Устройство для определения плотности, вязкости и поверхностного натяжения расплавов Советский патент 1992 года по МПК G01N9/00 G01N11/00 G01N27/00 

Изобретение относится к измерению физических свойств расплавов и предназначено для использования при определении плотности, вязкости и поверхностного натяжения расплавов, например оксидных при высоких температурах.

, Известно устройство для измерения плотности жидких сред, состоящее из последовательно соединенных генератора модулированных колебаний, измерительной камеры с преобразователями, усилителя, блока определения уровня 0,707, индикатора, счетчика, вход которого соединен с первым входом блока управления и первым управляющим входом генератора модулированных сигналов, а также формирователя.

Устройство не содержит движущихся деталей и узлов, обеспечивает измерение

широкого диапазона плотностей жидкостей и цифровой съем информации. Недостатком устройства является сложность электронной схемы, низкая помехоустойчивость и от- сутствие возможности измерения плотности высокотемпературных расплавов (жидкостей).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения плотности, поверхностного натяжения и вязкости расплавов, содержащее вакуумную электропечь, расположенный в ее полости молибде- новый тигель с рабочим телом, погруженным в расплав и связанным подвижной тягой с тензометрическим блоком измерения, преобразователя искомых величин в выходной сигнал и с блоком его регистрации.

со о сл

СП

Установка универсальна, достаточно компактна и позволяет производить замеры плотности, поверхностного натяжения и вязкости высокотемпературных расплавов.

При переходе от одного вида измерений к другому, например, от измерений плотности к измерениям поверхностного натяжения необходима переналадка устройства. Еще более существенна переналадка устройства при переходе к измерениям вязкости расплава по методу крутильных колебаний тигля, наполненного расплавом - необходимо применять специальную вискозиметрическую приставку и ряд вспомогательного оборудования. Точность измерения такой характеристики расплава как поверхностное натяжение низка, так как извлечение диска отрыва осуществляется вручную и сказывается субъективный фактор. На точность измерения искомых величин оказывает влияние трение подвижной тяги в вакуумном уплотнении. Приведенные факторы в совокупности усложняют процесс эксплуатации известного устройства и снижают точность измерений.

Целью изобретения является повышение точности и производительности измерений.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство для измерения плотности, вязкости и поверхностного натяжения расплавов содержит электропечь 1, соосно рас- положенные в ее полости 2 тигель 3 с расплавом 4 и погруженное в него рабочее тело 5. связанное через подвижную тягу 6 с чувствительным элементом 7 гальванометра 8 механоэлектрического преобразователя 9 искомых величин в выходной сигнал и с блоком 10 его регистрации. Устройство снабжено также микроэлектродвигателем 11с блоком управления 12. Барабан 13 соединен с валом микроэлектродвигателя и размещен на герметичном, заземленном корпусе 14 с отверстиями для ввода 15 и вывода 16 защитного газа. Барабан 13 связан посредством расположенных внутри корпуса гибкой нити 17, эластичной мембраны 18 и фиксатора 19 с чувствительным элементом гальванометра. Отверстие 20 для размещения эластичной мембраны с гибкой нитью расположено оппозитно отверстию 16 для проводки подвижной тяги и вывода защитного газа в электропечь. Полость 2 электропечи герметично соединена с полостью 21 корпуса при помощи эластичных уплотнений 22 и прозрачной втулки 23, внутри которой на торце прилива 24 корпуса размещен зеркальный отражатель 25, а на подвижной тяге размещен разъем 26. Гальванометр механоэлектрического преобразователя, кроме чувствительного элемента, содержит также алюминиевый флажок 27, обмотку обратной связи 28, постоянный

магнит 29, катушку индуктивности 30, ось 31 регулировочную, проходящую через эластичное уплотнение 32 и соединенную с плоской пружиной 33. Электропитание гальванометра осуществляется проводниками,

0 проложенными через отверстие 34, заполненное эластичным уплотнением.

При помощи механоэлектрического преобразователя Э2-Д1, состоящего из гальванометра 8, электронного генератора

5 и блока питания и блока регистрации 10 в виде автоматического электронного потенциометра, например, типа КСП-4 осуществляется непрерывная регистрация тока выхода, Ток выхода представляет собой

0 преобразованное в электрический сигнал перемещение рабочего тела 5 в исследуемом расплаве 4 вследствие изменения его искомых характеристик при понижении или повышении температуры в полости 2 элект5 ропечи 1. Ток выхода, соответствующий пол- ному перемещению чувствительного элемента 7 гальванометра 8, изменяется в пределах 0-5 мА.

Перемещение рабочего тела 5 через по0 движную тягу 6 передается на чувствитель- ный элемент. 7, который также перемещается. Вместе с чувствительным элементом 7 перемещаются расположенные на нем алюминиевый флажок 27 и об5 мотка обратной связи 28. Перемещение чувствительного элемента 7 протекает в поле постоянного магнита 29 относительно катушки индуктивности 30. Ток выхода возникает в обмотке обратной связи 28.

0 Измерение плотности расплава осуществляется с использованием рабочего тела 5 в форме двух конусов диаметром 7 мм и высотой 5 мм, соединенных основаниями. Для измерения вязкости используется ра5 бочее тело 5 в форме шара диаметром 7 мм с ножкой диаметром 2 мм и высотой 5 мм. Рабочее тело 5 для измерения поверхностного напряжения расплава имеет форму диска диаметром 7 мм и высотой 1 мм, который

0 соосно сопряжен с цилиндром диаметром 2 мм и высотой 5 мм.

Блок управления 12 обеспечивает подачу постоянного напряжения на микроэлектродвигатель при ручном управлении, а в

5 автоматическом режиме величина напряжения регулируется по заданной программе. Режим измерения плотности расплавов непрерывный, а вязкости и поверхностного натяжения - периодический, импульсный. Частота и длительность импульсов регулируется и может достигать величин, близких к непрерывному режиму.

Устройство работает следующим образом.

При измерении плотности микроэлектродвигателю 11 при помощи блока управления 12 задается импульс на перемещение подвижной тяги б с рабочим телом 5 вниз до момента, когда фиксатор 19 полностью войдет в гнездо чувствительного элемента 7. При этом длину подвижной тяги 6 подбирают таким образом, чтобы рабочее тело 5 было полностью погружено в расплав 4. В таком положении рабочее тело 5 выдерживают до момента выравнивания его температуры с температурой расплава А (обычно 5 мин). Затем приступают к измерениям.

Ось 31, проходящую через уплотнение 32 и связанную с плоской пружиной 33, поворачивают на некоторый угол. Плоская пружина 33 создает вращающий момент, под действием которого чувствительный элемент 7 гальванометра 8 с алюминиевым флажком 27 и обмоткой обратной связи 28 перемещается в поле постоянного магнита 29 относительно катушки индуктивности 30, входящей в цепи управления электронным генератором 9. При этом компенсируется тепловое расширение тигля 3, расплава 4, рабочего тела 5 и подвижной тяги 6.

Перемещение чувствительного элемента 7 сопровождается изменением тока (выходного сигнала), обтекающего обмотку обратной связи 28. Ток выхода создает момент обратной связи, противоположный моменту, создаваемому закручиваемой пружиной 33. Под действием момента обратной связи чувствительный элемент 7 перемещается и ток выхода изменяется до тех пор, пока эти моменты не уравняются. После выравнивания моментов рабочее тело 5 как бы подвешивается в расплаве 4, а устройство переводится в режим ожидания. Работа предлагаемого устройства согласуется с работой блока 10 регистрации, т.е. с работой автоматического электронного потенциометра КСП-4 таким образом, чтобы при токе выхода (выходном сигнале), равном нулю, каретка потенциометра устанавливалась в положение, соответствующее началу отсчета.

Изменение температуры расплава 4 вследствие его нагрева (или охлаждения) обуславливает уменьшение (или увеличение) его плотности. Изменение плотности расплава 4 сопровождается погружением (или всплыванием) рабочего тела 5, Перемещение рабочего тела 5 в расплаве 4 посредством подвижной тяги 6 передается чувствительному элементу 7, который поворачивается на некоторый угол. В дальнейшем в электрических цепях устройства протекают процессы, аналогичные процессам, протекающим в этих же цепях при повороте 5 вручную оси 31 на некоторый угол, т.е. изменяется ток выхода, и каретка потенциометра перемещается.

Принцип измерения динамической вязкости предлагаемым устройством заключен

0 в фиксации продолжительности погружения в расплав рабочего тела 5 в форме шара диаметром 7 мм на глубину, обусловленную полным ходом чувствительного элемента 7 гальванометра 8. Фактически измеряется

5 промежуток времени, в течение которого ток выхода скачкообразно изменяется от нуля до максимального установившегося значения. Перед началом измерения динамической вязкости поворотом оси регу0 лировочной 31 пружину 33 закручивают до такой величины, чтобы момент, создаваемый ею, был несколько меньше момента, создаваемого подвижной тягой 6 с рабочим телом 5 на конце, т.е. чтобы при работе

5 микроэлектродвигателя 11 на опускание и касании фиксатором 19 конического гнезда на чувствительном элементе 7 обеспечивалось плавное опускание последнего в кэай- нее нижнее положение. Перед началом

0 измерений рабочее тело 5 и подвижную тягу 6, так же как и в предыдущем случае, прогревают в расплаве. В электрических цепях устройства протекают процессы, аналогичные имеющим место при повороте чувстви5 тельного элемента 7 на некоторый угол.

Устройство может быть использовано для определения поверхностного натяжения расплавов. На конце подвижной тяги 6 в этом случае крепится рабочее тело 5, име0 ющее форму диска. Сущность методики определения поверхностного натяжения расплавов заключается в измерении максимального усилия, необходимого для отрыва молибденового диска от поверхности жид5 кости, т.е. в измерении наибольшего тока выхода (выходного сигнала) необходимого для отрыва диска от поверхности расплава. Чем больше ток выхода, тем выше поверхностное натяжение расплава.

0 Момент, создаваемый плоской пружиной 33, не обеспечивает полный отрыв рабочего тела 5 от поверхности расплава 4, поэтому дополнительно используется усилие, развиваемое микроэлектродвигате5 лем 11, который в этом случае работает на подъем. Началу измерений предшествуют операции по прогреву диска отрыва и подвижной тяги 6 в расплаве в течение 5 мин и приведению устройства в режим ожидания.

Формула изобретения Устройство для определения плотности вязкости и поверхностного натяжения расплавов, содержащее механоэлектрический преобразователь с гальванометром, электропечь, расположенные в ее полост и тигель для расплава и рабочее тело, связанное через подвижную тягу с чувствительным элементом гальванометра и блок регистрации сигнала преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности определения, оно дополнительно содержит герметичный, заземленный корпус с отверстиями для ввода и

5

вывода защитного газа, в полости которого размещен гальванометр, при этом гальванометр дополнительно содержит микро- элекгродвигатель с барабаном на его валу и блок управления, микроэлектродвигатель установлен на корпусе и соединен через барабан при помощи расположенных внутри корпуса гибкой нити, эластичной мембраны и фиксатора с чувствительным элементом гальванометра, полость корпуса герметично соединена с полостью электропечи при помощи уплотнений и прозрачной втулки с зеркальным отражателем, а на тяге размещен разъем.

Использование: металлургия. Сущность изобретения: устройство состоит из герметичного заземленного корпуса с отверстиями для ввода и вывода защитного газа, в полости которого размещен гальванометр механоэлектрического преобразователя искомых величин в выходной сигнал. При этом гальванометр дополнительно содержит микроэлектродвигатель с барабаном на его валу и блок управления. Микроэлектродвигатель установлен на корпусе и соединен через барабан при помощи расположенных внутри корпуса гибкой нити, эластичной мембраны и фиксатора с чувствительным элементом гальванометра, а полость корпуса герметично соединена с полостью электропечи при помощи уплотнений и прозрачной втулки с зеркальным отражателем. 1 ил. сл С

ЭГ электронный

генератор 5П- блок питании Ј р. блок регистрации БЬ - блок управления