Способ и устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра Российский патент 2017 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью тепловых средств и может использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных жидкостей: дизтоплив, авиационных керосинов, растительных масел и др. Проводимая работа одобрена и поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере путем проведения научно-исследовательской работы "Разработка опытного образца экспресс-анализатора низкотемпературных свойств нефтепродуктов с улучшенными метрологическими характеристиками".

Известно изобретение, близкое к заявляемому изобретению по идее использования заданного фазового сдвига между входными и выходными сигналами колебательной системы, работающей в режиме вынужденных колебаний, для фиксации ее работы в режиме резонанса [патент РФ №2416092. Способ диэлькометрического контроля влажности материалов]. Согласно данному способу емкостной датчик влажности включают в параллельный электрический колебательный контур, который возбуждают импульсами тока с разным направлением и скоростью развертки частоты в двух тактах преобразования. При этом выделяют и усиливают отклонение амплитуды выходного сигнала контура от порогового напряжения, которое используют для регулирования амплитуды импульсов тока, определяют частоту резонанса по нулевой разности фаз между возбуждающим током и выходным сигналом контура, а по результату цифрового измерения частоты резонанса определяют влажность материала. При этом настройка на резонанс производится только два раза за цикл преобразования в процессе прямого и обратного изменения частоты импульсов тока возбуждения колебательной системы, что обеспечивает измерение определенного заданного параметра, но не может обеспечить удовлетворительную точность измерения при динамическом анализе термовязкостных свойств жидкостей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ по патенту РФ 2263305, при осуществлении которого в термоизолированной металлической кювете с пробой исследуемой жидкости размещают термоизолированный сферический металлический зонд вибровискозиметра, снабженного устройством охлаждения-нагрева пробы. Кювета и зонд снабжены термодатчиками. Зонд вибровискозиметра с заданной вынуждающей силой приводят в режим резонансных механических колебаний, монотонно и непрерывно по времени изменяют температуру кюветы со скоростью, превышающей скорость установления процессов изменения температуры пробы. Температуру зонда, амплитуду и частоту колебаний зонда измеряют во всем заданном интервале изменения температуры кюветы и определяют плотность р и вязкость л жидкости в зависимости от ее температуры по уравнению теплопроводности жидкости и по уравнению вынужденных колебаний зонда вибровискозиметра.

В реализации способа по патенту РФ №2263305 используется внутреннее возбуждение, то есть механическая колебательная система вибровискозиметра работает в режиме автоколебаний за счет положительной обратной связи между выходом датчика положения зонда и входом устройства возбуждения колебательной системы и непрерывно отслеживает изменения резонансной частоты колебательной системы.

Недостатком этого способа является низкая точность определения текущей резонансной частоты колебаний зонда в процессе термосканирования жидкости, особенно в диапазоне ее повышенной вязкости, что соответственно приводит к недостаточной точности измерения текущих значений плотности и вязкости исследуемой жидкости в процессе анализа.

Недостаточная точность определения текущей резонансной частоты колебаний зонда в режиме автоколебаний объясняется следующим:

а) при повышении вязкости жидкости добротность механической колебательной системы существенно уменьшается, что, как известно, пропорционально уменьшает стабильность частоты автоколебаний;

б) при низкой добротности колебательной системы возможно возникновение колебаний на частоте амплитудного резонанса ω_А, которая не совпадает с частотой истинного резонанса ω₀, определяющей полную (в том числе присоединенную) массу колеблющегося зонда вибровискозиметра.

Из теории следует, что частота амплитудного резонанса не совпадает с частотой истинного резонанса ω₀; частота ω_А зависит от добротности колебательной системы и равна

где Q - добротность механической колебательной системы. Таким образом, погрешность определения истинной резонансной частоты ω₀ при низкой добротности колебательной системы может быть весьма значительной [Иориш, Ю.И. Виброметрия. 2-е изд. – М.: Государственное издательство машиностроительной литературы, 1963. - с. 170];

в) при низкой добротности колебательной системы уменьшаются амплитуда колебаний зонда и, соответственно, величина выходного сигнала датчика положения зонда. Это приводит к повышению нестабильности выходного сигнала датчика положения зонда за счет действия внешних электрических, механических и акустических помех. Названные недостатки не гарантируют точность измерений при очень низкой добротности механической колебательной системы, что соответствует высокой сдвиговой вязкости исследуемой жидкости.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить измерительный режим механической колебательной системы на частоте истинного резонанса и тем самым обеспечить повышение точности и расширение рабочей области измерения вибровискозиметром динамической вязкости и плотности исследуемых жидкостей в зависимости от температуры при любой конечной добротности колебательной системы.

Предлагается способ внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, при котором механическую колебательную систему зонда вибровискозиметра, снабженного датчиком положения, с заданной вынуждающей силой приводят в режим резонансных механических колебаний посредством устройства возбуждения, отличающийся тем, что выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации, непрерывно изменяют частоту колебаний устройства возбуждения до достижения резонансной частоты, которую определяют по достижении заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига ϕ₃ между колебаниями устройства возбуждения и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕ₃(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2, где ϕ_ф(ω) - значение на частоте ω фазового сдвига частотно-фильтрующих цепей сигнала датчика положения зонда вибровискозиметра.

Заявляемый способ основан на том факте, что для механических колебательных систем с одной степенью свободы при резонансе сдвиг фазы колеблющейся массы относительно вынуждающей силы равен π/2 при любом значении добротности колебательной системы [см. там же]. Это следует из теоретически известной фазочастотной характеристики такой системы:

Согласно изобретению предлагается фазу выходного сигнала датчика положения зонда измерять после предварительного усиления и частотной фильтрации этого сигнала. То есть на вход устройства измерения фазового сдвига подают сигналы, находящиеся в диапазоне нижних и верхних рабочих частот вибровискозиметра от ω_н до ω_в, где ω_н и ω_в. Усиление сигнала датчика положения зонда целесообразно для достижения точного измерения сдвига фазы выходного сигнала датчика относительно колебаний вынуждающей силы при исследовании жидкостей высокой вязкости для снижения влияния электрических, механических и акустических помех на сигнал датчика малой амплитуды. Частотно-фильтрующие цепи на каждой заданной частоте ω неизбежно вносят дополнительный фазовый сдвиг, который однозначно определяется общей фазочастотной характеристикой этих цепей. Использование усиленных и частотно-отфильтрованных сигналов датчика положения зонда позволяет повысить точность измерения в том числе при низкой добротности механической колебательной системы вибровискозиметра.

Таким образом, используя режим вынужденных колебаний зонда вибровискозиметра и непрерывно изменяя частоту колебаний вынуждающей силы до значения, при котором сдвиг фазы выходного сигнала датчика положения зонда относительно колебаний вынуждающей силы составит π/2 (без учета частотно-фильтрующих цепей), можно обеспечить работу механической колебательной системы вибродатчика на частоте истинного резонанса ω₀ при любом конечном значении добротности колебательной системы вибродатчика, что позволяет применить описанный способ исследования температуровязкостных свойств жидкости со сдвиговой вязкостью в широком диапазоне.

Наиболее близким по реализации к заявляемому изобретению является устройство возбуждения колебательной системы вибровискозиметра, включающее возбудитель механических колебаний зонда в виде электронного блока обеспечения возбуждения колебательной системы на ее резонансной частоте с амплитудой вынуждающей силы, не зависящей от амплитуды колебаний зонда. Выход датчика положения зонда подключен к входу устройства регистрации и управления, выполненного на базе микроконтроллера, посредством которого измеряют амплитуду колебаний зонда, их частоту, фазовый сдвиг между колебаниями зонда и колебаниями вынуждающей силы, и вычисляют температуровязкостные показатели исследуемой жидкости (патент РФ №2263305).

Заявленное устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее устройство возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера, отличается тем, что выход датчика положения зонда соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи, выход которой соединен с микроконтроллером, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы.

При этом в постоянной памяти программируемого микроконтроллера записаны управляющая программа для устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы (МКС) зонда вибровискозиметра и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) частотно-фильтрующей цепи.

Структурная схема заявляемого устройства представлена на фигуре 1.

Здесь 1 - электрически управляемое устройство возбуждения колебаний МКС; 2 - механическая колебательная система зонда вибровискозиметра; 3 - датчик положения зонда вибровискозиметра; 4 - линейный электронный усилитель сигнала датчика положения зонда; 5 – частотно-фильтрующая цепь, содержащая линейные фильтры частот в диапазоне нижних и верхних рабочих частот МКС. Частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи должна быть заранее известна или экспериментально измерена; 6 - программируемый микроконтроллер, в постоянной памяти которого записаны управляющая программа для устройства возбуждения колебаний МКС и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи. Устройство возбуждения 1 воздействует на МКС зонда и осуществляет внешнее возбуждение механических колебаний зонда 2, снабженного датчиком положения 3. Выход датчика положения 3 зонда соединен с входом электронного усилителя 4, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи 5, выход которой соединен с микроконтроллером 6, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу устройства возбуждения 1 колебаний МКС.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.

Под действием выходных сигналов микроконтроллера 6 устройство возбуждения колебаний 1 механической колебательной системы зонда 2 вибровискозиметра формирует периодическую вынуждающую силу постоянной амплитуды с текущей частотой ω и начальной фазой ϕ₀. Под действием этой силы на выходе датчика положения зонда 3 формируется гармонический сигнал, сдвинутый по фазе на величину ϕ_д(ω) относительно фазы ϕ₀. Этот сигнал пропорционально усиливается усилителем 4, фильтруется по частоте посредством фильтрующей цепи 5 и подается на вход микроконтроллера 6 с результирующей фазой ϕ_рез(ω). Микроконтроллер 6, в памяти которого записана частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) частотно-фильтрующей цепи, определяет разницу фаз ϕ_рез(ω) и ϕ₀ в соответствии с заложенной в нем управляющей программой. Если эта разница равна ϕ₃(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2, то частота выходного сигнала микроконтроллера 6, подаваемого на вход устройства возбуждения колебаний 1, соответствует частоте истинного резонанса и не изменяется. Если разница меньше, чем ϕ₃(ω), то микроконтроллер 6 пошагово увеличивает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Если разница фаз ϕ_рез(ω) и ϕ₀ больше, чем ϕ₃(ω), то микроконтроллер 6 пошагово уменьшает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Указанную процедуру микроконтроллер 6 выполняет непрерывно, обеспечивая практически непрерывную работу колебательной системы 2 в режиме истинного резонанса, Таким образом, микроконтроллер 6 и устройство возбуждения колебаний 1 обеспечивают работу механической колебательной системы зонда вибровискозиметра в режиме вынужденных колебаний с автоматической подстройкой частоты.

Создание управляющей программы для микроконтроллера, выполняющей перечисленные функции: генерации периодических сигналов заданной низкой частоты и ее изменения с заданным шагом, измерения фазовой задержки между двумя периодическими сигналами этой частоты и выбор направления изменения частоты по заданному формальному критерию не представляет сложных инженерных проблем и с разной степенью полноты реализовано в известных аппаратно-программных комплексах.

Таким образом заявленные способ и устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра позволяют повысить точность и обеспечить расширение рабочей области определения текущих значений плотности и динамической вязкости исследуемых жидкостей путем обеспечения измерительного режима механической колебательной системы вибровискозиметра на частоте истинного резонанса.

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью тепловых средств и может использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных жидкостей. Способ заключается в том, что непрерывно изменяют частоту колебаний возбудителя до достижения резонансной частоты, которую определяют по достижении заданного и записанного в управляющей программе микроконтроллера на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между колебаниями возбудителя и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕ₃(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2. Устройство внешнего резонансного возбуждения включает возбудитель колебаний механической колебательной системы зонда, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра на базе микроконтроллера, выход датчика положения соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи, выход которой соединен с микроконтроллером, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу возбудителя колебаний. Технический результат заключается в повышении точности и расширении рабочей области измерения вибровискозиметром динамической вязкости и плотности исследуемых жидкостей в зависимости от температуры при любой конечной добротности колебательной системы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, при котором механическую колебательную систему зонда вибровискозиметра, снабженного датчиком положения зонда, с заданной вынуждающей силой приводят в режим резонансных механических колебаний посредством устройства возбуждения, отличающийся тем, что выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации, непрерывно изменяют частоту колебаний устройства возбуждения до достижения резонансной частоты, которую определяют по достижении заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига ϕ_з между колебаниями устройства возбуждения и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕ_з(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2, где ϕ_ф(ω) - значение на частоте ω фазового сдвига частотно фильтрующих цепей сигнала датчика положения зонда вибровискозиметра.

2. Устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее устройство возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера, отличающееся тем, что выход датчика положения зонда соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно фильтрующей цепи, выход которой соединен с микроконтроллером, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы при этом в постоянной памяти микроконтроллера записаны управляющая программа для устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) частотно-фильтрующей цепи.