Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости Советский патент 1985 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к контрол но-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения поверх ностного натяжения жидкостей, включая резины, латексы и другие аналогичные материалы с упругими свойствами и повьшенной эластичностью. Известно устройство для определ ния поверхностного натяжения, соде жащее сосуд с испытьюаемой жидкостью, смесью или гелем,погружаем в жидкость кольцо и измеритель деформации испытуемого вещества I . Однако устройство характеризует ся недостаточной точностью измере ния и требует значительных затрат времени и ручного труда операторов по определению момента отрыва кольц от поверхности испытуемого вещества одновременным определением импульса возникающего при этом наибольшего усилия. Известны тенсиометры типа дю Нуи с платиноиридиевым кольцом, содержа щие измеритель сил с испытательным кольцом, определяющий усилие в момент отрьта кольца от испытуемой жидкости 2. Однако тенсиометры имеют низкую точность (не более 0,5%), малую производительность (15 мин на одно измерение) и неудобны в работе, так как требуют перед каждым измерением индивидуальной калибровки шкалы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения поверхност го натяжения жидкости, содержащее измерительный рычаг с испытательным кольцом,сосуд для исследуемой жидКости, задатчик перемещения сосуда с электродвигателем, электрический блок преобразования величины нагрузки, соединенный с измерительным рычагом, и регистрирующий блозс. В известном устройстве используется рычаг, подвешенный на торсионах и снабженный подвеской с испытательным кольцом, электрический блок преобразования и регистрации вьталнен в виде индуктивного четырехплечего моста Уитстона, разбалансируемого подвижным флажком,закрепленным на рычаге, причем выход моста подан на регистратор, а в качестве задатчика перемещений используется электромеханическая каретка с направляющей и фотодатчиком 3, Однако известное устройство имеет недостаточную точность, малое быстродействие и узкий диапазон измере- . ния поверхностного натяжения, поскольку в нем используется способ прямого измерения усилий на испытательном кольце в момент его отрыва от исследуемого вещества. Кроме того, в процессе работы необходим ввод оператором поправок на глубину погружения кольца, величину перемещения каретки с кольцом и т.д. Указанные недостатки препятствуют проведе- . нию быстрых и точных экспрессанализов параметров латекса и резины, которые быстро застьшают и теряют свои качественные характеpиdтики. Целью изобретения является повьшение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости, содержащее измерительный рычаг с испытательным кольцом, сосуд для исследуемой жидкости, задатчик перемещения сосуда с электродвигателем, электрический блок преобразо- вания величины нагрузки, соединенный с измерительным рьгчагом и регистрирующий блок, дополнительно содержит электромагнитный компенсатор, один конец катушки которого соединен с выходом электрического блока преобразования величины нагрузки, второй конец - с регистрирующим устройством, а подвижный сердечник с измерительным рычагом, и блок регистрации скорости изменения нагрузки, вход которого подключен к второму .концу катушки электромагнитного компенсатора, а выход - к блоку управления, соединенному с электродвигателем задатчика перемещения. На фиг,1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - диаграмма изменения силы поверхностного натяжения испытуемого латекса в зависимости от перемещения кольца; на фиг.З - схема взаимодействия латекса с кольцом. Устройство содержит (фи)-.1) измеритель нагрузок с измерительнь1м рычагом 1-, установленным с помощью опоры 2 а основание 3 и снабженным конце31вой призмой 4 с подвеской 5, и следя тую систему 6 автоматического уравно вышивания, в состав которой входят катушка 7, подвижный сердечник 8, образующие совместно с магнитной системой 9 электромагнитный компенсатор 10, и флажок (пластина) 11, образукяций совместно с катушками 12 и 13 возбулсдения и съема сигнала, электрический блок 14 преобразования. Кроме того, измеритель нагрузок снабжен арретирующими упорами 15 управляемыми через кулачок 16 и вал 17 от рукоятки 18,а подвеска 5 снабжена испытательным кольцом 19 из аитикорродирующего материала, погружае мым в сосуд 20 с исследуемым латексом 21 , который в свою очередь установлен на столик 22, опускаемый с помощью задатчшса перемещения, в состав которого входят кулачки 23 и двигатель 24, имеюпшй равномерную скорость вращения. В состав следящей системы входят также синхронный детектор 25,генератор.26 возбуждения и интегратор-рег лятор 27, при этом выходной сигнал Д Uc преобразователя 14 поступает в синхронный детектор 25, питаемый от генератора 26 возбуждения, где он преобразуется и в. виде напряжения Л Об поступает в ийтеграторрегулятор 27. Выходной ток 1 интегратора 27 поступает через токопод воды в катушку 7 электромагнитного компенсатора 10, а затем подается в сравниваюпц1й измерительный интегратор 28 совместно с импульсами Iоп встречио направленного тока, подавае мого от электронного «люча 29,кото . „ рый питается через буферное устрой- ство 30 от источника 31 опорного ток ,Выходной сигнал Un сравнивающего измерительного интегратора 28 поступает совместно с выходным сигналом УПН генератора 32 пилообразного напр жения, управляемого через делитель 33 частоты от генератора 34 опорной частоты в KOMnaipaTop. 35, который в свою очередь управляет своим выход ньм сигналом UKOM электронным ключом 29 и вентилем 36. Назначение блоков 28-36 - сопряжение следящей системы с входами 37 и 38 регистрирующего устройства- 39 и блока 40 регистрации скорости иэменеиия нагрузки, поскольку они являются цифро выми устройствами. 84 Регистрирующее устройство 39 снабжено счетчиком 41, регистром 42 результата, блоком 43 задержки и регистром 44 памяти, соединенным с блоком 45 индикации, а также регистром 46 тарыл с кнопкой 47 ввода тары и вычитающим счетчиком 48, соединенным соответственно с регистрами результата 42 и памяти 44 регистрирующего устройства 39. Блок 40 регистрации скорости изменения нагрузки снабжен счетчиком 49, регистром 50 результата, реверсивным счетчиком 51, блоком 52 задержки и регистром 53 производной, выход 54 которого соединен с блоком 55 управления, двигателя 24, имеющего, кроме того, кнопку 56 ручной остановки. Делитель 57 служит для подачи частоты ,, - где К и Kj - коэффициенты деления, на регистры 42 и 50 результата и бло ки 43 и 52 задержки. Устройство работает следующим образом. В исходном положении сосуд 20 с испытуемым латексом 21, установленньтй на столике 22, опущен вниз и кольцо 19 находится в во здухе. При этом рычажный измеритель нагрузок вместе с флажком 11 под воздействием веса Р| кольца 19 получает отклонение на угол ЛЧ , и преобразователь 14 выдает сигнал Д Uc , который поступает в синхронкыи детектор 25 и далее после преоб„разования в виде сигнала Д Уь попазоняния в яипо гмгняття л iJa rrn- интегратор-регулятор 27,формирующий уравновешивающий (компенсационный ток) Iko , который поступает в катушку 7 электромагнитного компенсатора 10, воздействует на подвижный сердечник 8 и возвращает рычаг 1 в положение исходного равновесия, когда 0. Одновременно ток IKO,пропорциональный Р|,после прохождения через катушку 7 подается в сравнивающий измерительный интегратор 28, в который, кроме того, подаются импульсы встречно направленного тока Ion , формируемые электронным ключом 29, буферным устройством 30 и источником 31 опорного тока. 5 Выходной сигнал Un сравнивающего измерительного интегратора 28 подается совместно с пилообразно (линейно) нарастающим напряжением УПЦ формируемым от генератора 32, компаратор 35, который тем самым управляет процессом открьтания закрьшания электронного ключа 29 и вентиля 36. Линейно нарастающие импульсы напряжения UPH имеют частоту следов i НИН - , определяемую коэффициен I том к деления частоты делителя 33, а время открытого состояния элек ронного ключа 29 и вентиля 36 пропорционально величине компенсационн го тока IKO , ,. ,, где IKO - исходное значение компен сационного тока; РК - вес кольца 19 в воздухе; К,) и Кл- масштабные коэффициент Число импульсов Wo частотой I pf, J пропущенное вентилем 36 за время Ato его открытого СОСТОЯНИЯ, поступающее на вход 37 регистрирующего у ройства 39, пропорционально весу РК кольца 19. ,., где Ке - масштабный коэффициент. Регистрирующее устройство 39 через счетчик А1, регистр 42 результат регистр 46 тары, вычитающий счетчик .48 и регистр 44 памяти выдает результирующее значение суммарного числа сосчитанных импульсов No в блок 45 индикации. Далее сосуд 20 с испытуемым латексом 21 подводится вверх к кольцу 19, которое захватывается латексом 2, причем показания блока 45 индикации, пропорциональные нагрузке Р рычажного измери теля после временного уменьшения, вызванного плавучестью кольца 19, снова начинают расти Сфиг.2 и 3)с Когда показания N снова станут равн ми показаниям А/о (весу кольца 19 в воздухе), включают двигатель 24, перемещающий сосуд, 20 с латексом 2 вниз с помощью кулачка 23, При этом нарастает нагрузка Р и пропорционально вырастают значения компенсационного тока 1к и соответствующие показания N блока 43 индикации. 8 Одновременно с регистрируншшм устройством 39 блок 40 ре1Ч1страпии скорости измерения нагрузки через счетчик 49, регистр 50 результата, реверсивный счетчик 51 и регистр 53 производной производит следующие операции. Подсчитывается за каждый тлктовый импульс частотой cyMi apHoe количество импульсов N в счетчике 49, пропорциональное текущей нагрузке Р рычажного измерителя от поверхностного натяжения испытуемого латекса 21. По ие импульсу с выхода делителя 57 в регистре 50 запоминается указанное значение А . В начале следующего такта измерения этот код по импульсу с выхода блока 52 задержки вводится в реверсивный счетчик 51. За время следующего такта на счетный вход счетчика 51 проходит , А импульсов. Реверсивный счетчик 51 включен в начале такта в режим вычитания. Б момент равенства нулю кода в счетчике он переключается в режим суммирования. В резу тьтате в конце такта код в счетчике 51 равен-.,-%-л N. количество имг(ульсов, поступивших с выхода вентиля 36 на 1 -ом такте измерения; - приращение количества импульсов на 1-ом такте по сравнению с предыдущим. Код, равный Д А/ и пропорциональный изменению нагрузки при перемещении сосуда 20 с латексом 21 за время такта измерения переписБшает- ся в регистр 53 производной, по импульсу с выхода делителя 57. Поскольку известно, что ,фиг,2) при перемещении кольца 19 относительно Испытуемого латекса 21, поверхностное натяжение после участка Нарастания О - х. стабилизируется (участок Xj- х.), а затем возникает зона неустойчивого состояния латекса 21 (окрестности точки отрыва Xf), измерение и оценка поверхностного наяжения во вновь разработанном стенде роизводятся именно на участке стабиизированного состояния латекса х -X, В моменты времени, когда текущее риращение Harpy3KFf Л Р постигает

минимума (участок х, - х , а производная 4- функции Р {()с1 изменени нагрузки Р от перемещения х достигает нулевого значения, 4i;- О, с

хода 54 регистра 53 производной выдается сигнал в блок 55 управления, производящий остановку двигателя 24.

В указанный момент регистр 44 памяти вьщает показания /дд,,. , посту пающие в блок 45 индикации, которые пропорциональны измеряемому поверхностному натяжению РЛ/ЮКС испытуемого латекса21

Л/ Р

«икс 5 I (4)

где - масштабный коэффициент. Относительная величина усилия отрьюа латекса 2 определяется по выражению

1 макс 0 ( Мйис о )

Градуировка стенда по показаниям W блока 45 индикации ведется непосрественно в единицах силы, в ньютонах или граммах-силы, путем нагружения подвески 5 грузами известного веса (массы) .

Регистр 46 тары с кнопкой 47 ввода тары используется для удобства работы оператора путем сброса начальных показаний Wo- блок а 45 индикации в положение нуля, например, при взвешивании кольца 19 в воздухе или при начальном погружении его в латекс 21,

Как показывают предварительные экспериментальные исследования и данные испытаний опытных образцов и макетов предлагаемого устройства, его использование по сравнению с известным позволяет повысить точност измерения с 0,5 до 0,05 -0,01%, т.е. в 5-10 раз, и увеличить быстродействие с 15 до 5 мин, т.е. в 3 раза.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет автоматизировать процесс определения поверхностного натяжения латекса и избавиться в знчительной степени от субъективных и методических погрешностей используемых в настоящее время дпя аналогичных целей приборов и устройств.

Указанное преимущество определяется тем, что в известных приборах за результат измерения поверхностного натяжения принимается последнее перед отрьшом кольца от поверхности латеКса показание измерителя нагрузки. При зтом на точность результата оказьшают влияние субъективные ошибки оператора, преждевременный отрьш кольца может произойти из-за колебаний подвески с кольцом вибраций волн на поверхности латекса. Процесс измерения приходится производить многократно, процесс плохо поддается автоматизации.

В предлагаемом устройстве в дополнительном блоке счета автоматичеки формируется сигнал, обеспечивающий остановку задатчика перемещений Сстолик 22) сосуда 20 с латексом 21 при достижении участка Xj -Х4 кривой (фиг.2). Усилие, вызьшаемое поверхностным натяжением, определяется после остановки двигатля 24, успокоения колебаний подвески 5 и поверхности латекса 21.

Предлагаемое устройство для измерения поверхностного натяжения латекса найдет широкое применение в резинотехнической, химической, нефтеперер батывающей и других отраслях промьшшенности в качестве эффективного и точного устройства рдя экспресс-анализа механических свойств латекса.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГОВЕРХНОСТНОГО НАТЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, содержащее измерительный рычаг с испытательным кольцом, сосуд для исследуемой жидкости, задатчик перемещения сосуда с злектродвигателем, электрический блок преобразования величины нагрузки, соединенный с измерительным рычагом, и регистрирующий блок, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности и быстродействия, оно дополнительно содержит электромагнитный компенсатор, один конец катушки которого соединен с выходом электрического блока преобразования величины нагрузки, второй конец - с регистрирующим устройством, а подвижный сердечник с измерительным рычагом, и блок .. регистрации скорости,изменения нагрузки, вход которого подключен к (Л второму концу катушки электромагнитного компенсатора, а выход - к блоку управления, соединенному с .электродвигателем задатчика перемещения. ел к