Устройство для измерения параметров жидких сред Советский патент 1990 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к измерению плотности, динамической и кинематической вязкости высокотемпературных и низкотемпературных жидкостей (расплавы металлов, стекла и пластмасс, смазочные масла, лаки, краски, кровь и др. жидкости) и может быть исполь - зовано в научных исследованиях, медицинской практике и технологическом контроле процессов с участием жидких

сред в металлургическом, стекольном, химическом, лакокрасочном и других производствах.

Цель изобретения - повышение точности измерения динамической вязкости при одновременном расширении Аункцио- нальных возможностей устройства.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит измерительный блок 1, блок 2 управления, вычислительный блок 3 и блок 4 индикации измеряемых величин,.

Измерительный блок 1 содержит вертикальный осевой шток 5, состоящий из магнитного стержня 6, металлической втулки 7, выполненной из неферромагнитного материала, корпуса 8, тонкого стержня 9 и цилиндрического зонда 10, цилиндрический измерительный сосуд 11 с исследуемой жидкостью 12, цилиндрический стакан 13 из теплоизоляционного токонепроводлпего мате- риала, связанный резьбовым соединением с сосудом 11 и имеющий на дне центральное отверстие 14, соленоид 15, три индукционные катушки 16-18, генератор 19 гармонических колебаний повышенной частоты, два генератора 20 и 21 гармонических колебаний высокой частоты, два преобразователя 22 и 23 ток-напряжение, аналоговый мультиплексор 24, транзистор 25, изме- рительный резистор 26, резистор 27 формирования напряжения уставки максимального тока соленоида 15, элемент НЕ 28, элемент И 29, счетчик 30 времени равномерного снижения штока 5 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 31.

Блок 2 управления содержит три элемента НЕ 32-34, четыре элемента И 35-38, генератор 39 импульсов, два двоичных счетчика 40 и 41 и RS-триг- гер 42.

Вычислительный блок 3 содержит блок 43 умножения, два блока 44 и 45 масштабных коэЛфициентов, блок 46 вычитания, блок 47 деления и задатчик

48постоянного двоичного кода.

Блок 4 индикации содержит .элемент

49индикации плотности, элемент 50 индикации динамической вязкости и элемент 51 индикации кинематической вязкости жидкости.

Измерительный блок 1 служит для формирования кода в интервале времени перемещения птока 5 между индукционными катушками 16 и ,17 в режиме падения и кода тока соленоида 15 в режи-, ме магнитной левитации штока, передаваемых в вычислительный блок 3, а также для выработки сигналов о начале и окончании счета времени перемещения штока 5, передаваемых в блок 2 управ- ления.

Блок 2 управления служит для формирования импульсов счета временных , интервалов, выработки сигнала установки нуля счетчика времени равномерного снижения штока и сигнала переключения входов мультиплексора, передаваемых в измерительный блок, а также выработки сигнала пуска вычислительного блока.

Вычислительный блок 3 служит для выполнения математических операций с кодом интервала времени-равномерного снижения штока 5 и кодом тока соленоида 15, поступающих из измерительного блока 1 . .,

Блок 4 индикации регистрирует значение вычисленных блоком 3 измеряемых параметров потока текучей среды.

Устройство работает следующим образом.

При отключенном напряжении питания соленоид 15 обесточен и шток 5 находится в нижнем нерабочем положении, опираясь под действием собственного веса на дно стакана 13. При этом тело втулки 7 полностью заполняет рабочие зоны индукционных катушек 16- 18.

Зонд 10 погружен в измерительный сосуд 11, заполненный исследуемой жидкостью 12 до уровня, превышающего положение верхней кромки зонда 10 при зависании штока 5 в верхней точке на оси соленоида 15.

После включения питающего напряжения катушка 18 центрирования штока 5 запитывается током повышенной частоты ( - l кГц) от генератора 19, а катушки 16 и 17 измерения положения штока 5 запитываются током высокой частоты ( 1 КГц) от генераторов 20 и 21.

Сигналом начальной установки RS- триггер 42 устанавливается в единичное состояние. Напряжение 1 с выхода RS-триггера 42 поступает на адресный вход мультиплексора 24, благодаря чему его выход подключается к его первому информационному D-вхо- ду, на который через резистор 27 подается напряжение уставки максимального тока соленоида 15. Это напряжение поступает на базу транзистора 25, открывая его до величины максимального тока, который, протекая по обмотке соленоида 15, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным стержнем 6, создает

515

максимальную направленную снизу ввер смолу, под действием которой шток втягивается в соленоид, начиная режим подъема. При движении штока 5 вверх втулка 7 последовательно выходит из рабочих зон катушек 16 и 17. После выхода нижней кромки втулки 7 из рабочей зоны катушки 17 напряжение на выходе преобразователя 23 снижается до нуля, в результате чего на выходе элемента НЕ 32 устанавливаетс напряжение 1, которое поступает на R-вход сброса счетчика 40, положительным фронтом устанавливая его в нулевое состояние, и на первый вход элемента II 35, разрешая передачу импульсов с выхода генератора 39 на счетный С-вход счетчика 40, который по отрицательному фронту импульсов начинает счет времени выдержки штока 5 в верхней точке зависания в магнитном поле соленоида 15. Время, необходимое для полного успокоения (остановки) штока 5 в верхней точке зависания, устанавливается экспериментально. По истечении этого времени на выходе одного из разрядов счетчика 40 появляется напряжение 1, положительным фронтом которого RS-триг гер 42 и счетчик 30 устанавливаются в нулевое состояние. Этим заканчивается режим подъема штока 5 в верхнюю зону его зависания перед началом выполнения измерений. В верхней точк зависания магнитная сила создается максимальным током соленоида 15. При этом коэффициент силового взаимодействия магнитных полей соленоида 15 и магнита стержня 6 устанавливается в зависимости от силы уравновешивания равнодействующей силы тлжести штока 5 и выталкивающей силы, действующей на зонд 10 со стороны исследуемой жидкости 12. Высоту втулки 7 выбирают такой, чтобы тело втулки 7 не выходило из зоны центрирующего действия катушки 18 на протяжения, всего хода штока 5. Поэтому в процессе перемещения штока 5 (как при подъеме, так и последующем опускании) его ось совпадает с осью катушки 18 и, следовательно, с осью измерительного сосуда 11.

Напряжение О с выхода RS-триг- гера 42 поступает на адресный вход мультиплексора 24, благодаря чему база транзистора 25 соединяется с выходом преобразователя 22, напряжение

5

0

5

0 ,-

на котором в этот момент равно нулюг. Это приводит к снижению тока соленоида 15 с максимального значения до нулевого, в результате чего действие удерживающей магнитной силы исчезает и шток 5 начинает свободно падать из верхней точки зависания, испытывая сопротивление вязкостной силы, действующей на зонд 10 со стороны исследуемой жидкости 12. Режим свободного падения штока совершается в три этапа:

разгона; равномерного снижения;

торможения.

На этапе разгона скорость свободного падения штока 5 за время разгона возрастает от нуля до некоторой постоянной скорости равномерного снижения, при которой сила вязкостного сопротивления, действующая на зонд 10 со стороны исследуемой жидкости 12, максимальная и полностью уравновешивает силу движения штока 5 вниз. При этом шток 5, снижаясь, проходит некоторый путь разгона. Этап разгона должен завершиться до момента вхождения нижней кромки втулки 7 в рабочую зону верхней катушки 17. Исходя из этого,расстояние от нижней кромки втулки 7 при зависании штока 5 в верхней точке оси соленоида 15 до верхнего края рабочей зоны катушки 17 устанавливается по максимальному пути 1. мякс разгона, определяемому по нижним пределам измерения вязкости и плотности исследуемой жидкости 12. По мере опускания штока 5 втулка 7 начинает входить в рабочую зону катушки 17. Переменное магнитное поле частоты, возбуждаемое катушкой 17, индуцирует в теле втулки 7 вихревые токи, магнитное поле кое торых индуцирует в катушке 17 проти- во-ЭДС, которая снижает амплитуду тока высокой частоты катушки 17, но увеличивает напряжение постоянного тока на выходе преобразователя 23. Период разгона штока 5 заканчивает-, ся в тот момент, когда напряжение на выходе преобразователя 23 достигнет значения 1. К этому времени скорость снижения штока 5 уже достигает постоянного значения, а шток 5 проходит путь 1р разгона.

Этап равномерного снижения начинается в тот момент, когда напряжение 1 с выхода преобразователя 23 пос0

0

5

тупает на второй вход элемента И 29э на первый вход которого в это время с выхода элемента НЕ 28 подается напряжение 1, благодаря чему импульсы с выхода генератора 39 через третий вход элемента И 29 поступают на счетный вход счетчика 30, который начинает счет времени равномерного снижения штока 5. Напряжение 1 с выхода преобразователя 23 поступает также на -вход элемента НЕ 32 и формирует на его выходе напряжение О, запрецая передачу импульсов с выхода генератора 39 на вход счетчика 40, который Ликсирует при этом код общего времени подъема и опускания штока 5 от начала рабочей зоны катушки 17 до верхней точки зависания штока 5 и обратно.

После прохождения штоком 5 некоторого пути 1 втулка 7 входит в рабочую зону катушки 16, увеличивая напряжение на выходе преобразователя 22, и, как только оно достигнет уровня 1, с выхода элемента НЕ 28 на первый вход элемента И 29 подается напряжение О 1, которое запрещает передачу импульсов с выхода генератора 39 на вход счетчика 30, который фиксирует в этот момент двоичный код, соответствующий времени равномерного снижения штока 5. Этот код содержит в себе информацию о значении динамической вязкости.

Плотность исследуемой жидкости 12 определяется по величине тока соленоида 15 в состоянии магнитной левитации штока 5 после завершения этапа торможения штока,

Тормохение птока 5 осуществляется магнитной силой соленоида 15, которая возникает в момент вхождения нижней кромки втулки 7 в рабочую зону катушки 16. По мере погружения втулки 7 в рабочую зону катушки 16 напряжение на выходе преобразователя 22 и, следовательно, на базе транзистора 25 возрастает, в результате чего, ток соленоида 15 растет и магнитная сила торможения увеличивается, причем чем глубже втулка 7 погружается в рабочу зону катушки 16, тем больше становится магнитная сила торможения.

Нарастание силы торможения происходит до тех пор, пока она не уравновесит равнодействующую силы тяжести штока 5 и выталкивающей силы исследуемой жидкости 12, в результате чего

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

шток 5 останавливается и переходит в состояние магнитной левитации в нижней точке зависания на оси соленоида 15. При этом величина его тока пропорциональна равнодействующей силы тяжести штока 5 и выталкивающей силы исследуемой жидкости 12. В состоянии левитации магнитный стержень 6 погружен в обмотку соленоида 15 примерно на середину своей длины, что соответствует максимальному коэффициенту силового взаимодействия соленоида 15 с магнитным стержнем б. Ток соленоида при этом содержит в себе информацию о плотности исследуемой жидкости.

По известным конструктивным параметрам устройства, величинам тока соленоида 15 и времени равномерного движения штока 5 вычислительный блок 3 производит вычисление параметров жидких сред. При этом код величины плотности жидкости с выхода блока 46 вычитания поступает на вход элемента 49 индикации, код величины кинематической вязкости с выхода блока 47 деления поступает на вход элемента 50 индикации, а код величины динамической вязкости с выхода блока 45 маситабнЬго коэффициента подается на вход элемента 51 индикации .

Благодаря возможности одновременного измерения комплекса реологических характеристик текучих сред, предлагаемое устройство позволяет заменить несколько самостоятельных приборов (вискозиметры динамической и кинематической вязкости и плотномер) одним прибором.

Устройство измеряет вязкость жидкости независимо от ее плотности, что обуславливает высокую точность ее измерения.

Многоцелевое назначение устройства создает удобства его использования при научных исследованиях и технологическом контроле, так как позволяет с помощью одного устройства получать данные о нескольких характеристиках исследуемой жидкости одновременно.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров жидких сред, содержащее измерительный блок, блок управления, вычислительный блок и блок индикации, причем измерительный блок содержит

у1539592

ертикальный шток, состоящий из магитного стержня, теплоизолирующего орпуса, металлической втулки и зона, погруженного в исследуемую жид- ость,- соленоид, охватывающий магитный стержень, индукционную катушу центрирования штока с осью солеоида, индукционную катушку измерения оложения штока по вертикали, соеди- JQ енную электрически посредством перого преобразователя ток-напряжение входом цепи регулирования тока соляни ся пе ро сч эл ме по вы вх со пу бл ро чи хо И, чи ге уп че пе но эл НЕ го тр ры яв ле со эл че ч те ни ен и да ни те ум ка ны те ум ма и те со шт бл во пе с ич

леноида, отличающееся тем, что, с целью повышения точ- ности измерения вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей, в измерительный блок устройства введены дополнительная индукционная катушка измерения положения штока по вертикали, соединенная с вторым преобразователем ток-напряжение, аналоговый мультиплексор, элемент НЕ, элемент И, первый счетчик, транзистор, аналого-цифровой пре- образователь, причем первый вход аналогового мультиплексора подключен через резистор к источнику питания соленоида, а второй вход и вход элемента НЕ соединены с выходом первого преоб- разователя ток-напряжение, первый вход элемента И и второй вход блока управления соединены с ЁЫХОДОМ элемента НЕ, второй вход элемента И и первый вход блока управления соедине.- ны с выходом второго преобразователя ток-напряжение, третий вход элемента И соединен с первым выходом блока управления, выход аналогового мультиплексора соединен с входом транзистора, выход которого через аналого- цифровой преобразователь соединен с вторым входом вычислительного блока, выход элемента И соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, второй вход счетчика - с вторым выходом блока управления, третий вход аналогового мультиплексора соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход блока управления соединён с третьим входом вычислительного блока. 2. Устройство поп.1, отличающееся тем, что блок управления содержит три элемента НЕ, четыре элемента И, генератор импульсов, два дополнительных счетчика, триггер, причем вход первого элемента НЕ яв-

10

JQ

35

jc 2п 25 д

0

45

50

5

ляется первый входом блока управления, вход второго элемента ПК явлчет ся вторым входом блока управления, первый вход первого элемента И и второй вход второго дополнительного счетчика соединены с выходом первого элемента НЕ, первый вход второго элемента И и второй вход третьего дополнительного счетчика соединены с выходом второго элемента НЕ, вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом генератора импульсов и являются первым выходом блбка управления, первые входы второго и третьего дополнительных счетчиков соединены соответственно с выходом первого и второго элементов И, выход второго дополнительного сче чика соединен с первым сходом триггера и является вторым выходом блока управления, первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с первым выходом третьего дополнительного счетчика, второй вход третьего элемента II и вход третьего элемента НЕ соединены с вторым выходом третьего дополнительного счетчика, выход третьего элемента II соединен с вторым входом триггера, выход которого является третьим выходом блока управления, выход третьего элемента КЕ соединен с вторым входом четвертого элемента П, выход которого является четвертым выходом блока управления. 3. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что вычислительный блок содержит блок умножения, два блока масштабных коэгЬЛици- ентов, блок деления, блок вычитания и задатчик постоянного двоичного кода, причем первый вход блока умножения является первым входом вычислительного блока, второй вход блока умножения и первый вход второго блока масштабного коэффициента объединены и являются вторым входом вычислительного блока, третий вход блока умножения и второй вход второго блока масштабного коэффициента объединены и являются третьим входом вычислительного блока, выход блока умножения соединен с входом первого блока масштабного коэффициента, первый вход блока деления соединен с выходом первого блока масштабного коэффициента, первый вход блока вычитания соединен с выходом задатчика постоянного двоичного кода, второй вход блока вычитания соединен с выходом второго блока масштабного коэффициента, выход блока вычитания соединен с вторым входом блока деления, выход первого блока масштабного коэффициента соединен с входом элемента индикации динамической вязкости, выход блока деления соединен с входом элемента индикации кинематической вязкости, выход блока вычитания соединен с входом элемента индикации плотности исследуемой жидкости. I

Изобретение относится к устройствам для исследования реологических характеристик текучих сред. Цель изобретения - повышение точности измерения вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей. Устройство содержит измерительный блок, блок управления, вычислительный блок и блок индикации. Измерительный блок содержит погруженный в исследуемую жидкость зонд, прикрепленный к вертикальному штоку с магнитным стержнем, левитирующим в магнитном поле соленоида. Блок управления устройства изменяет величину тока соленоида, в результате чего шток периодически из состояния левитации в нижней точке зависания на оси соленоида переходит в режим подъема в верхнюю точку зависания с последующим свободным падением из этой точки, при которой измеряется время равномерного снижения штока, зависящее от вязкости жидкости и возвращении в исходную нижнюю точку зависания в состоянии левитации, при котором измеряется величина тока соленоида, зависящего от плотности жидкости. Вычислительный блок по известным конструктивным параметрам устройства и измеренным значениям тока и времени ровного движения штока определяет искомые значения вязкости и плотности одновременно и независимо. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

№

|