный датчик. Пьезоэлектрические преобразователи 4, противовес 8 и пробное тело 1 с помощью крепежных винтов 6 и клея установлены на каждой из ножек камертона по средней линии последних. Пробное тело и противовес находятся на одной вертикальной оси, вдоль которой происходит возвратно-поступательное колебание пробного тела. Осевой стержень 2 соединен с основанием камертона и используется для его крепления в опоре (не показаны).

На фиг.2 изображен предлагаемый датчик. Пьезоэлектрические преобразователи 4 и противовесы 8 с помощью крепежных винтов 6, уголков 5 и клея установлены на каждой из ножек камертона 3. Пьезопреобразователи установлены на средних линиях последних. Противовесы находятся по разные стороны соответствующих средних линий, они смещены в противоположные стороны с помощью уголков 5. Осевой стержень 2 соединен с основанием камертона и проходит сквозь него. На стержне, по разные стороны от основания, находятся точки подвеса 7, за которые он удерживается противоположными растяжками 9 внутри цилиндрической обечайки 10.

Так как противовесы вынесены из плоскости, в которой происходит возвратно-поступательное движение центров тяжести ножек камертона, при их колебаниях создается периодический вращающий момент. Пробное тело в виде тела вращения находится на конце осевого стержня и совершает крутильные колебания.

Для проведения измерений датчик может быть включен в цепь обратной связи автогенератора, обеспечивающего работу на частоте механического резонанса. При этом на один из пьезоэлементов подается возбуждающее напряжение U_F, с другого снижают напряжение Uξ, пропорциональное амплитуде колебаний. При погружении колеблющегося зонда в жидкость трение между ними и жидкостью вызовет дополнительное, по сравнению с потерями при движении на воздухе, рассеяние энергии. Для достижения той же амплитуды крутильных колебаний понадобится большее U_F.

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

где Z_ж - механическое сопротивление жидкости;

F - сила, вызывающая движение;

ξ - амплитуда колебаний;

ξ′ - амплитуда скорости колебаний;

ρ - плотность жидкости;

η - вязкость жидкости;

А, В, С, К - коэффициенты пропорциональности.

Реально, кроме сопротивления жидкости присутствует также - сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки, и общее наблюдаемое сопротивление

где U_F0 - возбуждающее напряжение при колебаниях пробного тела на воздухе;

Uξ - напряжение, пропорциональное амплитуде при колебаниях пробного тела на воздухе.

При стабилизированном Uξ

Измерения проводят следующим образом. Находят U_F0 при колебании зонда на воздухе. Находят U_FK при колебаниях зонда в калибровочной жидкости с известными значениями Определяют коэффициент по формуле

Далее, при неизменном Uξ определяют U_Fж при колебании зонда в исследуемой жидкости. Находят искомое значение по формуле

Пример конкретного выполнения.

Камертон 3 из латуни с частотой резонанса укреплен в обечайке 10. Концы его ножек имеют противовесы из латуни на уголках, привинченные винтами М6. Масса противовеса с уголком и винтами крепления 30 г. Ширина ножек камертона 20 мм. Диаметр оси 5 мм.

При испытаниях датчика пьезоэлементы включались в цепь обратной связи автогенератора. Величина Uξ поддерживалась постоянной, равной 1B. U_F измеряли с помощью цифрового вольтметра. Погружаемое в жидкость пробное тело представляло собой пустотелый цилиндр с заостренными концами диаметром 2 см, длиной 4 см.

На фиг.3 приведена зависимость между ΔU_F=U_F-U_F0 и , которая получена с помощью предлагаемого датчика.

Измеряли ΔU_F в воздухе (точка 0), в октане (1), декане (2), диэтилфталате (3) и в циклогексане (4).

Определенная по графику чувствительность датчика составляет

Использование: для контроля технологических жидкостей. Сущность: датчик содержит камертон, осевой стержень которого проходит насквозь через его основание, на каждой ножке камертона на средней линии установлены пьезоэлектрические преобразователи и противовесы. Камертон расположен вертикально и подвешен на струнных растяжках за осевой стержень, противовесы смещены относительно средних линий в разные стороны таким образом, что при возвратно-поступательных колебаниях ножек создается периодический крутящий момент относительно вертикальной оси так, что пробное тело, расположенное на конце осевого стержня, совершает крутильные колебания. Технический результат - повышение точности измерений. 3 ил.

Датчик вязкости, содержащий камертон, осевой стержень которого проходит насквозь через его основание, на каждой ножке камертона на средней линии установлены пьезоэлектрические преобразователи и противовес, отличающийся тем, что дополнительно установлен противовес, камертон расположен вертикально и подвешен на струнных растяжках за осевой стержень, противовесы смещены относительно средних линий в разные стороны таким образом, что при возвратно-поступательных колебаниях ножек создается периодический крутящий момент относительно вертикальной оси так, что пробное тело, расположенное на конце осевого стержня, совершает крутильные колебания.