ДАТЧИК ВЯЗКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных датчиков погружного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей.

Рассматриваемый тип датчиков состоит, как правило, из собственно вибратора, пробного тела и стержневого подвеса. Последний соединяет вибратор с пробным телом и передает ему механическое движение.

В процессе измерения электрически управляемый вибратор находится на воздухе, а колеблющееся пробное тело на конце достаточно длинного подвеса погружают в контролируемую среду. Измеряют действующую со стороны жидкости тормозящую силу.

Трение между колеблющимся телом и окружающей средой (торможение) описывается формулой

Z_т=F/ξ'=С,

где Z_т - механическое сопротивление трения жидкости о тело;

F - сила, вызывающая движение;

ξ' - колебательная скорость;

ρ - плотность жидкости;

η - вязкость жидкости;

С - коэффициент пропорциональности.

Реально, кроме сопротивления трения пробного тела присутствуют также

Z₀ - сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки;

Z_п - механическое сопротивления трения жидкости о соприкасающиеся с ней элементы подвеса.

Общее наблюдаемое сопротивление Z=Z_т+Z_п+Z₀=Z_ж+Z₀.

В электромеханическом классе устройств вызывающая движение сила и скорость движения пропорциональны соответствующим электрическим сигналам U_F и U_ξ. Поэтому имеют место соотношения

Z=BU_F/U_ξ; Z₀=BU_F0/U_ξ0.

U_F0 и U_ξ0, которые обусловлены величиной внутреннего трения вибратора, измеряют при положении пробного тела на воздухе.

При стабильном значении U_ξ=U_ξ0 сигнал U=U_F связан с линейным образом.

U=U₀+К,

где К - коэффициент пропорциональности,

U₀=U_F0 и зависит от заданной амплитуды движения.

Эксперименты проводят при одинаковом положении зонда в ячейке. При этом измерения, связанные с изменением объема пробы в сосуде, например, в результате добавления реагентов, осложняются из-за присутствия в полном сопротивлении зависящего от глубины погружения фрагмента Z_п.

Известны вибрационные вискозиметры, например вискозиметр А.Б.Каплуна, содержащий в качестве датчика электромеханический вибратор и имеющий пробное тело в виде закрепленной на жестком стержне пластины [Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970. - 142 с.].

Недостатком этой конструкции является то, что в процессе измерения происходит движение в жидкости не только пробного тела, но и некоторой части стержня - подвеса, величина которой зависит от глубины погружения. Это приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения пробного тела. Таким образом, для каждой глубины требуется отдельная калибровка.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является камертонный датчик. [А.В.Богословский, М.А. Полуэктов // Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988, - с.34-38]. Он представляет собой вибратор - камертон, закрепленный за узловую точку в опоре. На ножки наклеены пьезоэлементы и установлены стержень с пробным телом на конце на одной из ножек и противовес - на другой.

При измерениях погружается в жидкость не только пробное тело, но и некоторая часть стержня. Ее трение о жидкость приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения. Таким образом, следует проводить измерения при одинаковом положении пробного тела в контролируемые жидкости, или проводить специальную калибровку для каждой глубины.

Задачей изобретения является создание датчика, для которого результат измерения не зависит от глубины погружения пробного тела в жидкость.

Техническим результатом является устранение влияния глубины погружения на выходной сигнал вибрационного датчика и, таким образом, увеличение достоверности результатов измерений и расширение возможностей использования вибрационного метода измерения. Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый датчик вязкости содержит два одинаковых вибратора с присоединенными одинаковыми стержнями. На конце одного из стержней закреплено пробное тело. На конце другого стержня пробное тело отсутствует.

Полное сопротивление такого составного датчика состоит из двух фрагментов

Z_ж1=Z₀₁+Z_п1+Z_т,

Z_ж2=Z₀₂+Z_п2,

где Z₀₁ - внутреннее сопротивление первого вибратора,

Z_п1 - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса пробного тела первого вибратора,

Z_т - сопротивление, обусловленное пробным телом,

Z₀₂ - внутреннее сопротивление второго вибратора,

Z_п2 - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса второго вибратора.

Z_п1=Z_п2=Z_п.

Предлагаемый датчик изображен на фиг.1. Схема электрических соединений приведена на фиг.2.

Каждый вибратор (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Схемы обеспечивают колебания на частоте резонанса с постоянной, не зависящей от механической нагрузки амплитудой.

Аналоговые выходные сигналы U₁ и U₂ рассматриваемых схем (4) пропорциональны текущим значениям механического сопротивления соответствующих вибраторов. Поэтому приведенные выше выражения для сопротивлений Z можно переписать для соответствующих электрических напряжений

U₁=U₀₁+U_п1+U_т,

U₂=U₀₂+U_п2.

Указанные напряжения поступают на устройство сравнения - схему вычитания (5). При этом ее выходное напряжение будет

U₁₂=(U₀₁-U₀₂)+(U_п1-U_п2)+U_т.

Величина U₀₁₂=(U₀₁-U₀₂) измеряется на воздухе, является в эксперименте постоянной и отражает разную величину внутреннего трения используемых камертонов. Значения напряжений U_п1 и U_п2 зависят от глубины погружения.

U_п1=K₁h, U_п2=K₂h,

где K₁, K₂ - коэффициенты пропорциональности; h - глубина погружения пробного тела.

При соответствующей настройке указанных схем K₁=К₂, и разностный сигнал U₁₂ не зависит от глубины погружения.

Пример конкретного выполнения.

Схема датчика вязкости изображена на фиг.1. Два одинаковых латунных вибратора - камертона (2) с частотой резонанса ω₀≈400 Гц закреплены в держателе (1) концами ножек навстречу друг другу таким образом, что их колебания ориентированы перпендикулярно горизонту. К нижней ножке вибратора (2лев) присоединен стержень (3) из нержавеющей стали диаметром 1,5 мм. На конце стержня находится пробное тело в виде шара диметром 6 мм. К нижней ножке вибратора (2прав) аналогичным образом присоединен такой же стержень (3). Пробное тело на его конце отсутствует. На фиг.2 приведена функциональная схема соединения фрагментов устройства. Каждый из вибраторов (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Выходные сигналы схем (4), U₁, U₂ поступают на входы схемы вычитания (5). Разностный сигнал U₁₂ регистрируется с помощью персонального компьютера.

Измерения проводят следующим образом. Находят U₁₂₀ при колебании зонда на воздухе. Находят U_12k при колебаниях зонда в калибровочной жидкости с известными значениями ρ_k, η_k. Определяют коэффициент по формуле . Далее определяют U_12ж при колебании зонда в исследуемой жидкости. Находят искомое значение по формуле

На фиг.3 приведен график зависимости выходного сигнала датчика U_12ж от глубины погружения составного зонда в циклогексанол. На фиг.4 приведен график зависимости - , полученный путем погружения составного зонда на глубину 10 мм в октан (1), декан (2), диэтилфталат (3) и в циклогексанол (4).

Определенная по графику чувствительность составляет .

Таким образом, предлагаемый датчик вязкости позволяет проводить измерения при различной глубине погружения пробного тела в контролируемую жидкость.

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных датчиков погружного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей. Датчик вязкости содержит электрически управляемый вибратор, схему управления вибратором, присоединенный подвес и пробное тело на его конце, при этом датчик дополнительно содержит еще один такой же вибратор со схемой управления и присоединенным подвесом, но без пробного тела, и схему вычитания, к двум входам которой присоединены аналоговые выходы схем управления вибраторами, а выход соединен с регистрирующим устройством. Технический результат - увеличение достоверности результатов измерений и расширение возможностей использования вибрационного метода измерений. 4 ил.

Датчик вязкости, содержащий электрически управляемый вибратор, схему управления вибратором, присоединенный подвес и пробное тело на его конце, отличающийся тем, что он дополнительно содержит еще один такой же вибратор со схемой управления и присоединенным подвесом, но без пробного тела, и схему вычитания, к двум входам которой присоединены аналоговые выходы схем управления вибраторами, а выход соединен с регистрирующим устройством.