Вибрационный вискозиметр Советский патент 1992 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к технике измерений, в частности к устройствам непрерывного действия для определения реологических характеристик жидкостей и полимеров, и может быть применено для автоматического определения вязкости жидкостей в химических, биологических и медицинских исследованиях, например, для измерения вязкости крови.

Цель изобретения - повышение точности измерения вязкости сред по декременту затухания свободных колебаний и снижение необратимого расхода исследуемой жидкости.

На фиг.1 представлен пьезомеханиче- ский резонатор, укрепленный в корпусе с помощью пустотелых четвертьволновых связок, общий вид; на фиг.2 - чувствительный элемент, выполненный в виде пьезоме- ханического резонатора, работающего в режиме 1-й моды изгибных колебаний (сплошной и пунктирной кривыми линиями в увеличенном масштабе показана траектория движения работающего резонатора); на фиг.З - конструкция вибрационного вискозиметра; на фиг.4 - эквивалентная электрическая схема пьезомеханического резонатора, включенного в качестве нагрузки в цепь источника напряжения с внутренним сопротивлением RI (здесь Со. Ср - соответственно статическая и динамическая емкость резонатора; Lp. Rp - динамическая индуктивность и сопротивление потерь резонатора, не заполненного жидкостью; п- сопротив- потерь, вносимых вязкостью исследу: емой жидкости, подаваемой в полость работающего резонатора).

Вибрационный вискозиметр содержит виСрзтор, выполненный в виде пьезомеха- чическс го резонатора (ПМР) (фиг.1). СОСТОР- ше1 м:-. голого металлического бруска 1 и Ј,:-.. пьезок&агцевых пластин 2. укрепленных кз его боковых поверхностях.

чрбпление ПГ/Р в корпусе 3 произво- дитсл с помощью трансформирующей линчи, составленной из четвертьволновой свсзки А и четвертьволнового резонатора 5. Дге, как минимум, трансформирующие линии. удер -;меающие ГШР в корпусе, имеют внутренние полости Б. соединенные- с рабочей полостью резонатора С. Крепление пус- -отельных резонаторов 5 и связг.к 4 к ПМР производите таким образом, что продоль- нь.е оси резоня-оров и связок совпадают с уг.лсвыми линиями работающего резонатора. На фиг.2 в качестве одного из примеров рсзлизгц 1/ предлагаемого устройства показан резонатор я.тибных колебаний, работающий кз 1-й меде. Координата расположения узловых линий для данного релонаторг составляет « 0.224L (где L - общая длина резонатора). Рабочая полость С с двух сторон замкнута винтами 6, устанавливаемыми с торцов ПМР. Преобразовательный элемент

- ПМР с помощью четвертьволновых резонаторов и связок устанавливается в корпусе 3 (фиг.1), составленном из верхней 7 и нижней 8 половин (фиг.З), соединенных винтами 9. Фиксация ПМР относительно продольных осей связок производится с помощью гаек 10, навинчиваемых на хвостовики связок. Хвостовики пустотелых связок помимо резьбы имеют конические штуцеры 11. на которые одеваются эластичные трубки (не

показаны), обеспечивающие подачу Р1 и сток Р2 исследуемойi жидкости. Включение резонатора в измерительную схему производится с помощью контактов 12, устанавливаемых в нижнем основании 8 с помощью

стеклоизоляторов 13. Коммутация пьезок- варцевых пластин 2 между собой и соединение с контактами 12 производится с помощью проводов 14.

Устройство работает следующим обраэом.

На пьезокварцевые пластины 2 возбуждения поступают радиоимпульсы с частотой заполнения равной собственной частоте ПМР и с частотой повторения, определяемой

генератором импульсов. В основе работы ПМР лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к льезокварцевым пластинам, в механические напряжения в теле вибратора (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродгл возникающих Б результате деформации вибратора под действием механических -гений (прямой пьезоэффект).

На фиг.2 приведена изгибнэя форма колебаний.

Обладая высокой добротностью, ПМР сохраняет собственные механические колебания в паузах между возбуждающими радиоимпульсами, Полезный сигнал после соответствующей коммутации подается в измерительный канал измерительной схемы, где он анализируется. Полезный сигнал

затухает по экспоненциал:- ному закону. При введении жидкости в рабочую полость ПМР С изменяется добротность резонатора, а значит - и логарифмический декремент затухания, чем выше коэффициент вязкости

исследуемой среды, тем быстрее затухают колебания переходного процесса. Коэффициент вязкости об;, .о пропорционален времени, за которое происходит уменьшение первоначально выбранной амплитуды в

Ераз (е- основание натуральных логарифмов).

Устройстве предварительно перед началом работы калибруется по одной из стандартных жидкостей: воды, спирт, ацетон и др.

Как следует из описания конструкции прибора исследуемая жидкость непрерывно поступает в рабочую полость резонатора, втекая и вытекая из него. т.е. не выходя из общего русла и не подвергаясь окисли- тельному и другому какому-либо разрушающему воздействию окружающей среды. Это обстоятельство является весьма удобным при непрерывном наблюдении за характером изменения вязкости жидких сред в ходе проведения того или иного технологического процесса или при проведении операций, связанных с хирургией крови, когда идет о целенаправленном изменении реологических характеристик определенного ее объема.

Повышение точности измерения вязкости путем увеличений добротности преобразующего вибратора получено за счет того, что в состав пьезомеханического вибратора входят два максимально добротных элемен- та: пьезокварцевые пластины с добротностью Опл ;Г (2-3) 10 и металлический резонатор с добротностью Qp 1 104. позволяющие обеспечить добротность прибора Оприб 110 . Повышение добротности приводит к улучшению энергетических соотношений сигнал/шум, а значит - к повышению чувствительности псибора в целом.

Исследуемая жидкость подается в наиболее деформируемую область работающе- гс резонатора - Б зону пучности, что тс. получить большее значение ко- эфФициентз модуляци добротности (так ка. нзиС о..ее деформации подуергаетс- весь объем жидкости, залол- чяк-г-.сГ рабочую полог. резонатора). Это, L. СЕСНС . тякже г г; ;, .повышению точности измерения, вязкости. С целью дальнейшего повышения добротности, крепление ПМР к корпусу произведено с помощью пустотелой трансформирующей линии, соосно расположенной с узловыми линиями резонатора и прикрепленной к нему. Такой метод крепления минимизирует диссипативные потери вибратора связанные с его креплением к корпусу, и способствует сохранению высокого значений исходной добротности прибора.

Прибор изготавливается методами общего машиностроения. Металлический ре- зонатор 1 изготавливается из элинварного сплава типа 44НОМТ методом шлифовки с

проведением соответствующей термообработки. Трансформирующая линия (элементы 4 и 5) изготавливается заодно на токарном станке с последующей шлифовкой и также подвергается термообработке. Перед запрессовкой трансформирующей линии в резонатор элементы 4 и 5 предварительно настраиваются на частоту, в два раза превышающую рабочую частоту резонатора 1. После этого на резонатор 1 напаиваются (наклеиваются) пьезокварце- вые пластины 2,на которые предварительно вжигаются (или напыляются в вакууме) электроды возбуждения, Затем вся колебательная система (фиг. 1) помещается в корпус 8, и резонатор настраивается на заданную частоту. Производится подпайка коммутирующих приводов 13 к контактам 12, после чего прибор закрывается верхней крышкой коопу- са 7. Корпус (детали 7 и 8) изготавливается методом литья под давлением.

Заключительной операцией является силиконизация рабочих каналов В и С, что предотвращает химический контакт исследуемой жидкости с металлом преобразующего элемента. Исследования показали, что по сравнению с другим устройством аналогичного назначения вискозиметр имеет добротность примерло в 5 PCJ выше, что позволяет повысить точность измерений в 1,5-2,5 раза.

Формула изобретения Вибрационный иискозпмв р ,(С- щий измерителсную схему, источник r;i-Ta- ж я, резонансный пргюгЗрязу1 : . эчемент. являющийся элементом генег.тора колебаний И ИЗГОТСРьОМНЬ - И о ПО -11 i:-:CF-Or. . 6сорчзоезте/ . °з тог coe i - e между собой v з;.. PC.Lien ть х i- г-.р. - помощьютргчсфс -п:о, ю;-аеГ : .- ч4бй ия сероко -л i -.- . / .ча .,; гс из которых четверти д.ины .-.. соответствующей ре снаисно; - г-г- образователя, отличающийся тем. что, с целью повышения тачмос- .. оеьия вязкости сред и снижения необратимого расхода исследуемой жидкости, резонансный преобразующий злемсл г выполнен е полого пьезомЕлон чес ого резонатора брускового типа, укрепленнс.-о е. корпусе с помощью пустотелых связок, через которые во внутреннюю по/юсть резонатора, расположенную Б зоне пучности, поступает исследуемая жидкость, при этом продольная ось каждой из связок совпадает с узловой линией, соответствующей резонансной частоте преобразующего элемента.

8

О

01/8.2

/хУ

/

Я

10

fl-12

Изобретение относится к технике измерений, в частности, к устройствам непрерывного действия для определения реологических характеристик жидкостей и полимеров, и может быть применено для автоматического определения вязкости сред в химических. биологических и медицинских исследованиях. Цель изобретения - повышение точности измерения вязкости сред по декременту затухания свободных колебаний и снижение необратимого расхода исследуемой жидкости. Вибрационный вискозиметр выполнен в виде пьезомеханического резонатора, составленного из кварцевых пластин 2 и полого металлического бруса 1. Крепление резонатора к корпусу 3 произведено с помощью пустотелых трансформирующих линий, составленных из пустотелых четвертьволновых связок 4 и резонаторов 5, через которые в рабочую полость резонатора, расположенную в зоне пучности, непрерывно поступает исследуемая жидкость. При этом продольная ось трансформирующей линии-связки совпадает с узловой линией, соответствующей резона с- нойчастоте преобразующего элемента. 4 ил fe iVj О о ю ел

йХхххххххххххЗ ГЯ%%ШУ///Л

L

JL

/I

te;3

-/

L $n

ПМР

1

J

Фиг.Ъ