Устройство для измерения вязкости жидких сред Советский патент 1993 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к области измерения реологических свойств жидких сред.

Известен шариковый вискозиметр для измерения вязкости жидких сред, содержащий рабочее тело в виде шарика, помещенного в вертикальную трубку из немагнитного материала, схему индикации времени начала и конца падения шарика в виде двух индукционных катушек, установленных на определенном расстоянии друг от друга по высоте трубки, устройство, для подъема в верхнее положение в виде постоянного магнита с приводом, систему создания давления внутри рабочей камеры и нагреватель.

Недостатком этого вискозиметра является то, что его можно использовать только в лабораторных условиях с непосредственным участием человека в процессе измерения. Автоматизация процесса измерения вязкости через заданные интервалы времени здесь не предусмотрена.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является шариковый вискозиметр, содержащий рабочее тело в виде шарика, снабженного плунжером со штоком, соединенных между собой вставкой из немагнитного материала и расположенных внутри вертикальной трубки из немагнитного материала, которая помещена внутри соленоида, две установленные в нижней части вертикальной трубки катушки, первая из которых подключена к источнику переменного напряжения, электронный ключ в цепи питания соленоида, программный блок, содержащий триггер, первый выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал и измеритель, у которого блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал содержит две спусковые системы, причем входы первой спусковой системы соединены соответственно с двумя

со

С

N

00

оо

-N О

другими выходами программного устройства, один вход второй спусковой системы соединен с выходом первой, второй ее вход - с выходом второй катушки, а выход - со входом модулятора, выход которого через фильтр соединен со входом измерителя.

Получение аналогового электрического сигнала, пропорционального вязкости жидкой среды, здесь осуществляют следующим образом: при каждом свободном падении рабочего тела получают прямоугольный электрический сигнал постоянной амплитуды, длительность которого (tn) равна времени падения с установившейся скоростью.

Падение рабочего тела осуществляют периодически через интервал времени Т.

Прямоугольные импульсы в дальнейшем поступают на вход фильтра, где осуществляется их усреднение.

При этом на выходе фильтра получают напряжение, примернЈ равное:

- Urnfotni

UB

nT

Здесь: Um - амплитуда прямоугольного импульса, в;

tni- длительность i-ro падения рабочего тела, с;

п - число падений.

О величине вязкости жидкой среды здесь судят по величине UB, которая измеряется измерительным прибором.

Поскольку здесь величина - в СР6А

нем составляет 0,01-0,02, фильтр должен быть достаточно инерционным, а это приводит к тому, что при изменении вязкости жидкой среды изменение показаний измерителя будет происходить со значительным запаздыванием.

Кроме того, поскольку на вход фильтра в этом случае подается серия импульсов, показания измерительного прибора будут постоянно колебаться около некоторого среднего значения, даже при постоянной вязкости жидкой среды.

Таким образом, основным недостатком устройства принятого за прототип, является невысокая статическая и особенно динамическая точность.

Цель изобретения: увеличение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что шариковый вискозиметр, содержащий рабочее тело, в виде шарика, снабженного штоком со вставкой из немагнитного материала, расположенного внутри вертикальной трубки из немагнитного материала, которая помещена внутри соленоида, две установленные в нижней части вертикальной трубки катушки, первая из которых подключена к источнику переменного напряжения, электронный ключ в цепи питания соленоида, программный блок, содержащий

триггер, перв.ый выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал и измеритель, блок преобразования времени

падения рабочего тела в электрический сигнал дополнительно содержит последовательно соединенные релейный элемент и выпрямительный мост, вход которого является входом указанного преобразователя,

генератор импульсов, выход которого через последовательно соединенные первый и второй управляемые ключи соединен с первым входом реверсивного счетчика, а через последовательно соединенные третий ичетвертый управляемые ключи-со вторым входом реверсивного счетчика, выход которого соединен через цифровой ограничитель с управляющим входом четвертого управляемого ключа, и через цифроаналоговый преобразователь с первым входом блока сравнения, выход которого через последовательно соединенные пятый и шестой управляемые ключи подключен ко входу интегратора, выход которого соединен со

вторым входом блока сравнения и является выходом вышеуказанного преобразователя, при этом управляющие входы седьмого, третьего и шестого управляемых ключей соединены с первым выходом триггера, управляющие входы второго и восьмого управляемых ключей соединены со вторым входом триггера, а управляющие входы первого и пятого ключей с выходом релейного элемента, программный блок содержит интегратор, вход которого через седьмой и восьмой управляемые ключи соединен соответственно с разноименными полюсами первого и второго источников напряжения, два других полюса которых соединены с общей шиной входа интегратора, а выход интегратора соответственно через первый и второй релейные элементы подключен к первому и второму входам триггера, причем выход вышеуказанного преобразователя соединен с измерителем, а его вход с выводами второй катушки.

Именно структура и внутренние связи заявленного устройства обеспечивают преобразование длительности падения рабочего тела, в аналоговый сигнал пропорциональный вязкости при каждом падении и запоминание этого сигнала до следующего падения и тем самым достижение цели изобретения,

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию новизна. При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию существенные отличия.

Предлагаемое устройство для измерения вязкости (шариковый вискозиметр) иллюстрируется на примере рассмотрения его работы.

На фиг. 1 показан первичный прибор шарикового вискозиметра, на фиг. 2 - структурная схема вискозиметра, на фиг. 3 - временная диаграмма работы и на фиг. 4 - схема практической реализации.

Вискозиметр содержит вертикальную трубку 1 из немагнитного материала с фланцем 2, внутри которого находится шток 3, соединенный с помощью вставки 4 из немагнитного материала с шариком 5. Шток 3 выполнен из ферромагнитного материала. Фланец 2 соединяется с помощью болтового соединения-с фланцем 6, установленным на трубопроводе 7, в котором протекает контролируемая жидкость. Вертикальная трубка 1 помещается внутри соленоида 8, заключенного в экран 9, чтобы исключить влияние магнитного поля соленоида 8 на первую 10 и вторую 11 (внутреннюю) катушки, размещенные в нижней части вертикальной трубки 1. Для исключения возможности выпадения штока 3 из вертикальной трубки 1 на фланце 2 размещена защитная сетка 12.

Работает вискозиметр следующим образом. ,

При отсутствии тока в соленоиде 8 (когда электронный ключ 13 разомкнут) рабочее тело находится в нижнем положении, когда шарик 4 располагается на днище защитной сетки 12. При замыкании ключа 13 по соленоиду 8 начинает протекать ток и создаваемое им магнитное поле поднимает рабочее тело в верхнее положение, при котором верхняя часть штока 3 касается днища вертикальной трубки 1. При размыкании ключа 13 ток в соленоиде исчезает и рабочее тело под действием собственного веса начинает падать.

Первая 10 и вторая 11 катушки, размещенные в нижней части вертикальной трубки 1. работают в режиме трансформатора. Первая катушка 10, выполняющая роль первичной обмотки, подключена к переменному напряжению U к, а вторая катушка 11, используемая р качестве вторичной

обмотки трансформатора, совместно с выпрямителями мостом 36, подключенным к ее выходу, служит для получения прямоугольного импульса, длительность которого пропорциональна времени падения рабочего тела с установившейся скоростью.

Выходное напряжение второй катушки 11 увеличивается, если в нее вводится фер0 ромагнитный сердечник. При падении шарика соединенный с ним шток перемещается внутри катушки, является ее сердечником.

В начале падения внутри катушки нахо5 дится ферромагнитная часть штока, затем внутрь катушки попадает немагнитная вставка, а в конце падения там снова оказывается ферромагнитная часть штока.

Поэтому в начальный момент падения,

0 пока внутри катушки будет находиться ферромагнитная часть штока, напряжение на выходе второй катушки 11 будет максимальным, при вхождении в нее немагнитной вставки это напряжение станет минималь5 ным, а затем, когда в катушку войдет верхняя ферромагнитная часть штока, напряжение снова станет максимальным.

В этом случае длительность импульса минимального напряжения будет равна вре0 мени прохождения рабочим телом в процессе падения участка пути длиной, равной длине немагнитной вставки.

Периодическое включение соленоида 8, преобразование длительности прямоуголь5 ного импульса в электрический сигнал и регистрация сигнала, отображающего величину вязкости исследуемой жидкости осуществляется программным блоком 14, блоком преобразования времени падения

0 рабочего тела в электрический сигнал 15 и измерителем 16 (фиг. 2).

Программный блок 14 содержит интегратор 17, первый 18 и второй 19 релейные элементы с регулируемой установкой сраба5 тывания, триггер 20, первый 21 и второй 22 источники напряжения, седьмой 23 и восьмой 24 управляемые ключи.

Блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал 15

0 содержит генератор импульсов 25, реверсивный счетчик импульсов 26, цифроанало- говый преобразователь 27, блок сравнения 28, интегратор 29, соответственно первый - шестой управляемые ключи 30,31,32,33,34,

5 35, выпрямительный мост 36 и релейный блок 37.

Программный блок, задающий частоту включения - отключения соленоида 8, работает по принципу генератора пилообразного напряжения, выполненного на базе интегратора 17, вход которого управляемыми ключами 23 и 24 поочередно соединяется с разноименными полюсами источников напряжения 21 и 22, два других полюса которых соединяются с общей точкой интегратора 17.

Выход интегратора 17 соединен со входами первого и второго релейных элементов 18 и 19,с регулируемой установкой срабатывания, выход каждого из которых соединен с одним из двух входов триггера 20, выходные сигналь которого-используют- ся для управления ключами (при наличии напряжения на соответствующем выходе триггера управляемый ключ замыкается, при исчезновении напряжения - размыкается).

Поскольку на одном из выходов 20 всегда будет напряжение, один из ключей 23 или 24 будет замкнут, и поэтому вход интегратора 17 всегда будет соединен с полюсом одного из двух источников напряжений: либо через ключ 23 с выходом источника 21, когда напряжение на входе генератора 17 увеличивается, либо через ключ 24 с выходом источника 22, когда напряжение на выходе генератора 17 уменьшается.

Управление триггером 20 осуществляется с помощью релейных элементов 18 и 19 с регулируемой установкой срабатывания, выходы каждого из которых соединены с одним из двух входов триггера 20.

Релейный элемент 19 настраивается на срабатывание при увеличении напряжения на выходе интегратора 17 до величины U в, а релейный элемент 18 настраивается на срабатывание при уменьшении напряжения на выходе интегратора 17 до величины .U н (фиг. 3).

Следовательно, если напряжение на выходе интегратора уменьшается (это происходит в случае, когда напряжение на первом выходе триггера 20 UT1 0), то при достижении им величины U н (фиг. 3) срабатывает первый релейный элемент 18 и своим выходным сигналом Рн воздействует на первый вход триггера 20 и перебрасывает его, вследствие чего на втором выходе триггера исчезает, а на первом выходе появляется напряжение, что приводит к размыканию ключа 24, замыканию ключа 23 (а следовательно, и началу увеличения напряжения на выходе интегратора 17) и замыканию ключа 13 в цепи питания соленоида 8 (т.е. подъему рабочего тела в верхнее положение).

При достижении выходным напряжением интегратора 17 величины UB срабатывает второй релейный элемент 19 воздействуя на второй вход триггера 20. перебрасывает его. Это приводит к исчезновению напряжения на первом выходе триггера, появлению

напряжения на втором его выходе и, следовательно, размыканию ключа 23, ключа 13 (т.е. исчезновению тела в соленоиде 8 и началу падения рабочего тела) и замыканию 5 ключа 24 (т.е, началу уменьшения напряжения на выходе интегратора 17).

Изменяя величину постоянной времени интегрирования интегратора 17, можно частоту включения соленоида изменять в широ0 ких пределах. Кроме того, устанавливая разные постоянные времени интегрирования при увеличении и уменьшении выходного сигнала интегратора 17, можно изменять соотношение времен протекания и отсутст5 вия тока в соленоиде 8.

Преобразование времени падения рабочего тела (длительности прямоугольного импульса) в электрический сигнал осуществляется за счет суммирования в реверсив0 ном цифровом счетчике 26 во время существования прямоугольного импульса импульсов высокой частоты с выхода генератора импульсов 25, последующего преобразования кода счетчика 26 с помощью

5- цифроаналогового преобразователя 27 в аналоговый сигнал UA и запоминания величины аналогового сигнала при последнем замере.

Входы реверсивного счетчика импуль0 сов 26, который осуществляет прибавление или вычитание единицы при поступлении каждого импульса на вход соответственно 1 или -1 счетчика, соединяются с выходом генератора импульсов 25 через первый

5 30, второй 31, третий 32 и четвертый 34 управляемые ключи, управление которыми осуществляется триггером 20 программного устройства 14 и релейным элементом 37, вход которого соединен с выходом выпря0 мительного моста 36. Релейный элемент 37 настраивается таким образом, чтобы на его выходе появлялось напряжение при минимальном напряжении на выходе выпрямительного моста 36 (т.е. при минимальном

5 напряжении на выходе катушки 11) и чтобы выходное напряжение становилось равным нулю при максимальном напряжении на выходе выпрямительного моста.

Вход +1 счетчика 26 через последова0 тельно соединенные ключ 30 (управляется триггером-20 и замыкается в момент прерывания тока в соленоиде 8, т.е. в момент начала падения рабочего тела) и ключ 31 (управляется релейным элементом 37 и за5 мыкается во время нахождения немагнитной вставки 4 внутри катушки 11).

Вход -1 через последовательно соединенные ключ 32 (управления триггером 20 и замкнут при прохождении тока в соленоиде 8, т.е. в верхнем положении рабочего

тела) и ключ 23, управляемый ограничителем 38 (разомкнут при нулевом выходе циф- роаналогового преобразователя 27).

Таким образом, если рабочее тело находится в верхнем положении, а напряже- ние на выходе цифроаналогового преобразователя 27 не равно нулю, вход счетчика -1 соединен с выходом генератора импульсов и счетчик осуществляет сброс показаний.

В момент, когда исчезает напряжение на первом выходе триггера 20 и появится на его втором выходе, т.е. в момент начала падения рабочего тела, размыкается ключ 32 и замыкается ключ 30, подготавливая первый вход счетчика к счету высокочастотных импульсов во время падения рабочего тела с установившейся скоростью. «

Счет этих импульсов начинается в момент замыкания ключа 31, т.е. в момент вхождения немагнитной вставки 4 в катушку 11, и прекращается при размыкании этого ключа в момент выхода немагнитной вставки из катушки.

Выходом счетчика 26 является цифро- вой код, который преобразуется цифроана- логовым преобразователем 27 в аналоговый сигнал, который поступает на первый вход блока сравнения 28.

Блок интегрирования 29, блок сравне- ния 28 совместно с ключами 34 и 35 предназначены для запоминания результата последнего измерения.

Цепь, состоящая из последовательного соединения ключей 34 и 35;замкнута только на время нахождения рабочего тела в нижнем положении. За это время выходной сигнал интегратора 28, имеющего небольшую постоянную времени, сравнивается с выходным сигналом цифроаналогового преоб- разователя 27.

На момент сброса показаний счетчика и момент осуществления следующего замера вход генератора 29 отключается от выхода блока сравнения 28. а на измерительном приборе 16 всегда отражается результат последнего замера.

Временные диаграммы напряжений на выходе цифроаналогового преобразователя 27 UA(:) и напряжение на выходе интеграто- ра 29 Ui/i(t), пропорциональное вязкости жидкой среды, приведены на фиг. 3.

Шкала измерителя 16 может быть отградуирована в единицах вязкости.

Одним из достоинств предлагаемого ви- скозиметра является то. что здесь программное устройство и блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал могут быть реализованы на базе серийно выпускаемой аппаратуры.

На фиг. 4 показана одна из возможных схем реализации вискозиметра, прошедшая лабораторные и промышленные испытания.

Здесь в качестве электронного ключа 13 в цепи питания соленоида 8 использован бесконтактный пускатель типа ПБР-3, а про- грамный блок 14 и блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал 15 выполнены на базе блока ручного управления типа БРУ-22 и трех блоков интегрирования типа Д07, каждый из которых состоит из трех модулей: Ф001.1 - модуль преобразования аналогового сигнала в частоту (аналогочастотный преобразователь). Кроме того(этот блок содержит сумматор с двумя входами и два источника опорного напряжения; Д007.1 -модуль, состоящий из двух плат: плата Д007. А-интегратор импульсов одержащий реверсивный счетчик импульсов со входным логическим устройством, осуществляющим разрешение - запрет прохождения импульсов на входы счетчика, цифроаналоговый преобразователь и источник опорного напряжения; плата Д007.Б - выходной усилитель и ограничители; ИПС.05 - источник питания стабилизированный.

Программный блок 14 построен на базе элементов блока интегрирования 39, вход которого через контакты 40 -блока ручного управления 41 подключен к разноименным полюсам двух источников опорного напряжения 21 и 22, два других полюса которых соединены с общей точкой входа интегратора (в блоке это достигается соединением общих точек входа и выхода интегратора).

Однополярный аналоговый выход интегратора 17 соединен со входами ограничителей верхнего 18 и нижнего 19 уровней сигнала, которые в данном случае выполняют роль релейных элементов с регулируемой установкой срабатывания.

Нормально разомкнутые контакты 42 и 43 выходных реле ограничителей 18 и 19 подключены к цепям дистанционного переключения реле 41 с магнитной блокировкой БРУ-42, которое выполняет функции переключателя на два положения. Переключение реле происходит при прохождении импульса постоянного тока через соответствующую обмотку реле.

В данном случае БРУ-42 выполняет роль триггера и ключей, управляемых им.

Блок преобразования времени падения рабочего тела в электрический сигнал 15 выполнен с использованием двух блоков интегрирования 44 и 45.

Роль генератора импульсов 25 здесь выполняет аналогочастотный преобразователь 46 блока интегрирования 44, вход которого через контакты 47 БРУ-22 соединен с разноименными полюсами источников опорных напряжений 48 и 49, два других полюса которых соединены с общей точкой входа аналогочастотного преобразователя 46.

В этом случае, если вход аналогочастотного преобразователя 46 подключен к положительному полюсу источника, то импульсы на его выходе поступают только на вход +1, при подключении же входа к отрицательному полюсу - только на вход -1 (при интегрировании в прямом направлении).

Поэтому контакты 47 здесь выполняют роль первого 30 и третьего 32 ключей.

Оба выхода аналогочастотного преобразователя 46 в блоке Д07 через входные логические устройства 50 и 51 соединены со входом реверсивного счетчика 52.

Вход ограничителя верхнего уровня выходного сигнала 57 блока интегрирования 44, запрещающий при срабатывании прохождения импульсов на входе счетчика 52, соединен через выпрямительный мост 36 с выходом второй катушки 11. Ограничитель 57 настраивается таким образом, чтобы разрешать прохождение импульсов через входное логическое устройство 50 только в случае, когда внутри катушки находится немагнитная вставка.

Тогда, одновременно с размыканием цепи соленоида 8 (пускатель ПБР размыкает цепь соленоида при размыкании контакта 13 БРУ-22) вход аналогочастотного преобразователя 46 соединяется с источником опорного напряжения 48, и на его выходе образуются импульсы, которые будут поступать на вход +1 счетчика 52 только во время нахождения немагнитной вставки внутри катушки.

При включении соленоида 8 одновременно вход аналогочастотного преобразователя 46 соединяется с источником опорного напряжения 49, когда импульсы образуются только на том его выходе, который через входное логическое устройство 51 соединен со входом -1 счетчика 52. При этом импульсы будут поступать на этот вход до тех пор, пока сигнал на выходе цифроа- налогового преобразователя, вход которого соединен с выходом счетчика 52, не достигнет нулевого значения. В этот момент от цифрового ограничителя, входящего в состав платы Д007. А, на логическое устройство 51 приходит сигнал запрета счета.

С выхода цифроаналогового преобразователя 52 (в комплект которого входит усилитель мощности) сигнал поступает на первый вход блока сравнения 54, а в качестве которого используется сумматор блока

интегрирования 45. Выход сумматора соединяется со входом интегратора 55 этого же блока, а однополярный выход интегратора 55 соединяется со входом показывающего

прибора 16 и-со вторым входом блока сравнения 54.

Поскольку интегратор блока Д07 имеет логический канал управления разрешением интегрирования, ключи 33 и 34 (фиг. 2), сое0 диняющие выход блока сравнения 54 и вход интегратора 55, можно установить в этом логическом канале. Здесь ключ 34 представляет собой контакт реле блока БРУ-22, который замыкается при включенном соленоиде

5 8, а ключ 33 - контакт реле ограничителя верхнего уровня 56 блока интегрирования 45, вход которого соединен с выходом выпрямительного моста 86.

При этом ограничитель 56 настраивает0 ся таким образом, чтобы контакт 33 был замкнут только при нахождении внутри катушки ферромагнитной части штока.

Вискозиметр, реализующий предлагаемый способ автоматического измерения

5 жидкой среды в потоке, благодаря отказу от текущего усреднения предыдущих результатов измерения вязкости в процессе падения рабочего тела, позволяет получить значение вязкости в момент замера. Это

0 обстоятельство, одновременно с выбором оптимального времени между замерами, исходя из максимально-возможной скорости измерения вязкости жидкости среды, позволяет, как показывает сравнение, увели5 чить точность измерения в 2-3 раза.

Вискозиметр был испытан при изменении вязкости жидких сред (мазута, глицерина, водноугольной суспензии) с диапазоном ее изменения 100-1600 сет при температу0 pax 25-90° С.

Контрольные замеры вязкости осуществлялись с использованием вискозиметра ВУ конструкции Энглера (свободного истечения жидкости).

5

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства по сраврнению с базовым объектом, который является прототипом, вытекает из того, что он позволяет

0 примерно в 2-3 раза увеличить точность измерения, сделать измерение практически безынерционным, что особенно важно при использовании вискозиметра для целей регулирования (у базового объекта постоянная

5 времени измерения составляла не менее 60°С). Кроме того, возможность плавного изменения времени между очередными замерами позволяет выбирать наиболее оптимальный режим работы вискозиметра и расширить диапазон измеряемых сред.

Urt Un

V

Г

Использование: область измерения реологических характеристик жидких сред. Сущность изобретения: в потоке с помощью шарикового вискозиметр а путем организации автоматического периодического подъема и свободного падения его рабочего тела (шарика со штоком, имеющим немагнитную вставку), преобразуют длительность каждого падения рабочего тела в-аналоговый сигнал, а за текущую вязкость жидкой среды в промежутке между двумя (предыдущим и последующим) падениями принимают вязкость, измеренную в предыдущем падении. 4 ил.

tfx/rrcrx

t/ff mi л

(риг.З