СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N11/10 G01N27/22 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к бесконтактным аэрогидродинамическим способам и устройствам автоматического контроля физико-химических свойств жидкости (вязкости, плотности, поверхностного натяжения), и может найти применение как в лабораторной, так и производственной практике.

Известен способ контроля физико-химических свойств жидкости (а.с. №1824538 СССР, кл. G01N 11/16. Устройство для измерения физико-химических свойств жидкости / М.М.Мордасов, Д.А.Дмитриев, Ю.Л.Муромцев // Опубликовано 30.06.1993. Бюл. №24), заключающийся в деформации поверхности контролируемой жидкости газовой струей, измерении параметров углубления как функции поверхностного натяжения двухобкладочным конденсатором, выполненным в виде концентрических шаровых сегментных поверхностей, одна из которых расположена над поверхностью жидкости, а другая выполнена в виде сетки, погруженной в контролируемую жидкость. Недостатками рассмотренного способа контроля физико-химических свойств жидкости являются невысокая точность измерения, вследствие влияния изменения расхода газа на результат измерений, и отсутствие контроля плотности и вязкости.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля физико-химических свойств жидкости (а.с. №1824537 СССР, кл. G01N 11/16. Устройство для контроля физико-механических свойств жидкости / М.М.Мордасов // Опубликовано 30.06.1993. Бюл. №24), включающий воздействие струи газа, вытекающей из сопла с постоянной скоростью, формирование углубления на поверхности жидкости, прекращение воздействия струи газа, восстановление поверхности жидкости, измерение параметров углубления как функций поверхностного натяжения и плотности двухобкладочным односторонним емкостным преобразователем.

Такие признаки прототипа, как воздействие струи газа, вытекающей из сопла с постоянной скоростью, формирование углубления на поверхности жидкости, прекращение воздействия струи газа, восстановление поверхности жидкости, измерение параметров углубления емкостными методами, по которым судят о плотности и поверхностном натяжении, совпадают с существенными признаками заявляемого способа.

Недостатком способа, принятого за прототип, являются ограниченные функциональные возможности, вследствие отсутствия контроля вязкости.

Известно устройство для измерения физико-химических свойств жидкости (а.с. №1824538 СССР, кл. G01N 11/16. Устройство для измерения физико-химических свойств жидкости / М.М.Мордасов, Д.А.Дмитриев, Ю.Л.Муромцев // Опубликовано 30.06.1993. Бюл. №24), содержащее сопло, расположенное над поверхностью жидкости и соединенное с источником газа, измеритель размеров углубления, выполненный в виде двухобкладочного конденсатора, в центре торца которого установлено сопло, одна из обкладок которого заземлена, а другая подключена через разделительную емкость к потенциальному выходу генератора высокой частоты и входу детектора, соединенного через фильтр высокой частоты с регистратором. Аналог содержит следующие признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: сопло, расположенное над поверхностью жидкости и соединенное с источником газа, измеритель углубления, в центре торца которого установлено сопло, измеритель емкости, регистратор. Недостатками рассмотренного устройства являются невысокая точность измерения поверхностного натяжения, обусловленная влиянием изменения расхода газа, подаваемого в сопло, на результат измерений, и отсутствие контроля плотности и вязкости жидкости.

Указанные недостатки частично устранены в устройстве для контроля физико-химических свойств жидкости (а.с. №1824537 СССР, кл. G01N 11/16. Устройство для контроля физико-механических свойств жидкости / М.М.Мордасов // Опубликовано 30.06.1993. Бюл. №24), содержащем сопло, расположенное над поверхностью жидкости и соединенное с источником расхода газа, выполненным в виде пневматической емкости переменного объема, соединенной с механизмом изменения ее объема, измеритель размеров углубления, выполненный в виде двухобкладочного одностороннего емкостного преобразователя, в центре торца которого установлено сопло, внутренняя обкладка которого заземлена, а внешняя подключена через разделительную емкость к потенциальному выходу генератора высокой частоты и входу детектора, соединенного через фильтр низкой частоты с регистратором. Такие признаки прототипа, как наличие сопла, расположенного над поверхностью жидкости и соединенного с источником расхода газа, выполненным в виде пневматической емкости переменного объема, соединенной с механизмом изменения ее объема, измерителя размеров углубления, выполненного в виде двухобкладочного одностороннего емкостного преобразователя, в центре торца которого установлено сопло, измерителя емкости, регистратора, совпадают с существенными признаками заявляемого устройства.

Устройство, принятое за прототип, обладает ограниченными функциональными возможностями, вследствие невозможности контроля вязкости жидкости.

Технической задачей является расширение функциональных возможностей и повышение точности за счет обеспечения совокупного измерения вязкости, плотности и поверхностного натяжения контролируемой жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе на поверхность жидкости воздействуют струей газа, вытекающей из сопла с постоянной скоростью, прекращают воздействие газовой струи, измеряют параметры углубления и скорость изменения параметров углубления емкостными методами, о величинах поверхностного натяжения и плотности судят по значениям емкости преобразователя, полученным во время образования углубления, о величине вязкости судят по значениям скорости изменения емкости преобразователя в совокупности с емкостью преобразователя, соответствующей невозмущенной поверхности жидкости, как во время образования углубления, так и во время восстановления поверхности жидкости, а в устройство дополнительно включены блок управления, вычислительный блок, запоминающий блок, дифференцирующий блок, при этом вход дифференцирующего блока и первый вход запоминающего блока соединены с выходом измерителя емкости, вход которого соединен с измерителем размеров углубления, выход дифференцирующего блока подключен к первому входу блока управления, два выхода блока управления подключены ко второму входу запоминающего блока и к первому входу вычислительного блока, первый выход которого подключен к второму входу блока управления и к первому входу регистратора, а второй - к второму входу регистратора, выходы блока управления подключены к входам исполнительного механизма, выход запоминающего блока соединен со вторым входом вычислительного блока.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство контроля физико-химических свойств жидкости содержит расположенный над поверхностью контролируемой жидкости 1 емкостный преобразователь 2, в центре которого установлено сопло 3, подключенное к пневматической емкости переменного объема, выполненной в виде сильфона 4. Деформацию сильфона 4 осуществляет исполнительный механизм 5. Выходящая из сопла 3 струя газа формирует на поверхности жидкости 1 углубление 6. Емкостной преобразователь 2 подключен к измерителю емкости 7, выход которого соединен с входом 8 запоминающего блока 9, и входу дифференцирующего блока 10. Выход дифференцирующего блока 10 соединен с входом 11 блока управления 12. Выходы 13 и 14 блока управления 12 подключены, соответственно, к входам 15 и 16 исполнительного механизма 5. Выход 17 блока управления 12 подключен к входу 18 запоминающего блока 9 и входу 19 вычислительного блока 20. Вход 21 вычислительного блока 20 подключен к выходу запоминающего блока 9. Выход 22 вычислительного блока 20 подключен к входу 23 блока управления 12 и входу 24 регистратора 25, вход 27 которого соединен с выходом 26 вычислительного блока 20.

Устройство контроля физико-химических свойств жидкости работает следующим образом. Преобразователь 2 размещают на заданном расстоянии h от поверхности контролируемой жидкости 1. Пуск измерительного устройства осуществляют подачей на его вход электрического питания. В начальный момент времени исполнительный механизм 5 не осуществляет деформацию сильфона 4 и поверхность жидкости не подвержена силовому воздействию струи воздуха. Величина емкости С₀ преобразователя 2 остается неизменной. Выходной сигнал U₇ измерителя емкости 7, пропорциональный емкости С₀ преобразователя 2, поступает на вход дифференцирующего блока 10. В зависимости от величины скорости изменения входного сигнала U₇ и порога срабатывания δ формирующего элемента дифференцирующего блока 10 на его выходе устанавливается сигнал

Таким образом, при значении емкости С преобразователя 2, равном C₀=const, на выходе дифференцирующего блока 10 устанавливается сигнал U₁₀=1. Значение С₀ определяется диэлектрической проницаемостью 8 контролируемой жидкости, зависящей, в свою очередь, от плотности ρ.

Блок управления 12 под действием поступившего на вход 11 сигнала U₁₀=1 формирует сигналы U₁₃=1, U₁₄=0, U₁₇=1 на выходах 13, 14, 17, соответственно.

При наличии на входе 18 сигнала U₁₇=1 запоминающий блок 9 через равные интервалы времени записывает поступающие на вход 8 значения сигнала U₇ с выхода измерителя емкости 7, пропорциональные емкости С преобразователя 2.

Под действием сигналов U₁₃=1, U₁₄=0, поступивших, соответственно, на входы 15 и 16 исполнительного механизма 5, происходит сжатие сильфона 4 с постоянной скоростью w_дс. На выходе сопла 3 формируется струя воздуха. Скорость воздуха в струе равна

где D - диаметр сильфона; d - диаметр сопла.

На поверхности жидкости 1 под действием струи воздуха образуется углубление 6. Емкость преобразователя 2 изменяется вследствие вытеснения струей воздуха жидкости из области действия электрического поля. После достижения статического режима взаимодействия струи воздуха с поверхностью жидкости, при котором , на выходе дифференцирующего блока 10 установится сигнал U₁₀=1, под действием которого на выходе блока управления 12 формируются сигналы U₁₃=0, U₁₄=1, U₁₇=1.

Под действием сигналов U₁₃=0, U₁₄=1 исполнительный механизм 5 осуществляет растяжение сильфона 4. Струя воздуха на выходе сопла 3 отсутствует, происходит восстановление поверхности жидкости 1. После восстановления поверхности жидкости на выходе дифференцирующего блока 10 установится сигнал U₁₀=1, блок управления 12 сформирует сигналы U₁₃=0, U₁₄=0, U₁₇=0.

Исполнительный механизм 5 останавливается под действием сигналов U₁₃=0, U₁₄=0. При поступлении на вход 18 запоминающего блока 9 сигнала U₁₇=0 запись значений сигнала U₇ прекращается. Таким образом, в запоминающем блоке 9 хранится зависимость C(t) емкости преобразователя 2 от времени в интервале от момента начала сжатия сильфона до момента окончания восстановления поверхности.

Под действием поступившего на вход 19 сигнала U₁₇=0 вычислительный блок 20 на основании данных, поступающих на вход 21 с выхода запоминающего блока 9, производит расчет физико-химических свойств жидкости. По окончании работы вычислительный блок 20 сформирует на выходе 22 сигнал U₂₂=1. Под действием поступившего на вход 24 сигнала U₂₂=1 регистратор 25 обновит показания поступившими на вход 27 с выхода 26 вычислительного блока 20 вычисленными значениями физико-химических свойств жидкости 1.

Поступившим на вход 23 сигналом U₂₂=1 блок управления формирует сигналы U₁₃=1, U₁₄=0, U₁₇=1, и цикл измерения повторится.

Определение физико-химических свойств жидкости производят по записанным через равные промежутки времени в запоминающий блок 9 значениям пропорционального емкости С преобразователя 2 сигнала U₇, полученным за время одного возвратно-поступательного движения сильфона 4.

По измеренным значениям емкости С судят о физико-химических свойствах жидкости, при этом:

- по значению С₀ емкости преобразователя 2, соответствующему невозмущенной поверхности жидкости 1, определяют плотность ρ;

- по значению C₁ емкости преобразователя 2, соответствующему максимальной высоте углубления 6, в совокупности со значением С_о определяют поверхностное натяжение σ;

- по значению C′(t) скорости изменения емкости преобразователя 2 в совокупности со значением С_о определяют вязкости η.

Физико-химические свойства контролируемой жидкости определяются по измеренным значениям емкости преобразователя, причем

Таким образом, предлагаемый способ контроля физико-химических свойств жидкости и устройство, его реализующее, обеспечивают получение в результате одного измерительного цикла информации о значениях поверхностного натяжения, плотности и вязкости.

Конструкция предлагаемого устройства позволяет осуществить многократное измерение физико-химических свойств жидкости в автоматическом режиме. Это дает возможность уменьшить случайную составляющую ошибки измерения. Диапазон измерения и чувствительность устройства может изменяться, например, изменением скорости сжатия сильфона w_дс.

Способ контроля и устройство для его реализации применяются в различных отраслях промышленности для определения качества проведения технологических процессов путем измерения физико-химических свойств продукции, например, в лакокрасочной промышленности, при производстве синтетических смол и др. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности способа контроля. Способ включает воздействие струи газа, вытекающей из сопла с постоянной скоростью, формирование углубления на поверхности жидкости, прекращение воздействия струи газа, восстановление поверхности жидкости, измерение параметров углубления емкостными методами, по которым судят о плотности и поверхностном натяжении. Дополнительно измеряют скорость изменения емкости преобразователя в совокупности с емкостью преобразователя, соответствующей невозмущенной поверхности жидкости, как при формировании углубления, так и при восстановлении поверхности жидкости, по которой судят о вязкости. Устройство содержит сопло над поверхностью жидкости, источник расхода газа в виде пневматической емкости переменного объема, измеритель размеров углубления в виде двухобкладочного одностороннего емкостного преобразователя, измеритель емкости, блок управления, вычислительный блок, запоминающий блок, дифференцирующий блок, регистратор. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения физико-химических свойств жидкости, включающий воздействие струи газа, вытекающей из сопла с постоянной скоростью, формирование углубления на поверхности жидкости, прекращение воздействия струи газа, восстановление поверхности жидкости, измерение параметров углубления емкостными методами, по которым судят о плотности и поверхностном натяжении, отличающийся тем, что дополнительно измеряют скорость изменения емкости преобразователя в совокупности с емкостью преобразователя, соответствующей невозмущенной поверхности жидкости, как при формировании углубления, так и при восстановлении поверхности жидкости, по которой судят о вязкости.2. Устройство для контроля физико-химических свойств жидкости по способу п.1, содержащее сопло, расположенное над поверхностью жидкости и соединенное с источником расхода газа, выполненным в виде пневматической емкости переменного объема, соединенной с механизмом изменения ее объема, измеритель размеров углубления, выполненный в виде двухобкладочного одностороннего емкостного преобразователя, в центре торца которого установлено сопло, измеритель емкости, регистратор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены блок управления, вычислительный блок, запоминающий блок, дифференцирующий блок, при этом вход дифференцирующего блока и первый вход запоминающего блока соединены с выходом измерителя емкости, вход которого соединен с измерителем размеров углубления, выход дифференцирующего блока подключен к первому входу блока управления, два выхода блока управления подключены ко второму входу запоминающего блока и к первому входу вычислительного блока, первый выход которого подключен к второму входу блока управления и к первому входу регистратора, а второй - к второму входу регистратора, выходы блока управления подключены к входам исполнительного механизма, выход запоминающего блока соединен со вторым входом вычислительного блока.