Устройство для измерения вязкости и плотности жидких сред Советский патент 1980 года по МПК G01N9/00 G01N11/16 

Изобретение относится к приборам для контроля физико-химических параметров жидких сред и предназначено гля использования при геофизических измерениях, в химической, пищевой, нефтегазовой и других отраслях промышленности, где требуется непрерыв ный и автоматический контроль одновременно вязкости и плотности жидких сред в потоке. Известен способ и аппаратура для измерения вязкости жидкости с одновременным измерением ее плотности, основанный на прохождении жидкости через измерительный капилляр и измерительную диафрагму 1. Недостатками этого способа являются трудности полной автоматизации измерений, невозможность применения в потоке жи кости . Ближайшим по технической сущности к изобретению является устройство для одновременного измерения сдвиго вой вязкости и плотности, содержащее колебательный зонд, систему возбужде ния и съема колебаний 2. В нем колебательный зонд представляет собой цилиндрический поплавок, помещаемый в цилиндрический сосуд с жидкостью. Его положение по вертикали автоматически регу.пируется управляемым электромагнитом, компенсирующим изменением плавучести поплавка из-за изменения плотности. Ток электромагнита используется для определения плотности испытываемой жидкости. Путем создания одновременно вращающегося магнитного поля поплавок приводится во вращение. Тормозящий момент, созданный вязким трением цилиндра о жидкость, слугжит мерой измеряемой вязк-сти. Таким образом, в известном устройстве совмещены одновременно принципы поплавкого плотномера и ротационного вискозиметра. Недостатками этого устройства являкггся трудность его применения в потоке исследуемой жидкости, низкая чувствительность к вязкости и невысокая точность из-за возможности дестабилизации положения поплавка в горизонтальной плоскости, возникновения прецессии и других паразитных видов колебаний. Це.пью изобретения является снижение погрешности одновременного измерения плотности и вязкости и повышение чувствительности. Это достигается.выполнением колебательного зонда в виде полой спирали из упругого материала, концы которой подсоединены к подводящим среду трубопроводам, а в средней части спирали установлены системы возбуждения и съема сигнала в виде измерителя де рямента затухания свободных колебаний и измерителя собственной частоты колебаний зонда.

На чертеже дан общий вид предлагаемого устройства, содержащего вибрационный зонд 1 в виде полой спирали, заполняемой жидкостью, массивные опоры 2, возбуждающий преобразователь 3 генератор 4 возбуждения, приемный преобразователь 5, измеритель 6 колебательных характеристик зонда.

Основным элементом устройства явля:ется зонд 1 в виде спирали, например, цилиндрической. Спираль может быть также плоской, конической, в виде двойного конуса и других конфигураций. Спираль-зонд изготавливают из круглой пустотелой трубы, причем материал зонда должен обладать малыми механическими потерями на внутреннее трение и хорошими упругими характеристиками для повышения собственной добротности зонда.

При заполнении зонда исследуемой жидкостью он демпфируется, и его добротность снижается. При осевых деформациях зонда 1 его витки испытывают деформацию кручения, что приводит к возникновению крутильных сдвиговых волн в жидкости. Импеданс этих вязких волн нагружает колебающийся вдоль оси зонд так же, как и крутильные колебательные системы, дe шфиpoвaнныe вязкой жидкостью. Колебания с деформациями скручивания создаются путем возбуждения поступательных колебаний вдоль оси зонда. Зонд, представляющий собой цилиндрическую спираль, закреплен с двух концов, а возбуждающий преобразователь 3 помещен в середине зонда. Жесткие крепления представляют собой массивные опоры 2, на которых подвешен весь зонд.При деформации скручивания витков одновременно происходит изменение расстояния между соседними витками спирали, и жидкость, помещенная внутрь спирали, при этом дополнительно совершает целиком поступательные колебания, в зависимости от плотности жидкости масса витка- спирали изменяется. Меняется и основная резонансная частота спирали, а значит, и низшая ее собственная частота. Колебательные характеристики зонда, связанные с потерями колебательной энергии в процессе колебаний зонда, такие как логарифмический декремент затухания свободных колебаний, добротность, амплитуда гармонических автоколебаний или резонансная амплитуда колебаний зонда, определяются вязким демпфированием, обусловленным

импедансом вязких крутильных волн. Измеряя указанные колебательные .характеристики зонда, определяют вязкость среды, помещенной внуть зонда

Вместе с тем измерение основной собственной или резонансной частоты зонда, позволяет использовать его как вибрационный плотномер.

Работа предлагаемого устройства codTOHT в следующем. Резонатор-зонд 1 в виде полой спирали, заполненный испытываемой средой и закрепленный н концах массивными опорами 2, возбуждается с помощью преобразователя 3, который подключен к генератору возбуждения 4. Преобразователь 3 возбуждает колебания центрального витка спирали параллельно ее оси, благодар чему возникают периодические во времени деформации всей спирали, причем амплитуда осевого смещения витков уменьшается по мере приближения витков к массивным опорам 2 и максимальна в центре спирали. Крутильные же деформации, соответствующие низшей, основной ее резонансной частоте, имеют узел в центре спирали и пучности около точек крепления. Таким образом вдоль длины зонда укладывается половина стоячей крутильной волны. Частота резонанса может быть выбрана достаточно низкой, чтобы.обеспечить необходимую точность измерения равновесной вязкости жидкости.

Периодические крутильные деформации стенок пустотелой спирали приводят к возбуждению крутильных сдвиговых волн в вязкой жидкости, возникающих благодаря вязкому трению в жидкости. Присоединенный импеданс вязких волн нагружает зонд-резонаг тор и изменяет его колебательные характеристики. Их изменение регистрируется с помощью измерителя колебательных характеристик 6, подключенного к зонду через приемный преобразователь 5. Эти характеристики зависят от вязкости так же, как характеристики зондов крутильных вибрационных вискозиметров. Вместе с тем измеритель колебательных характеристик содержит и прибор для регистрации отклонения резонансной частоты зонда от исходной, которое определяется плотностью жидкости, заполняющей витки спирали.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения вязкости и плотности жидких сред, содержащее колебательный зонд, систему возбуждения и съема колебаний, отличающеес я тем, что, с целью повыиения точности и чувствительности одновременного измерения плотности и вязкости, колебательный зонд выполнен в виде полой спирали

из упругого материала и соединен своими концами последовательно с трубопроводом, а в средней части спирали установлены системы возбуждения и съема колебаний зонда.

2. Устройство по п. 1, о т л и яающеася тем, что система съема колебаний выполнена в виде измерителя декремента затухания свободНБГХ колебаний и измерителя собственной частоты колебаний зонда.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ГДР .№ 68392, кл. 42 fc. 7/01, 08.04.68.

.2. Hodgin М.Б. , Beatstf .М, Rev. Sei.Jnstr.. , 1971, 42, 10, с. 1455-1457 (прототип).