Оптическое устройство для исследования веществ при воздействии давления Советский патент 1993 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к технике оптических измерений и может использоваться для измерения плотности и сдвиговой вязкости жидкости при воздействии давления.

Цель изобретения - расширение области применения устройства и уменьшение времени измерения за счет одновременного измерения сдвиговой вязкости и плотности исследуемой жидкости.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем оптически связанные источник ультрафиолетового излучения, конденсатор, ячейку высокого давления для образца жидкости, выполненную из двух соосно размещенных конусообразных инденторов из оптически прозрачного материала и кольцевой прокладки, расположенной между ними, объектив, делитель светового потока, световой фильтр, спектральный прибор и фоторегистратор (фотоумножитель), сферический подвижный элемент, помещенный в ячейку высокого давления, и оптически связанный с вторым выходом оптического делителя регистратор оптического изображения (кино-, телекамера), согласно изобретению подвижный элемент выполнен из ферромагнитного материала, ячейка снабжена электромагнитом для подъема подвижного элемента, устройство в целом снабжено последовательно соединенными генератором прямоугольных импульсов и усилителем, выход которого подключен к входу электромагнита, импульсным вольтметром, подключенным к выходу усилителя, и

00

Ј о ел ю

змерителем интервалом времени, подклюенным к выходу генератора прямоуголь- ных импульсов. Кроме того, в одном из вариантов выполнения устройства регистратор оптического изображения может быть ыполнен из последовательно соединенных ногоэлементного фотоприемника, дешифатора, аналого-цифрового преобразоватея и фильтра низких частот, выход которого подключен к входу управления генератора прямоугольных импульсов, и подключенных к выходу аналого-цифрового преобразоваеля последовательно соединенных фильтра высоких частот и второго импульсного вольтметра..

На фиг. 1 представлена схема оптического устройства для исследования веществ при воздействии давления; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его рабоТУ

Оптическое устройство содержит оптически связанные источник 1 ультрафиолетового излучения, оптический конденсор 2, ячейку 3 высокого давления для образца исследуемой жидкости, выполненную из двух соосно размещенных конусообразных инденторов 4, 5 из оптически прозрачного материала и кольцевой прокладки 6, расположенной между ними, объектив 7, делитель 8 светового потока, собирающую линзу 9, световой фильтр 10, спектральный прибор 11 и фоторегистратор 12, сферический подвижный элемент 13, размещенный в ячейке 3 высокого давления, и оптически связанный с вторым выходом оптического делителя 8 светового потока регистратор 14 оптического изображения, электромагнит 15 для подъема подвижного элемента 13, выполненного из ферромагнитного материала, последовательно соединенные генератор 16 прямоугольных импульсов и усилитель 17, выход которого подключен к входу электромагнита 15, импульсный вольтметр 18, подключенный к выходу усилителя 17, и измеритель 19 интервалов времени, подключенный к выходу генератора 16 прямоугольных импульсов.

Регистратор 14 оптического изображения может быть выполнен из последовательно соединенных оптического микроскопа 20, многоэлементного фотоприемника 21 с расположенными в ряд чувствительными элемента ми, дешифратора 22, аналого-цифрового преобразователя 23 и фильтра 24 низких частот, выход которого подключен к входу управления амплитудой генератора 16 пилообразных импульсов, и подключенных к выходу аналого-цифрового преобразователя 23 последовательно соединенных фильтра 25 высоких частот и второго импульсного вольтметра 26.

Для повышения контрастности изображения ячейки 3 высокого давления с подвижным элементом 13 в устройство может быть введен нож Фуко 27, размещенный в фокальной плоскости объектива 7, 28 двух- канальный регистратор.

Устройство при определении плотности

0 и сдвиговой вязкости жидкости в условиях высоких давлений работает следующим образом.

В центральное отверстие прокладки 6, предварительно приклеенной к одному из

5 инденторов 5, помещают каплю исследуемой жидкости, подвижный сферический элемент 13 и небольшую частичку рубина для измерения давления. Прокладку накрывают вторым индентором 4 и полученный пакет

0 сжимают нагрузкой F с помощью механизма нагружения. Давление в исследуемой жидкости в ячейке 3 определяют по спектру люминесценции рубина, помещенного в жидкость/спектр получают с помощью спек5 трального прибора 11 и фоторегистратора 12. Смещение длины волны, соответствующей максимуму в спектре люминесценции рубина, с ростом давления в сторону длинноволновой части спектра является мерой

0 достигнутого давления. Указанная зависимость в первом приближении является линейной с угловым коэффициентом, равным 27,47 кбар/нм, т.е. 27,47 ДА нм, в диапазоне давлений до 200 кбар, т.е. мож5 но использовать линейную градуировочную зависимость практически при всех исследованиях большинства жидкостей, кроме сжиженных газов. При больших давлениях необходимо учитывать отклонения от ли0 нейного закона в градуировочной зависимости.

По достижении требуемой для исследования величины давления с помощью генератора 16 прямоугольного напряжения

5 вырабатывают импульсные сигналы длительности TL следующие через интервал времени Т2, причем . Данные сигналы усиливают усилителем 17 до некоторой величины иэ (фиг. 2а) и подают на вход элект0 ромагнита 15, создающего пульсирующее магнитное поле, под действием которого осуществляется возвратно-поступательное перемещение подбижного элемента 13 внутри ячейки 3 высокого давления по вер5 тикали с одновременным медленным дрейфом вверх (фиг. 26) или вниз (фиг. 2в) в зависимости от величины амплитуды импульсного напряжения иэ на входе электромагнита. Следя за положением подвижного элемента 13 с помощью регистратора 14

оптического изображения (например, с помощью видеокамеры) и регулируя величину иэ генератором 16 до некоторого значения uont. добиваются уменьшения дрейфа подвижного элемента до минимума (фиг. 2г), Соответствующие данному состоянию величины из и 2 измеряют с помощью импульсного вольтметра 18 и измерителя 19 интервалов времени, по ним судят о плотности (р) и сдвиговой вязкости ().

В отсутствие дрейфа (фиг, 2г) очевидно, что сила, действующая на подвижный элемент при его движении вниз (вес элемента, выталкивающая сила и сила вязкого трения), равна по абсолютной величине силе, действующей на подвижный элемент при его подъеме (сумма сил - создаваемая электромагнитом, вес, выталкивающая сила и сила вязкого трения), т.е. F f,

F рж gm

/Ост

ттр Рв-тд+

т

per

рж g-f

тр,

(1--g4(1)

где m - масса подвижного элемента;

g - ускорение свободного падения;

РСТ - плотность материала подвижного элемента;

РЖ искомая плотность жидкости;

ftp - сила вязкого трения.

Учитывая, что FB - сила, действующая на подвижный элемент со стороны электромагнита, является функцией иэ:

FB Ф(иэ),

величина плотности/ ж может быть найдена из уравнений (1) и (2) по измеренному значению иэ. Вид функции FB Ф(иэ) может быть найден расчетным путем или опытным путем по измерению силы, действующей на подвижный элемент (с помощью аналитических весов или крутильных весов) при различных значениях иэ и заданном расстоянии от элемента до электромагнита, соответствующем расстоянию в реальном эксперименте. Указанная зависимость близка к линейной. Другая возможность определения рж заключается в предварительных измерениях при тех же условиях величины иэдля эталонной жидкости с известной плотностью. Тогда, считая FB иэ, из выражения (1) следует

Цэ.ж J0CT иэ.эт /5ст /bi

откуда может быть найдена плотность исследуемой жидкости РЖ.

Величина Та - время свободного падения подвижного элемента и пройденный пэ5 движным элементом путь hj-hi (фиг. 2г). который определяется визуально с помощью регистратора 14 оптического изображения, снабженного, например, оптическим микрометром. Искомая величи10 на сдвиговой вязкости (rjs) определяется из соотношения

x,

tf

15 гдех (п2-Ь1)/Т2; k- коэффициент пропорциональности, определяемый градуировкой.

В одном из вариантов выполнения устройства регистратор 14 может выполнять и

20 функции автоматической регулировки величины иэ с целью устранения дрейфа колеблющегося подвижного элемента. В этом случае изображение падающего элемента 13 проектируется на линейку, составленную

25 из ряда фотоприемников 21. При проходе изображения подвижного элемента по чувствительному элементу сигнал ни выходе последнего изменяется, что фиксируется дешифратором 22. На выходе последнего

30 получают цифровой код величины, пропорциональный величине h (h - высота, координата подвижного элемента относительно некоторого произвольного уровня отсчета). С помощью аналого-цифрового преобразо35 вателя получают зависимость (t) в аналоговом виде. С помощью фильтра 24 низких частот выделяют сигнал дрейфа, который : поступает на вход управления амплитудой сигналов, вырабатываемых генератором 16

40 прямоугольного напряжения. При дрейфе подвижного элемента вверх сигнал дрейфа (постоянная составляющая кривой (t) (фиг. 26) увеличивается, что является сигналом для уменьшения амплитуды пульси45 рующего напряжения иэ. При дрейфе подвижного элемента 13 вниз постоянная составляющая кривой (t), выделяемая на выходе фильтра 24 низких частот, уменьшается, что приводит к увеличению величины

50 напряжения иэ, вырабатываемого генератором 16 прямоугольных импульсов. В результате осуществляется автоматическая подстройка иэ к величине и0пт (фиг. 2 г). Предлагаемое оптическое устройство

55 может быть реализовано с использованием следующих приборов; источник 1 фиолетового монохроматического излучения для возбуждения люминесценции рубина и освещения подвижного элемента - лазер

ИЛГИ-503, спектральный прибор 11 с фото- регистратором 12 - спектральный вычислительный универсальный комплекс КСВУ-23 М, многоэлементный фотоприемник 21 - фотодиодный преобразователь ЛФ 1024- 25/1 Б, дешифратор 22, аналого-цифровой преобразователь 23, фильтры 24, 25 - микросхемы 155, 176 серий, измеритель 19 интервалов времени - частотомер 43-34 с блоком измерения интервалов времени, регистратор 28 - Ф5033.

Анализ литературных источников не выявил известных устройств, содержащих отличительные признаки устройства: последовательно соединенные генератор прямоугольного напряжения, усилитель и электромагнит для воздействия на ферромагнитный подвижный сферический элемент пульсирующим магнитным полем, и элементы, обеспечивающие компенсацию дрейфа подвижного элемента по высоте камеры (ячейки высокого давления), что доказывает соответствие предложения критериям новизна и существенные отличия.,

Использование изобретения обеспечивает преимущества, заключающиеся в расширении области применения устройства, так как реализуется одновременное измерение плотности и сдвиговой вязкости исследуемой жидкости в зависимости от давления, за счет чего обеспечивается уменьшение времени измерения.

Формула изобретения

Оптическое устройство для исследования веществ при воздействии давления, содержащее оптически связанные источник ультрафиолетового излучения, конденсор, ячейку высокого давления для образца исследуемой жидкости, выполненную из

двух соосно размещенных конусообразных инденторов из оптически прозрачного материала и кольцевой прокладки, расположенной между ними, объектив, оптический делитель, первый выход которого связан оптически со спектральным прибором, соединенным с фоторегистратором, а также сферический подвижный элемент, размещенный в ячейке высокого давления и

оптически связанный с вторым выходом оптического делителя, регистратор оптического изображения, отличающееся тем. что, с целью расширения области измеряе- мых параметров и повышения производительности измерений, оно снабжено электромагнитом и последовательно соединенными генератором прямоугольных импульсов и усилителем, выход которого подключен к входу электромагнита, импульсным вольтметром, подключенным к выходу усилителя, и измерителем интервалов времени, подключенным к выходу генератора прямоугольных импульсов двухканальным регистратором, входы которого соединены с выходами импульсного вольтметра и измерителя интервалов времени, причем подвижный элемент выполнен из ферромагнитного материала, а регистратор оптического изображения содержит последовательно соединенные оптически связанный с вторы м выходом делителя многрэлементный фотоприемник, Дешифратор, аналого-цифровой преобразователь и фильтр низких частот, выход которото подключен к входу управления генератора прямоугольных импульсов, и подключенные к выходу аналого-цифрового преобразователя последовательно соединенные фильтр высоких частот и второй импульсный вольтметр.

JTTf

ft)

Изобретение относится к технике оптических измерений и может использоваться для измерения плотности и сдвиговой вязкости жидкостей при воздействии давления. Сущность: в устройстве осуществляется колебательное движение сферического подвижного элемента, выполненного из ферромагнитного материала, вверх под действием магнитного поля, вниз в свободном падении в исследуемой жидкости. Подбором величины импульсного магнитного поля (напряжения на входе электромагнита, создающего неоднородное магнитное поле) и периода напряжения добиваются уменьшения дрейфа подвижного элемента до минимума, при этом по амплитуде импульсного напряжения судят о плотности жидкости, а по периоду колебаний напряжения на входе соленоида - о сдвиговой вязкости. 2 ил, Ј

V

г

ь ,

,

/ЧV

---------