ВИБРАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР Российский патент 2008 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных вискозиметров, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических процессов.

Суть измерений с помощью вискозиметров такого типа заключается в выявлении тормозящего действия жидкости на колеблющееся в контакте с ней пробное тело. При этом используют устройства, состоящие из механического вибратора, соединенного с пробным телом - зондом, электронной схемы управления и электромеханических преобразователей.

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' - колебательная скорость;

ρ - плотность жидкости;

η - вязкость жидкости;

А, В, С, К - коэффициенты пропорциональности.

Реально, кроме сопротивления жидкости при измерениях, приходится учитывать Z₀ - сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки. При этом общее наблюдаемое сопротивление Z=Z_ж+Z₀.

В рассматриваемом классе устройств вызывающая движение сила и скорость пробного тела пропорциональны соответствующим электрическим сигналам U_F и U_ξ. Поэтому имеют место соотношения

Z=BU_F/U_ξ; Z₀=BU_F0/U_ξ0,

где U_F0 и U_ξ0, обусловленные присутствием Z₀, соответствуют колебаниям пробного тела на воздухе.

Эксперимент обычно проводят или при постоянной величине силы - измеряют полученную амплитуду колебаний; или при постоянной величине амплитуды (скорости) движения - измеряют требуемую для создания заданной амплитуды силу. При стабилизации действующей силы U_F=U_F0 измеряемый сигнал U=U_ξ связан с нелинейным образом. При стабилизации U_ξ=U_ξ0 измеряемый сигнал U=U_F связан с линейным образом.

.

U₀=U_F0, зависит от заданной амплитуды движения.

Известны вискозиметры, содержащие вибратор с пробным телом - зондом и соединенные с ним два электромеханических преобразователя в цепи обратной связи электронного автогенератора. При этом автогенератор состоит из последовательно включенных входного усилителя и усилителя-ограничителя [Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. Новосибирск.: Наука, 1970. - 139 с.].

Возбуждающая движение сила формируется из выходного напряжения ограничителя и имеет постоянное значение, при этом выходной аналоговый сигнал пропорционален амплитуде движения и связан с величиной нелинейной функцией.

Наиболее близким к предлагаемому является вискозиметр [Разработка вибрационного вискозиметра общепромышленного назначения и опыт его внедрения. А.П.Дзюба, Н.П.Зорин, В.Н.Крутин, И.А.Пыхтеев, Л.А.Ушаков. / Вибрационная вискозиметрия, сборник трудов, СО АН СССР, Институт теплофизики, Новосибирск, 1976, с.78-87]. Он состоит из вибратора с двумя электромеханическими преобразователями и автогенератора в виде контура обратной связи. Автогенератор содержит устройство сравнения УС, независимый источник опорного напряжения ОН и управляемый усилитель АРУ. С помощью УС формируется управляющий сигнал АРУ, который изменяет коэффициент передачи цепи таким образом, чтобы компенсировать возможное изменение амплитуды движения зонда. Величина амплитуды задается с помощью ОН и сравнивается с сигналом движения на входе УС.

Структура такого вискозиметра приведена на фиг.1.

Вибратор 1 является частотозадающим элементом и имеет два электромеханических преобразователя 1.1 и 1.2. Электромеханический преобразователь 1.1 преобразует поступающее на него электрическое напряжение в механическую силу и возбуждает движение. Электромеханический преобразователь 1.2 преобразует амплитуду колебаний в пропорциональный электрический сигнал. Они включены в цепь обратной связи автогенератора. Автогенератор состоит из входного усилителя 2, усилителя-ограничителя 3 и управляемого усилителя 12. Коэффициент усиления управляемого усилителя 12 определяется управляющим сигналом, который формирует устройство сравнения 10. На два его входа поступает сигнал от выпрямителя 6, соединенного с входным усилителем 2 и от источника постоянного напряжения 14. С помощью источника постоянного напряжения 14 задается амплитуда колебаний. Если сигнал амплитуды движения на входе устройство сравнения 10 равен задающему напряжению источника 14, напряжение на управляющем входе управляемого усилителя 12 равно 0. В противном случае на управляющий вход управляемого усилителя 12 поступает разность выходных напряжений источника постоянного напряжения 14 и выпрямителя 6, которая изменяет коэффициент передачи управляемого усилителя 12 и величину возбуждающей силы до тех пор, пока не установится сигнал амплитуды движения, равный заданному значению. Могут быть подключены выпрямитель 13 для контроля амплитуды, компаратор 5 для определения частоты колебаний, усилитель 7 для обеспечения требуемого уровня управляющего сигнала и усилитель постоянного тока 8 для регулирования чувствительности.

Измерение происходит при постоянном значении амплитуды колебаний. Определяют величину возбуждающей движение силы при положении пробного тела на воздухе, в калибровочной и контролируемой жидкости.

Выходной аналоговый сигнал формируется из управляющего напряжения 10, пропорционален величине возбуждающей силы, связан с величиной линейной функцией и содержит постоянную составляющую U₀.

Далее этот сигнал регистрируется оператором или подвергается процедуре вычитания постоянной составляющей. Ее значение должно быть определено ранее в условиях калибровки на воздухе при заданной амплитуде движения. Таким образом, для того чтобы провести измерение с другой амплитудой колебаний (например, для изменения чувствительности или с минимальной амплитудой - с целью исключить влияние измерения на структуру жидкости) требуется изменение вычитаемого значения и перекалибровка. Это усложняет работу оператора.

Присутствие в возбуждающем электрическом сигнале начального U₀ ограничивает динамический диапазон возможного добавочного напряжения, связанного с сопротивлением жидкости (U_max-U₀), где U_max - максимально возможное напряжение на преобразователе. Это имеет значение для измерений с большой амплитудой при контроле линейности реологического поведения сложных коллоидных растворов, например буровых. Допустим, максимально возможное напряжение 15 В (соответствует выходному напряжению стандартного операционного усилителя), а требуемая амплитуда движения достигается при U₀ = 13 B. Оставшийся динамический запас 2 В весьма мал и ограничивает возможности измерения только маловязкими жидкостями.

Задачей изобретения является устранение зависящей от амплитуды движения постоянной составляющей сигнала.

Технический результат достигается тем, что вискозиметр включает в себя вибратор с тремя электромеханическими преобразователями и автогенератор в виде двух контуров обратной связи, один из которых является генератором опорного напряжения для второго.

Вибрационный вискозиметр, содержащий механический вибратор с пробным телом и электромеханическими преобразователями, один из которых является источником сигнала движения и через выпрямитель соединен с одним из входов устройства сравнения, на другой вход которого поступает опорное напряжение, а выход устройства сравнения связан с управляющим входом управляемого усилителя, основной вход которого соединен с усилителем-ограничителем, а выход - со вторым электромеханическим преобразователем - генератором механической силы, при этом вход усилителя-ограничителя связан с электромеханическим преобразователем - источником сигнала движения, ко второму входу устройства сравнения через дополнительный выпрямитель присоединен еще один установленный на вибраторе и связанный с усилителем-ограничителем электромеханический преобразователь, из сигнала на котором формируется опорное напряжение.

Структура предлагаемого устройства приведена на фиг.2.

Вибратор 1 является частотозадающим элементом и имеет три электромеханических преобразователя 1.1; 1.2 и 1.3. Электромеханические преобразователи 1.1 и 1.3 преобразуют поступающие электрические напряжения в механическую силу. Электромеханический преобразователь 1.2 преобразует амплитуду колебаний в электрический сигнал.

Задающий частоту и амплитуду движения контур обратной связи состоит из входного усилителя У (2) и усилителя-ограничителя УО (3). К выходу УО и входу У подключены преобразователи 1.1 и 1.2.

Поддерживающий амплитуду контур состоит из входного усилителя У (2), усилителя-ограничителя УО (3), предварительного усилителя 11 и управляемого усилителя АРУ (12). Коэффициент усиления АРУ определяется управляющим сигналом, который формирует устройство сравнения УС (10) с помощью выпрямителей 6 и 9 из сигнала движения с электромеханического преобразователя 1.2 и сигнала силы с электромеханического преобразователя 1.1.

На второй вход устройства сравнения поступает опорное напряжение, которое формируется с помощью связанного с ним дополнительного выпрямителя 9 и повторителя 15 из сигнала на электромеханическом преобразователе 1.1, фиг.2, который дополнительно установлен на вибраторе и соединен с усилителем-ограничителем 3.

Коэффициент передачи цепи 2-6 устанавливают таким образом, чтобы при положении пробного тела 1.4 вне жидкости сигнал на выходе У (2) был равен сигналу на электромеханическом преобразователе 1.1 и таким образом компенсировалось внутреннее сопротивление установки Z₀.

Для контроля амплитуды движения, определения частоты колебаний, обеспечения требуемого уровня управляющего сигнала и регулирования чувствительности могут также быть подключены выпрямитель 13, компаратор 5, усилитель 7 и усилитель постоянного тока 8.

Схема работает следующим образом. На два входа устройства сравнения поступают сигналы от выпрямителей 6 и 9. Если сигнал, пропорциональный амплитуде движения выпрямителя 6, равен задающему напряжению выпрямителя 9, поступающего через повторитель 15 с усилителя-ограничителя первого контура, напряжение на управляющем входе управляемого усилителя 12 равно 0. В противном случае на управляющий вход поступает разность напряжений, которая изменяет коэффициент передачи управляемого усилителя 12 и создает добавочную силу на электромеханическом преобразователе 1.3 до тех пор, пока на электромеханическом преобразователе 1.2 не установится сигнал амплитуды движения, равный заданному значению.

Происходит разделение возбуждающего электрического напряжения и действующей силы на две составляющие. Доля полной силы, генерируемая электромеханическим преобразователем 1.1, пропорциональна Z_0.. Доля полной силы, генерируемая поддерживающим электромеханическим преобразователем 1.3, пропорциональна другой составляющей механического сопротивления. Он включается при дополнительном торможении пробного тела за счет окружающей жидкости. Выходной аналоговый сигнал формируется из напряжения на электромеханическом преобразователе 1.3, связан с линейным образом и не содержит постоянной составляющей.

В возбуждающем электрическом сигнале на электромеханическом преобразователе 1.3 нет начального U₀. Допустим, максимально возможное напряжение 15 В (соответствует выходному напряжению стандартного операционного усилителя), а требуемая амплитуда движения достигается при U₀ = 13 B. Устанавливается напряжение 13 В на электромеханическом преобразователе 1.1. Динамический запас 15 В на 1.3 при этом не уменьшается.

Измерение проводят при заданной амплитуде колебаний:

1. Находят сигнал U_k при движении зонда в калибровочной жидкости с известными значениями ρ_kη_k.

2. Определяют коэффициент по формуле .

3. Определяют U_ж при движении зонда в исследуемой жидкости.

4. Находят искомое значение по формуле =KU_ж.

Пример конкретного выполнения

Камертон 3 из латуни с частотой резонанса f₀ ≈ 400 Гц подвешен на струнах. На конце одной из его ножек установлено пробное тело в виде тонкого жесткого заостренного стержня из нержавеющей стали (игла). На другой ножке установлен противовес из латуни. Ширина ножек камертона 20 мм. На плоских ножках камертона также установлены пьезоэлементы диаметром 12 мм, толщиной 0.5 мм из керамики ЦТС - 19. На одной из ножек - преобразователь 1.2, подключенный к входному усилителю. На противоположной ножке - два аналогичных преобразователя 1.1 и 1.3. Они подключены к выходным каскадам контуров обратной связи автогенератора, собранного на микросхемах 140 серии. 1.1 - к задающему контуру, 1.3 - к поддерживающему контуру.

Пробное тело погружали в контролируемые жидкости на одинаковую глубину 20 мм. Задавали величину U_ξ 1; 2 и 3 В. Ее измеряли с помощью цифрового вольтметра.

Определяли значение выходного сигнала при движении зонда в воздухе (точка 0), октане (1), декане (2), диэтилфталате (3) и циклогексаноле (4). На фиг.3 приведены зависимости между U и , полученные с помощью предлагаемого вискозиметра. Чувствительность датчика составляет 0.6 при U_ξ = 1 В; 1.2 при U_ξ = 2 В и при U_ξ = 3 В, при этом отсутствует постоянная составляющая сигнала.

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных вискозиметров, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических процессов. Вибрационный вискозиметр содержит механический вибратор с пробным телом и тремя электромеханическими преобразователями. Один из электромеханических преобразователей является источником сигнала движения и через выпрямитель соединен с одним из входов устройства сравнения, на другой вход которого поступает опорное напряжение. Выход устройства сравнения связан с управляющим входом управляемого усилителя, основной вход которого соединен с усилителем-ограничителем, а выход - со вторым преобразователем - генератором механической силы. Вход усилителя-ограничителя связан с преобразователем - источником сигнала движения. Ко второму входу устройства сравнения через дополнительный выпрямитель присоединен еще один установленный на вибраторе и связанный с усилителем-ограничителем электромеханический преобразователь, из сигнала на котором формируется опорное напряжение. Техническим результатом изобретения является расширение возможностей измерения за счет устранения зависящей от амплитуды движения постоянной составляющей сигнала. 3 ил.

Вибрационный вискозиметр, содержащий механический вибратор с пробным телом и электромеханическими преобразователями, один из которых является источником сигнала движения и через выпрямитель соединен с одним из входов устройства сравнения, на другой вход которого поступает опорное напряжение, а выход устройства сравнения связан с управляющим входом управляемого усилителя, основной вход которого соединен с усилителем-ограничителем, а выход - со вторым электромеханическим преобразователем - генератором механической силы, при этом вход усилителя-ограничителя связан с электромеханическим преобразователем - источником сигнала движения, отличающийся тем, что ко второму входу устройства сравнения через дополнительный выпрямитель присоединен еще один установленный на вибраторе и связанный с усилителем-ограничителем электромеханический преобразователь, из сигнала на котором формируется опорное напряжение.