Колебательный датчик вязкости Советский патент 1985 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к вибрацио ной вискозиметрии и может быть использовано при исследовании свойств текучих сред в химической и пищевой промншленности, в металлургии, а также в промьшшенности строительных материалов по их вязкости. Известен колебательный датчик вязкости, включающий механическую колебательную систему, соединенную с системами возбуждения и измерения Характер демпфирования колебательно го датчика определяется, в основном исследуемой средой, а повторяемость произведенных при помощи его измере НИИ зависит в большей мере от конструкции механической части колебательного датчика l . Недостатком указанного колебательного датчика является разброс параметров механической колебательной системы. Наиболее близким к предлагаемому является крлебательньш датчик вязкости, состояпщй из механической колебательной системы, возбуждающего и приемного преобразователей, имеющего выход для подключения изме рительной системы. Возбуждающий преобразователь содержит сравнивающее устройство с импульсным выходом задатчик, триггер, электронные ключи и усилитель с прямым и фазоинверсным входами 2 . Известный колебательный датчик не обеспечивает высокой повторяемое ти измерений ввиду разброса добротности при изготовлении датчика, а также ввиду изменения добротности при его эксплуатации. Неодинаковая добротность у отдельных экземпляров датчиков затрудняет градуировку вискозиметров при их серийном производстве. Цель изобретения - увеличение повторяемости измерений и облегчение градуировки вискозиметра, используюр их колебательные датчики. Поставленная цель достигается тем, что колебательный датчик вязко ти, состоящий из механической колебательной системы, возбуждающего пр образователя и приемного преобразователя, имеющего выход для подключения .рительной системы, дополнительно содержит управляемьв усилитель, измерительный вход которого соединен с выходом приемного преобр зователя, и .сумматор, один вход которого соединен с выходом управляемого усилителя, другой вход подключен к системе возбуждения вискозиметра, а выход соединен с входом возбуждающего преобразователя. На чертеже изображена функциональная блок-схема предлагаемого датчика. Колебательный датчик вязкости включает механическую колебательную систему 1, погружаемую в исследуемую жидкость, возбуждающий преобразователь 2 для приведения механической колебательной системы 1 в колебательное движение, приёмный преобразователь 3, который снимает и передает сигнал о колебании зонда механической колебательной системы 1 в систему измерения вискозиметра,.управляемьй усилитель 4, измерительный вход которого соединен с выходом приемного преобразователя 3, и суыматор 5, один вход которого соединен с ВЫХОДОМ управляемого yci-тителя 4, другой вход подключен к системе возбуждения вискозиметра, а выход соединен с входом возбуждающего преобразователя 2. I Датчик работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный скорости зонда механической колебательной системы 1 , с выхода прие -шого преобразователя 3 подается через управляемый усилитель 4, сумматор 5 и возбуждающий преобразователь .2 обратно на механическую колебательную систему так, что образуется контур обратной связи. Образующаяся обратная связь при исходной добротности QQ Ц01Л где QHQUJ необходимое номинальное значение добротности, положительна и при QO QHOM отрицательна, а при ,,OMконтур обратной связи сорван. Управление обратной связью - ее знаком и глубиной,которая выбирается такой, чтобы круговое усиление всегда было меньше единицы, осуществляется через второй управляющий вход управляемого усилителя 4. При построении вискозиметра на базе предлагаемого датчика возбз дающий сигнал с системы возбуждения вискозиметра подается на один из входов сумматора 5, где он алгебраически суммируется с выходным сигналом управляемого усилителя 4, а выходной сигнал датчика спима31

етс.я с выхода приемного преобразователя 3 и колебательный датчик имеет нормализованную добротность .

Необходимость нормализации добротности колебательного датчика вызвана тем, что добротность известных колебательных датчиков варьируется в большей мере как от экземпляра к экземпляру, так и во времени, а ее величина сильно влияет на нелинейность характеристик датчика при малых вязкостях измеряемой среды, Изме няющаяся нелинейность, как следствие изменения добротности, повторяемость измерений и затрудняет градуировку вискозиметра.

Математически достигаемый эффект нормализации добротности выражается

формулой л о

fl - Q .

(1)

Ч (+ и и

li KO,

где Qt - добротность датчика после нормализации, QO - исходная добротность датчика,

0 коэффициент передачи исходного датчика на резонансной частоте оОо ; - коэффициент передачи управляемого усилителя. При отрицательной обратной связи (QQ ) в формуле (1) в знаменателе стоит знак плюс, а при положительной обратной связи (Qo Q,j) .знак минус. Для нестабильности нормализованной добротности получаем ;из формулы (1) следующую оценку:

. &QO (2)

(Ai Q,1

макс о

где

ikjk,

л

uQolQo

&k, и &QO - изменении ;, И QQ.

Оценивая влияние добротности и ее изменений на отсчеты измерений вязкости, допустим, что механическая колебательная система 1 описывается дифференциальным уравнением второго порядка

. .), (3)

где m - колеблющаяся масса, oc«c tf +oip- суммарное значение коэффициента затухания;

144028

cdp) - исходный коэффициент затухания;

«н - коэффициент затухания , введенный для нормализации добротности

Dtf- коэффициент затухания, характеризующий влияние измеряемой жидкости;

С - жесткость упругого элемента,

«

X,x,V - перемещение и его первое

и второе производные} ilfc) - возбуждающая сила. Поделив компоненты V. wa ft , можем по определению добротности записать, «о «о с - 1Ыор

U - d I V f

ЧТО

Q,

m

О 1 2

Заменяем совместное влияние добротности QO.H произведения динамической вязкости жидкости на ее плотность р на эквивалентное влияние вязкости Р, 79КЭ по уравнению;

- foop2 xe о -IWope

И.. ,

откуда находим, что

, f -fvj / m

где 5 - отношение площади соприкосновения зонда с жидкостью к колеблющейся массе датчика.

Так как использование положительной обратной бвязи является, имея ввиду нестабильность добротности по формуле (2) после нормализации, худшим, чем использование отрицательной обратной связи при всех значениях jj , приведем пример, в котором исходную добротность требуется перевести к номинальной при помощи положительной обратной связи. Допустим при этом, что УО 200 м. -кг и измеряется вязкость р2 1 Па «с. кг, м .

При градуировке вискозиметра эквивалентная совместному влиянию QUQK 100 и р2 1 Па-Скг м вязкость Па-с/кг, м отмечается на шкале прибора как действительная ВЯЗКОСТЬ р 1 Па. с-кп и их.

разница р 2 Р принимается как устраненная систематическая поГрешность. Совместное влияние Qo 50 и р 1 Па.с.кг. эквивалентно 96 .кг-м-з и разница Р 0,52 приводит к 52-проI11центиой погрешности измерения вязкости р 1 Па. с. кг. м. Нормализация добротности устраняет эту погрешность. Из таблиць видно, как влияют на погрешность измерения относительные изменения добротности Q и коэффициента ICi , при этом для определенности величинам AQo/Qo, и &k, /t присвоены Конкретные численные значения (измеряется вязкость р 1ПаСКГмТ1 28 Сравнение погрешностей от Q и QI по таблице показывает, что нормализация значительно уменьшает разброс добротности, независимо от того, возникает ли он при изготовлении или при эксплуатации датчика, повышает, таким образом, повторяемость измерений и облегчает градуировку вискозиметров, использующих предлагаемый колебательный дат чик.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ДАТадк ВЯЗКОСТИ, состоявши из механической колебательной системы, возбуткдающего преобразователя и приемного преобразователя, имеющего выход для подключения измеритепьной системы, о тличающийс я тем, что, с целью увеличения повторяемости измерений и облегчения градуировки вискозиметра, он содеряят управляемый усилитель, измерительный вход которого соединен с вькодом приемного преобразователя, и сумматор, один вход которого соединен с выходом управляемого усилителя, другой вход подключен к системе возбуждения вискозиметра, а выход соединен с входом возбуждающего преобразователя.

ЙсходиьпЧ датчик 50 1,96 1,44 52 10-2 «1

Датчик с нормализированной добротностью

QrQ«oM oo Ю- 1 10-2 1 io-z210-2 100i2 1,00 +0,98 +0,0098 -0,94 -0,0094 10-23-10-2 1,00 +1,5 +0,015 -1,4 -0,014 10 МО-2 10011 1,00 +0,48 +0,0048 -0,0047 -0,47