Ротационный вискозиметр Советский патент 1984 года по МПК G01N11/14 

С 00 СО

Изобретение относится к устройствам для измерения вязкости жидкости, в частности к ротационным вискозиметрам с безопорно подвешенным в вискозиметрической камере ротором.

Известен магнитный плотномер-вискозиметр, в котором вискозиметрическая камера расположена между двумя соленоидами с воздушными сердечниками. Третий,дополнительный соленоид с воздушным сердечНИКОМ, расположен внутри верхнего соленоида. Ротор представляет собой цилиндр из электропроводного материала, в нижней части которого укреплен сердечник из магнитомягкого материала (феррита). Плоская катушка датчика положения укреплена непосредственно на внутренней оболочке вискозиметрической камеры 1.

Так как сердечник ротора из магнитомягкого материала располагается в его нижней части, то центр приложения сил к ротору со стороны магнитного подвеса находится ниже центра тяжести ротора. При этом вес ротора и сила, приложенная к ротору со стороны магнитного подвеса, направлены навстречу друг другу, что обеспечивает неустойчивое равновесие ротора. Поэтому для обеспечения его устойчивого вращения требуется тщательная балансировка ротора и юстировка магнитной системы, состоящей из трех соленоидов, что сложно при изготовлении и эксплуатации вискозиметра.

Магнитодинамический подвес вискозиметра не обеспечивает подъемной силы, достаточной для подвеса ротора в газе из-за конструктивного расположения соленоидов относительно вискозиметрической камеры и применения соленоидов с воздушным сердечником, что не позволяет измерять вязкость газов или маловязких жидкостей с небольшой плотностью, таких, например, как сжиженные газы.

Исполнительный элемент магнитодинамического подвеса, магнитомягкий сердечник ротора, окружен цилиндром из электропроводного материала, на который действует вращающееся магнитное поле привода вращения. Это поле действует также и на сердечник ротора, вызывая его горизонтальные колебания при недостаточной соосности ротора и привода вращения. Горизонтальные колебания ротора ухудшают воспроизводимость результатов измерения из-за изменения рабочего зазора между ротором и оболочкой вискозиметрической камеры.

Плоская катушка индуктивности датчика положения расположена на внутренней оболочке вискозиметрической камеры. Тепловые возмущения, возникающие при работе катушки, попадают в вискозиметрическую камеру, снижая точность термостатирования, а следовательно и точность измерения. Кроме того, при изменении температуры термостатирования параметры катушки изменяются, что приводит к изменению положения ротора. Изменение положения ротора снижает воспроизводимость результатов измерения и требует дополнительной подстройки магнитодинамического подвеса для возвращения ротора в исходное положение. Такая подстройка при переходе от одной температуры термостатирования к другой усложняет эксплуатацию вискозиметра.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое приводом вращения, вносит возмущение в работу катушки индуктивности датчика положения. Эти возмущения являются дестабилизирующими факторами при работе магнитодинамического подвеса вискозиметра, что усложняет его настройку и требует подстройки при переходе от одной скорости вращения магнитного поля привода к другой при измерении вязкости на различных скоростях деформации. Эта дополнительная подстройка при переходе от одной скорости деформации к другой усложняет эксплуатацию вискозиметра.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ротационный вискозиметр, содержащий магнитодинамический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора, вискозиметрическую камеру, установленную на одной вертикальной оси с сердечником соленоида, в которой расположен ротор, с укрепленным в нем сердечником 2.

Однако известный вискозиметр работает когда ротор имеет небольшую положительную плавучесть. Поэтому для измерения вязкости жидкости с различными плотностями необходимо для жидкостей с отличающимися плотностями проводить предварительную регулировку веса ротора на положительную плавучесть и установку ротора в исходное положение регулировкой параметров магнитодинамического подвеса вискозиметра. Это усложняет эксплуатацию вискозиметра и увеличивает время эксперимента.

Расположение магнитодинамического под. веса относительно вискозиметрической камеры и конструкция ротора вискозиметра, не позволяют проводить на данном вискозиметре измерения вязкости газов и маловязких жидкостей с небольшой плотностью, таких, например, как сжиженные газы, так как не обеспечиваетиподвес ротора в газе.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения вязкости за счет снижения нижней границы диапазона и упрощение эксплуатации вискозиметра.

Поставленная цель достигается тем, что в ротационном вискозиметре, содержащем магнитодинамический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора, вискозиметрическую камеру, установленную на одной вертикальной оси с сердечником соленоида, в которой расположен ротор с укрепленным в нем сердечником, сердечник ротора расположен в его верхней части, а вискозиметрическая камера укреплена под сердечником соленоида, причем датчик положения ротора представляет собой две включенные по дифференциальной схеме тороидальные катушки индуктивности, расположенные на внешней оболочке вискозиметрической камеры симметрично относительно сердечника ротора и окруженные вместе с сердечником ротора экраном, ослабляющим вращающееся магнитное поле привода вращения.

На чертеже представлен ротационный вискозиметр, общий вид.

Ротационный вискозиметр содержит ротор 1, полностью погруженный в исслеДу-, емую жидкость или газ 2, в нижней части ротора 1 укреплен цилиндр 3 из электропроводного материала, в верхней части ротора 1 укреплен сердечник 4 из магнитомягкого материала, цилиндр 3 и сердечник 4 соединены между собой втулкой 5 из неэлектропроводного материала с отверстием б, элементы ротора окружены прозрачной химически стойкой оболочкой 7, исследуемая жидкость (или газ) 2 и безопорно подвещенный в ней ротор 1 расположены в рабочем объеме вискозиметрической камеры 8, состоящей из верхнего основания 9, нижнего основания 10, пробки 11 с прижимным устройством, внутренней оболочки 12 и внещней термостатирующей оболочки 13; сердечник 4 ротора из магнитомягкого материала при рабочем положении ротора расположен симметрично относительно осей симметрии О и Of двух тороидальных катущек 14 индуктивности, расположенных на внещней термостатирующей оболочке 13 вискозиметрической камеры 8; катушки 14 входят в мост индуктивности, соединенный с регулятором 15 положения ротора, выход которого соединен с катушкой соленоида 16, соленоид содержит магнитомягкий сердечник 17, на одной вертикальной оси с которым и под ним укреплена вискозиметрическая камера 8; на вискозиметрической камере 8 укреплены также фланец 18 с заправочными капиллярами 19 (на чертеже показан один капилляр) и трубками 20 для подвода термостатирующей жидкости (на чертеже изображена одна трубка), в верхнем основании укреплен термометр 21 сопротивлений, на внешней термостатирующей оболочке 13 укреплено кольцо 22 со световодом 23, линзой 24, фототриодом 25 и экраном 26, окружающим катушки 14 индуктивности и верхнюю часть ротора с сердечником 4; нижняя часть вискозиметрической камеры 8 погружена в кронщтейн 27 привода вращения; на кронштейне 27 расположены постоянные магниты 28, причем цилиндр 3 ротора в рабочем положении Q ротора располагается симметрично относительно горизонтальной оси симметрии постоянных магнитов 28 привода вращения, кронщтейн 27 соединен с двигателем 29, например шаговым.

5Устройство работает следующим образом

Вискозиметрическая камера 8 через заправочные капилляры 19 заполняется исследуемой жидкостью (или газом) 2. В рабочем режиме ротор 1 безопорно подве шивается в заданном положении при помощи магнитодинамического подвеса. При перемещении ротора 1 в вертикальном направлении сердечник 4 ротора из магнитомягкого материала смещается из положения, симметрично относительно дифферен5 циально включенных катушек 14 индуктивности.

Смещение сердечника 4 относительно катущек 14 индуктивности вызывает появле-, ние сигнала разбаланса с измерительной диагонали моста индуктивности. Этот сигнал подается на регулятор 15 положения ротора, который изменяет ток в соленоиде 16 так, чтобы, воздействуя на сердечник 4 ротора и возвращая ротор 1 в исходное положение, свести сигнал разбаланса к нус лю, тем самым ротор 1 поддерживается в постоянном положении.

Вращение ротора обеспечивается приводом вращения ротора. Шаговый двигатель 29 вращает кронщтейн 27 с укреплен0 ными на нем магнитами 28. Вращение постоянных магнитов 28 создает вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле возбуждает в цилиндре 3 из электропроводного материала вихревые токи,

5 магнитное поле которых, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, приводит цилиндр 3 и соединенный с ним ротор 1 во вращение (т. е. вращение цилиндра обеспечивается по принципу вращения ротора асинхронного электродвигателя). Ротор 1

0 вращается с постоянной скоростью, когда момент сил трения пропорциональный измеряемой вязкости жидкости (или газа), уравновешивается моментом сил, возбуждаемых в цилиндре 3 вращающимся магнитным полем, при этом период вращения ротора пропорционален измеряемой вязкости.

Период вращения ротора 1 измеряется следующим образом.

Световой поток от источника света (на чертеже не показан) проходит через световод 23, фокусируется линзой 24 на отверстии 6. После отверстия 6 сфокуированный световой поток попадает на фототриод 25, возбуждая в нем электрический ток.

При вращении ротора световой поток периодически прерывается, изменяя при этом амплитуду тока с фототриода 25. Блок измерения периода вращения ротора (на чертеже не указан) измеряет период следования импульсов с фототриода 25, тем самым измеряется период вращения ротора 1.

Задание и поддержание необходимой температуры исследуемой жидкости обеспечивается термостатирующей жидкостью, которая прокачивается внещним термостатом (на чертеже не указан) через трубки 20 между внутренней оболочкой 12 и внещней термостатирующей оболочкой 13.

Температура термостатирующей жидкости в вискозиметрической камере измеряется термометром 21 сопротивлений.

Для обеспечения сборки вискозиметрической камеры 8 и технической замены ротора 1, например при его разрущении, в нижнем основании 10 вискозиметрической камеры имеется отверстие, которое закрывается и герметизируется пробкой 11.

В предлагаемом вискозиметре вискозиметрическая камера 8 укреплена под сердечником 17 соленоида 16 на одной с ним вертикальной оси. Сердечник 17 из магнитомягкого материала увеличивает подъемную силу соленоида 16. Ротор 1, расположенный в вискозиметрической камере 8, в рабочем положении подвещивается по вертикальной оси вискозиметрической камеры, .совпадающей с осью сердечника 17 соленоида. Так как сердечник 4 ротора находится в его верхней части, т. е. максимально приближен к сердечнику 17 соленоида 16, то центр приложения силы со стороны магнитодинамического подвеса на сердечник 4 ротора находится выще центра тяжести ротора и на одной с ним вертикальной оси. При этом сила тяжести и сила, действующая на ротор со стороны магнитодинамического подвеса, направлены в разные стороны, что обеспечивает устойчивый подвес ротора в стационарном режиме (т.е. без вращения). Так как сердечник 4 ротора 1 конструктивно максимально приближен к сердечнику 17 соленоида, то в точке его подвеса на него действует максимальная подъемная сила соленоида, направленная вертикально вверх, что улучщает динамические характеристики магнитодинамического подвеса.

Геометрические размеры ротора 1 и вес его частей подобраны таким образом, что его общий вес больще веса вытесненной им исследуемой жидкости при любой ее плотности. Поэтому при любой плотности жидкости подъемная сила соленоида направлена вверх.

Симметричное расположение сердечника 4 ротора относительно осей симметрии О и О/ катущек 14 индуктивности, включенных по дифференциальной схеме, обеспечивает при изменении положения ротора максимальный сигнал разбаланса, что повыщает коэффициент усиления системы магнитодинамического подвеса, а следовательно, обеспечивает стабильный подвес ротора в вертикальном направлении в стационарном режиме.

Кроме того, катушки 14 индуктивности и сердечник 4 ротора окружены экраном 26, который является магнитопроводом соленоида 16. Экран 26, являясь магнитопроводом, концентрирует магнитный поток соленоида 16, что увеличивает подъемную силу.

Конструктивное рещение магнитодина0мического подвеса и ротора предлагаемого вискозиметра обеспечивает подъемную силу и параметры системы регулирования магнитодинамического подвеса, позволяющие получить стабильный подвес ротора в постоянном положении в вискозиметрической

5 камере при стационарных условиях (т. е. без вращения ротора), заполненной исследуемой жидкостью с любой плотностью или газом.

В описываемой конструкции вискози0метра магнитомягкий. сердечник 4 ротора 1, расположенный в его верхней части, удален от электропроводного цилиндра 3, расположенного в его нижней части. Это ослабляет воздействие вращающегося маг- нитного поля на сердечник 4 ротора, так как

5 напряженность магнитного поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Для устранения влияния вращающегося магнитного поля привода вращения вис0козиметра на датчик положения, датчик положения ротора выполнен в виде двух тороидальных катущек 14 индуктивности, расположенных на внещней термостатирующей оболочке 13. рядом одна с другой и включенных по дифференциальной схеме навстре5чу друг другу. Так как катущки 14 индуктивности укреплены рядом одна с другой, то возмущающее воздействие со стороны вращающегося магнитного поля привода оказывает практически одинаковое влияние на каждую из катущек 14. Это вызывает

0 появление одинаковых сигналов на каждой из них, которые взаимно компенсируются, так как катущки 14 включены навстречу друг другу по дифференциальной схеме. Дифференциальное включение катушек 14

5 устраняет также влияние других воз.мущающих факторов на стабильное положение ротора, таких, например, как из.менение

РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР, содержащий магнитодина1мический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора, вискозиметрическую камеру, установленную на одной вертикальной оси с сердечником соленоида, в которой расположен ротор с укрепленным в нем сердечником, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения вязкости и упрощения эксплуатации вискозиметра, сердечник ротора расположен в его верхней части, а вискозиметрическая камера укреплена под сердечником соленоида, причем датчик положения ротора представляет собой две включенные по дифференциальной схеме тороидальные катущки индуктивности, расположенные на внешней оболочке вискозиметрической камеры симметрично относительно сердечника ротора и окруженные вместе с сердечником ротора экраном, ослабляющим вращающееся магнитное поле привода вращения.