Электровискозиметр Советский патент 1982 года по МПК G01N11/14 

(5) ЗЛЕКТРОВИСКОЗйМЕТР

1

Изобретение относится к устройствам для непрерывного измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей и предназначено для исследования реологических свойств жидкостей, вязкость которыхмгняется в широком диапазоне.

Известен ротационный вискозиметр непрерывного действия, содержащий вращаемый внешний цилиндр с исследуемой жидкостью, в которую погружен внутренний воспринимающий цилиндр, В качестве чувствительного элемента, обладающего линейной характеристикой, применен асинхронный двигатель, работающий в статическом режиме. При измерении вязкости, создаваемый асинхронным двигателем, момент Mg.(Uj) уравновешивает момент сопротивления М(, на внутреннем цилиндре, на который действуют силы вязкостного трения. Параметром, коррелирукщим с вязкостью, является напряжение питания обмотки управления U, причем это напряжение в момент измерения вязкости ей пропорционально только при условии нахождения ротора двигателя в неподвижном состоянии.

Для слежения за параметром, коррелирующим с вязкостью, в преобразователе применены, узлы и блоки серийных регулирующих устройств РУ5-02: воспринимающая головка из фотосопротивления и осветительной лампы, усилитель с мостом на входе и следящий реверсивный двигатель, которые вместе составляют преобразователь неравновесия внутреннего цилиндра CU.

При величине вязкости, отличной от нуля, внутренний цилиндр поворачивается, в результате этого изменяется освещенность фотосопротивления, что является причиной разбаланса мостл на входе усилителя, который приводит во вращение следящий реверсивный двигатель, с осью которого связан подвижный контакт автотрансформатора. Следящий двигатель вращаете 3-Э до тех пор, пока за смет напряжения управления на уравновешивающем асинхронном двигателе не зозникнет момен , равный моменту сопротивления на внутреннем цилиндре. Выходным сиг налом является угол поворота подвижного контакта автотрансформатора, образующего вместе с асинхронным дви гателем преобразователь уравновешива ния, Известный вискозиметр представляет собой астатическую систему автоматического регулирования положения ротора асинхронного двигателя чувствительного элемента. Подвижная система известного вискозиметра динамически является апериодическим звеном второго порядка, передаточная функция которого описывается уравнением-((5;Ьгр где Ч (Р) - угол поворота подвижной системы; дМ(р)-Мц(р) - регулирующий момент , -Mj,.j.(p) действующий на подвижную систему; J момент инерции; р - оператор преобразования Лапласа; Р - коэффициент успокоения, который, если пренебреч воздушным успокоением и в первом приближении, успокоением, вызванным токами в полом роторе асинхронного двигателя, определяется зависимостьюР . (2) где К - коэффициент, зависящий от геометрических размеров из мерительных цилиндров; 1 - вязкость исследуемой жидкости. Из выражения (2) видно, что коэф фициент успокоения Р подвижной час ти прибора, а следовательно, и его динамические характеристики зависят от вязкости измеряемой жидкости, ве личина которой заранее не известна. Поэтому для осуществления извест ной схемы автоматического измерител вязкости необходимо принимать допол нительные меры с целью обеспечения устойчивости системы уравновешивани Известный прибор не обладает зап сом устойчивости во всем диапазоне 4 измеряемой вязкости, а при измерении изменяющейся во времени вязкости точность его показаний будет низкой. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является электровискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр с исследуемой средой, внутренний цилиндр, укрепленный на подвижной катушке, преобразователь неравновесия, преобразователь уравновешивания и отсчетное устройство, причем преобразователь неравновесия содержит дифференциальный усилитель, входами связанный с подвижной катушкой и делителем напряжения повышенной частоты, а выходами первых каскадов с емкостным дифференцирующим устройством подключенным на вход суммирующего усилителя вместе с выходом аналогового умножителя, входами соединенного с подвижной катушкой и оконечным каскадом дифференциального усилителя. Наличие емкостного дифференциатора огибающей сигнала неравновесия с выходом на постоянном токе обеспечивает устойчивость системы регулирования в переходных процессах, чем достигается повышение точности измерения вязкости 2. Однако исследования динамических характеристик системы автомати- / ческого регулирования этого вискозиметра на различных диапазонах измерения вязкости показали, что обеспечить устойчивость и получить требуемое качество переходного процесса возможно только на -узком участке диапазона измеряемой вязкости, определяемом параметрами емкостного дифференциатора . Таким образом, в известномПриборе не обеспечивается постоянное качество переходного процесса уравновешивания во всем диапазоне измеряемой вязкости, а значит и точность измерения изменяющейся во времени вязкости будет низкой. Цель изобретения - увеличение точности измерения при расширении диапазона измеряемой вязкости путем обеспечения постоянства динамических характеристик вискозиметра. Поставленная цель достигается тем, что электровискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравно5вешиванин и отсчетное устройство, дополнительно снабжен дифференциатором, корректирующим устройством, усилителем, аналоговым перемножителем, сумматором, управляемым делите лем напряжения, делителем опорного напряжения и вычитателем, причем вы ход преобразователя неравновесия соединен с входами дифференциатора и корректирующего устройства, выход которого через усилитель соединен с отсчетным устройством и первым входом сумматора, второй вход последнего соединен с выходом аналогового перемножителя, один из входов котор го подключен к выходу дифференциато ра, а другой - к вь1ходу вычитателя, первый вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения, а второй - с выходом управляемого делителя напряжения, при этом управ ляющий вход управляемого делителя напряжения подключен к выходу усили теля, а выход сумматора соединен с входом преобразователя уравновешива ния. На чертеже показана функциональная схема вискозиметра. Вискозиметр содержит внешний вра щаемый цилиндр 1 с исследуемой жидкостью, внутренний воспринимающий цилиндр 2, преобразователи 3 и неравновесия и уравновешивания внут реннего цилиндра, корректирующее устройство 5, усилитель 6, сумматор 7 аналоговый перемножитель 8, отсчетное устройство 9 дифференциатор 10, управляемый делитель 11 напряжения, вычитатель 12 и делитель 13 опорного напряжения. Внутренний воспринимающий ци.линдр 2 жестко связан с подвижной частью преобразователя 3 неравновесия, который электрически соединен с входами дифференциатора 10 и последовательного корректирующего устройства 5. которое подключено на вход усилителя 6 сигнала неравновесия. Выход усилителя связан с отсчетным устройством 9i первым вхо дом сумматора 7 и управляемым делителем 11 напряжения, связанным с вы читателем 12, соединенным с делител 13 опорного напряжения, а выход вы- читателя подключен к одному из вход аналогового перемножителя 8, другой вход которого подключен к выходу дифференциатора 10. Выход пере множителя соединен с вторым входом 6 сумматора 7, включенного на вход преобразователя Ц уравновешивания, подвижная часть которого жестко связана с осью внутреннего цилиндра 2. Устройство работает следующим образом. Внешний цилиндр 1 с исследуемой жидкостью приводится во вращение синхронным электроприводом с заданной скоростью, которая определяется необходимой величиной градиента скорости сдвига. Силы вязкого трения исследуемой жидкости создают вращающий-момент на оси внутреннего цилиндра 2, и вызывают угловое смещение цилиндра из первоначального положения. Сигнал о смещении, вырабатываемый преобразователем 3 неравновесия, поступает на входы дифференциатора 10 и корректирующего устройства 5| на выходах которых появляются соответственно сигналы пропорциональные угловой скорости перемещения внутреннего цилиндра б и динамически скорректированный сигнал, вызванный угловым перемещением оси цилиндра Ч . Усиленный усилителем 6 сигнал неравновесия, пропорциональный вязкости , подается через сумматор 7 на вход преобразователя уравновешивания и одновременно на отсчетное устройство 9 изменяющее выходной сигнал усилителя 6. .Преобразователь k уравновешивания преобразует сигнал с выхода сумматора 7 в момент уравновешивания My, который возвращает внутренний цилиндр в исходное положение. Во время движения внутреннего.цилиндра сигнал на выходе дифференциатора 10 отличается от нуля, поэтому на выходе аналогового перемножителя 8 появляется сигнал, пропорциональный произведению величины вязкости жидкости и скорости углового перемещения цилиндра. Этот сигнал также подается на сумматор 7 и складывается с сигналом, пропорциональным перемещению, цилиндра, внося в момент уравновешивания составляющую, пропорциональную моменту вязкостного демпфирования. Угол поворота подвижной системы вискозиметра определяется из зависимостиМ.-Мп ч , . (3) 7gtgj где Mj - действующий момент вязкого трения; М,. - момент противодействующий, обусловленный как моментом уравновешивания, так и мо- 5 ментом сопротивления упругого подвеса и составляющей момента, вызванного демпфированием жидкости, При отключенном выходе умножителя ю 8, противодействующий момент через передаточные функции звеньев выражается следующим образом. Мп c4+Pp4-fUf,K4 t С) где и/ - выходное напряжение усили- s KV, - коэффициент передачи преобразователя уравновешивания. Из (3) и (i) следует, что20 (, K , поэтому величина напряжения на выходе усилителя определяется выражением В замкнутой системе регулирования эта величина изменяется до тех пор, пока не уравновешивается момент вязкостного трения, что происходит при Ч 0. При этом, как следует из уравнения (5), величина выходного напряжения будет .. % к Динамические характеристики вискозиМетра определяются коэффициентами второго слагаемого правой части уравнения (5), в том числе, коэффициентом вязкостного успокоения. ,-, который меняется во всем диапазоне измерений Обеспечение постоянства динамических характеристик вискозиметра решает ся следующим образом. В управляемом делителе 11 напряжения образуется сигнал, пропорциопаль ный вязкости % 4r bV- K7---K7- где tOp - скорость вращения внешнего цилиндра. Этот сигнал поступает на вычитатель 12, где из него вычитается сигнал, соответствующий по величине минимальной вязкости в диапазоне измерения п -ii-on8Тогда сумм 5риь1й сигнал К . к г-К,,и, (9) поступает на второй вход аналогового перемножителя 8, что дает после умножения на угловую скорость внутреннего цилиндра величину /иВ„К,,К ,А„)рч. («) После сумматора 7 формируется сигнал, корректирующий правую часть уравнения (k) M у u,-K,p,(-K.,,,. тогда уравнение (5) имеет вид и- М %--кт ь Ka onSbP рая коэффициент К из условия ( о обеспечить соотношение «-М угой стороны, если выбрать словия (11) принимает вид f KrlmiHP c4J. образом, уравнение (1) опит движение внутреннего |дилинд9pa вискозиметра с уравновешиванием, качество переходного процесса которого уже не зависит от величины коэффициента вязкостного демпфировани изменяющегося по всему диапазону из мерений, т.е. переходный процесс уравновешивания является инвариантн по отношейию к величине измеряемой вязкости. Работа адаптивной системы уравно вешивания при минимальной измеряемой вязкости. При возникновении момента вязкос ного трения, соответствующего этой величине вязкости ,. выходной сигнал Ул первоначально равен нулю, тогда выходной сигнал контура устройства адаптации, состоящего из звеньев (8)т(13), . начальный момент времени суммарный коэффициент, демпфирования в правой части уравнения (11) равен нулю, что вызывает быстрое нарастание уравновешивающего сигнала U, а следовательно и выходной сигнал UQ станет равным нулю, т.е. суммарный коэффициент демпфирования буДет . d) равным значению, на которое рассчитывается корректирующее устройство 5При большем или максимальном зна чении измеряемой вязкости сигнал устройства адаптации Ug возрастает до той величины, при которой сум-марный коэффициент демпфирования (|-, равен значению, при котором корректирующее устройство 5 обеспечит заданное качество переход ного процесса уравновешивания. Результаты исследования переходных процессов уравновешивания на аналоговой вычислительной машине и испытания лабораторного макета показали , что переходный процесс урав новешивания имеет заданное качество во всем диапазоне измеряемой вязкости (1-300 мПа-с) Вискозиметр без устройства адапт ции имеет весьма непостоянное качество переходного процесса от неустойчивости системы уравновешивания мПа«с до затяжного пере ходного процесса длительностью 120 при максимальной вязкости, вместо необходимой длительности 1с. При измерении реологических хара теристик цельной крови, время жизни которой не превышает 3 мин, а число 810 измерений для снятия кривой течения должно быть не менее 5 мин, длительный переходный процесс вообще недопустим. Таким образом, обеспечение заданного качества переходного процесса не только позволяет увеличить точность измерения посредством считывания результата по истечении определенно известного времени, но в некоторых случаях является необходимым условием для обеспечения самой возможности измерений. Предлагаемый вискозиметр предназначен для реологических исследований жидких сред с большим диапазоном изменения вязкости, в том числе биомедицинский жидкостей. Формула изобретения Электровискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравнове- шивания и отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений при расширении диапазона измеряемой вязкости путем обеспечения постоянства динамических характеристик вискозиметра, он дополнительно снабжен дифференциатором, корректирующим устройством, усилителем, аналоговым перемножителем, сумматором, управляемым делителем напряжения, делителем опорного напряжения и вычитателем, причем выход преобразователя неравновесия соединен с входами дифференциатора и корректирующего устройства, выход которого через усилитель соединен с отсчетным устройством и первым входом сумматора, второй вход последнего соединен с выходом аналогового перемножителя, один из входов которого подключен к выходу дифференциатора, а другой - к выходу вычитателя, первый вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения, а второй - с выходом управляемого делителя налряжения, при этом управляющий вход управляемого делителя напряжения подключен к выходу усилителя, а выход сумматора соединен с входом преобразователя уравновешивания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Крутоголов В.Д. Статические преобразователи ротационных виско- s зиметров непрерывного действия. мерительная техника, 1971, № 10, с. 89. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке ff 2740479/l8-25, кл. G 01 N , 31.10.79 (прототип).