Эластовискозиметр жидких материалов в потоке Советский патент 1980 года по МПК G01N11/10 

1

Изобретение относится к технике измерения вязкоупругих свойств жидкостей, например, топлив на топливозаправочных станциях, и может быть использовано в системах управления технологическими процессами производства различных веществ, в частности в системах автоматической стабилизации вязкоупругих свойств при синтезе многокомпонентных смесей.

Известен вискозиметр , содержащий коаксиальные внутренний и наружный цилиндрические элементы с кольцеобразным зазором между ними, выполненные с возможностью независимого продольного движения, впускной и выпускной каналы для продольного движения жидкости по кольцеобразному зазору, средства для обеспечения продольного движения одного из элементов и средства для наблюдения за создаваемым движением другого элемента.

Недостатками известного вискозиметра являются невысокая точность и узкий диапазон измерений реологических характеристик жидкости в потоке, обусловленные отсутствием в данном устройстве компенсирующих устройств.

Известно устройство для определения реологических характеристик жидкости в потоке 2, которое является ближайшим к предложенному по тех5 нической сущности. Оно содержит корпус с входными и выходными патрубками, шток с укрепленной на нем найадкой, расположенный коаксиально с ней цилиндрический чувствительный

О элемент с цольцеобразным зазором между ними, привод, преобразователи .силы, относительного перемещения и скорости перемещения чувствительного элемента обратные преобразователи

15 вязкости и модуля упругости, соединенные с усилительно-преобразовательными, исполнительными и регистрирующими блоками каналов модуля упругости и вязкости, компенсатор гидравлического напора, блок управления и

нуль-орган. При этом компенсатор гидравлического напора выполнен в виде якорТя с катушкой жестко связанного с цилиндрическим чувствительным элементом, и статора, закрепленного на корпусе, а блок управления; в виде интегратора. Вход нуль-органа связан с .преобразователег51 силы, а выход подключен ко входу блока управления,

30 выход которого соединен с катушкой якоря компенсатора гидравлического напора. Обратные преобразователи вяэкости и модуля упругости выполнены каждый в виде общего якоря с расположенной на нем катушкой обратного преобразователя вязкости и катушкой обратного преобразователя модуля упругости, а статоры жестко связаны с корпусом устройства. Недостатками известного устройств являются малая чувствительность и невысокая точность измерений, обусловленные наличием гибкого элемента которьгй выполнен в виде конусообразного сильфона-, связывакяцего цилиндри ческий чувствительный элемент с корпусом. Реакция чувствительного элемента и колебания насадки определяют ся не только напряжениями сдвига в кольцевом зазоре,но и напряжениями, сжатия,величина которых пропорциональна поверхности сильфона.. Повышение чувствительности устройства связано с увеличением числа .гофр сильфо на, что вызывает увеличение его поверхности, следовательно, искажение результатов измерений. В известном Устройстве затрудне,но обеспечение строгой температурной стабилизации фотодиодов преобразователей силы и перемещения в условиях изменяющейся температуры исследуемой жидкости, что приводит к изменению характеристик фотодиодов и снижению точности измерения. Цель изобретения - повышение чув ствительности и точности измерений модуля упругости и вязкости жидких материалов в потоке. Указанная цель достигается тем, что эластовискозиметр дополнительно снабжен опорой, установленной с воз14ожностью вращения, содержащей двигатель с муфтой, укрепленный на корпусе, ось с буртиками, связанную с корпусом через подшипники, и опоры в виде колец, укрепленных в держателях, подвижной крышкой,связанной с корпусом гибкой диафрагмой и с при водом, толкателем, втулкой и вспомогательной пружиной, причем толкатель жестко связан с держателями, укрепленными на чувствительном эле1«гантвг а через вспомогательную пружину .и втулку - с подвижной крышкой. При э±ом входной и выходной патрубки выполнены соосно и симметрично относительно чувствительного элемента, а преобразователи силы и относительного перемещения выполнены в виде световодов, разделенных шторкой, связанной с толкателем. На чертеже приведена предлагаемая схема эластовискозиметра жидких материалов в потоке. Корпус эластовискозиметра собран из трех цилиндрических секций, жестко связанных между собой: рабочей 1, секций 2 и 3 компенсирующих устройст и секции 4 измерительных преобразователей, которые герметично закрываются крышками 5 и 6, причем с крышкой 6 посредством диафрагмы 7 связана подвижная крьшка 8. Цилиндрический чувствительный элемент 9 выполнен коаксиально с рабочей секцией 1. Между наружной поверхностью элемента 9 и внутренней поверхностью секции имеется кольцевой зазор 10 с входным и выходным отверстиями, выполненными в виде входного 11 и выходного 12 патрубков, которые расположены соосно и симметрично относительно цилиндрического чувствительного элемента 9 и жестко связаны с рабочей секцией 1. На концах чувствительного элемента 9 запрессованы цилиндрические кольца (якоря) 13 и 14 с катушкой 15 якоря обратного преобразователя модуля упругости и катушкой 16 якоря обратного преобразователя вязкости.Катушки входят в кольцеобразный зазор, образованный полюсами статора 17 обратного преобразователя модуля упругости, имеющего катушку 18 и статора 19 обратного преобразователя вязкости, имеющего катушку 20, которые жестко связаны с секциями-2,3 компенсирующих устройств . К внутренней поверхности цилиндрического чувствительного элемента 9 одним концом прикреплены симметрично расположенные держатели 21 и 22, в венцах 23 которых укреплены кольцевые каменные подшипники 24, выполненные, например из лекосапфира. Внутренняя поверхность подшипников шлифуется и образует минимальный гарантированный зазор с буртиками 25 Оси 26, которая укреплена в подшипниках 27, взаимодействующих наружными кольцами с цилиндрическими стенками 28 и 29. Стенка 28 крепится к внутренней поверхности статора 17 обратного преобразователя модуля упругости, а стенка 29 - к корпусу эластовискозиметра. Через симметричные отверстия 30 в стенке 28 входят пальцы толкателя 31, жестко связанные с держателем 21, а к другому концу, толкателя 31 прикреплена шторка 32, расположенная .в зазоре между трубками световода 33 преобразователя перемещения и световода 34 преобразователя силы. Один конец световодов выводится в термостабилизированный блок 35 с фотодиодами 36 пЬеобраэователя перемещения и преобразователя силы, а другой конец - к ис точнику света 37. К внутренней стороне подвижной крышки 8 прикреплена одним концом втулка 38 с упором 39 на другом ее конце, связанным с симметрированной вспомогательной пружиной 40, расположенной на толкателе 31. К стенкам втулки 38 жестко прикреплены через

шайбы 41 трубки световода 34, которые жескто связаны с подвижной крышкой 8, а через отверстия в стенках втулки 38 свободно пропущены трубки световода 33, которые жестко связаны с крышкой 6.

К наружной стороне подвижной крышки 8 прикреплен упор 42, связанный через кулачок 43 с приводом 44, и возвратные пружины 45.

К держателю 22 через кольцо 46 прикреплен якорь 47 преобразователя скорости, выполненный в виде постоянного магнита, статор 48 с катушкой 49 которого жестко укреплен на стенке 29. Двигатель 50 укреплен на крышке 5 и через муфту 51 своим вало связан с осью 26.

Выход катушки 49 статора 48 преобразователя скорости связан со входом катушки 16 якоря обратного преобразователя вязкости через первый выход усилителя 52, второй выход которого связан с первым входом формирователя 53 сигнала вязкости, второй вход которого через первый выход усилителя 54 связан с -фотодиодами 36 преобразователя силы. Выход формирователя 53 сигнала вязкости через фильтр 55 связан со входом исполнительного устройства 56 канала вязкости, выполненного в виде интегратора, первый выход которого связан со входом катушки 20 статора 19 обратного преобразователя вязкости, а второй выход - со входом регистратора вязкости 57.

Выход фотодиодов 36 преобразователя перемещений связан со входом катушки 15 якоря обратного преобразователя упругости через второй выход усилителя 58, первый выход которого подключен к входу катушки 18 статора 17 обратного преобразователя упругости через последовательно соединенные формирователь 59 сигнала модуля упругости, фильтр 60 и исполнительное устройство 61 канала модуля упругости, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости через второй выход усилителя 54 связан с выходом фотодиодов 36 преобразователя силы, а второй выход исполнительного устройства канала модуля упругости связан со входом регистра 62 модуля упругости.

Выводы электрических связей обратных преобразователей и преобразователя скорости проходят через стеклянные изоляторы, что обеспечивает полную герметизацию эластовискозиметра.

Эластовискозиметр жидких материалов в потоке работает следующим образом.

Включение двигателя 50 вызывает вращение оси 26 с большой скоростью что приводит к взвешиванию (левитации) цилиндрического чувствительного .элемента 9, связанного с ее буртиками 25 через подшипники 24, и укрепленные в венцах 23 держателей 21 и 22, связанных с цилиндрическим чувствительным элементом 9.

Взвешивание приводит к ликвидации статического трения в опорах чувствительного элемента, поэтому при включении привода 44 через кулачок 43, упор 42, подвижную крышку 7, втулку

0 38 с упором 39 через пружину 40 начнутся колебания толкателя 31, а вместе с ним и цилиндрического чувствительного элемента 9. Сопротивление его движению практически будет

5 отсутствовать.

Амплитуда и фаза выходных сигналов преобразователей силы, перемещения и скорости перемещения будут определяться амплитудой, частотой колебания привода 44, упругостью

0 вспомогательной пружины 40 и массой перемещающегося чувствительного элемента и связанных с. ним деталей.

Фильтры 60 и 55 настраивсиотся таким образом, что при отсутствии ис5следуемой жидкости на их выходах сигнсшы равны нулю. Это обусловит отсутствие тока в катушке 18 статора 17 и катушке 20 статора 19 обратных преобразователей модуля упругости и

D вязкости.

При подаче исследуемой жидкости в кольцевой зазор 10 и перемещении ее от входного патрубка 11 к выход5ному 12 возникает сила сопротивления сдвигу, приложеннс1Я к цилиндрическому чувствительному элементу, которая обусловлена ее вязкоупругими свойствами. Постоянная составляющая

0 смещения чувствительного элемента, обусловленная гидравлическим напором, будетотсутствовать, так как жидкость равномерно распределяется по зазору 10, а входной и выходной патруоки соосны и расположены сим5метрично относительно чувствительного элемента. Возникающая сила сопротивления сдвигу, обусловленная вязкоупругими свойствами жидкости, вызовет изменение амплитуды и Фазы выход0ных сигналов преобразователей силы, перемещения и скорости перемещения. При этом на в:лходе фильтра 60 появится сигнЕШ, пропорциональный модулю упругости, так как в формирователе

5 9 сигнала кюдуля упругости происходит перемножение сигнала, пропорциоНЕшьного комплексному модулю, на сигнал перемещения, пропорциональный активной составляющей комплексного

0 модуля. Это обусловит появление тока на выходе исполнительного устройства 61, а следовательно, ив катушке 18 статора 19 обратного преобразователя модуля упругости, причем 5 полярность его такова, что возникающая электромагнитная сила связи якоря 13 чувствительного элемента 9 и статора 17 направлена встречно возникающему сопротивлению исследуемой жидкости. Ток в катушке 18 будет изменяться до тех пор, пока полность не будет скомпенсирована сила активного сопротивления движению чувствительного элемента. При этом регистратор 62 зафиксирует величину, пропорциональную модулю упругости жидкости В формирователе 53 сигнала вязкости происходит перемножение сиггнгиха, пропорционального комплексному модулю, на сигнс1л скорости перемещения, сдвинутый на угол It /2 по отноиенито к сигналу перемещения. Следовательно, на выходе фильтра 55 появится сигнал, пропорциональный реактивной составляющей комплексного модуля, т.е. вязкости жидкости, который вызовет изменение тока в катушке 20 обратного преобразователя вязкости. Знак этого тока определит направление магнитного потока статора 19 таким образом, что возникающее вякоре 14 усилие будет направлено встречно вязкому сопротивлению перемещения чувствительного элемента в жидкости. Изменение этого тока будет происходить до тех пор, пока полностью не скомпенсируется сила вязкого сопротивления и сигнал на выходе фильтра 55 не станет равным нулю. При этом сигнал на выходе исполнительного устройства 56 канала вязкости зафиксируется в регистраторе вязкости 57, Передача сигналов, пропорциональных усилию и перег яцению с помощью светодиодов дистанционнр позволяет обеспечить автономность фотодиодов и источника освещения и возможность их температурной стабилизации. Это обеспечит стабильности их динамических и статических характеристик и, следовательно, повысит точность измерений.

Использование эластовискозиметра в контрольно-измерительных системах стащюнарных заправочных станций летательных аппаратов позволяет значительно повысить точность бортовых топливоизмерительных систем за счет введения дополнительной информации С реологических характеристик топлива. Это обеспечит не только экономию

горючего в процессе полета, но и повысит полезную нагрузку летательного аппарата, увеличив тем самым экономическую эффективность полетов.

Формула изобретения

Эластовискозиметр жидких материалов в потоке, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, цилиндрический чувствительный элемент, расположенный коаксиально в корпусе привод, преобразователи силы относительного перемещения и скорости перемещения чувствительного элемента, обратные преобразователи вязкости и модуля упругости, связанные с усилительно-преобразовательными, исполнительными и регистрирующими блоками каналов модуля упругости и вязкости, При этом обратные преобразователи модуля упругости и вязкости выполнены в виде общего якоря с катушками,жестко связанного с чувствительным элементом, а статоры жестко связаны с корпусом, отличающийся тем, что, с целью повыше НИН чувствительности и точности измерений, он снабжен опорой, установленной с возможностью вренцения, содержащей двигатель с муфтой, укрепленный на корпусе, ось с буртиками, связанную с корпусом через подшипники,, каменные опоры в эиде колец, скрепленных в держателях, подвижной крышкой, связанной с корпусом гибкой диафрагмой и с приводом, толкателем втулкой и вспомогательной пружиной, причем толкатель жестко связан с держателями, укрепленными на чувствительном элементе, а через вспомогательную пружину и втулку - с подвижной крышкой, входной и выходной патрубки выполнены соосно и симметрично относительно чувствительного элемента, а преобразователи силы и относительного перемещения выполнены в виде световодов, разделенных шторкой, связанной с толкателем.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании № 1227737 кл. G 01 N 11/00, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР 2427199, кл. G 01 N 11/10, 07.12.76 (прототип).