Измеритель вязкости жидкости

 

Изобретение относится к технике измерения вязкости жидкости и касается измерителей , обеспечивающих автоматическое измерение вязкости контролируемой жидкой среды. Целью изобретения является повышение точности учета влияния изменения скорости шарового зонда в переходном режиме . В измерителе содержится дополнительный элемент И, дополнительный счетчик, первый и второй компараторы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи ,аналого-цифровой преобразователь, инвертор, сумматор, делитель напряжения, элемент ИЛИ, индикатор и датчик скорости, ось которого кинематически связана с осью барабана, а электрический выход подключен к первому входу первого компаратора и через инвертор - к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя и вторым входом первого компаратора, первый и второй входы и выход дополнительного элемента И соединены с выходом первого компаратора , выходом генератора и счетным входом дополнительного счетчика соответственно , обнуляющий вход дополнительного счетчика соединен с вторым выходом программного реле, обнуляющим входом счетчика и первым входом элемента ИЛИ, а его выходы подключены к входам первого цифроаналсгового преобразователя, второй вход и выход элемента ИЛИ соединены с выходом второго компаратора и обнуляющим входом триггера соответственно, единичный вход триггера соединен с третьим выходом программного реле и первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу сумматора и первому входу второго компаратора , входы второго цифроаналогового преобразователя соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя. Измеритель имеет более высокие метрологические характеристики и более высокую точность измерения. 2 ил. сл с XI о hO ю СП

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л 6 01 N 11/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4761708/25; 4761709/24-25 (22) 23.11.89 (46) 30.12.91, Бюл. ¹ 48 (71) Ивановский инженерно-строительный институт и Московская хлопчатобумажная фабрика им.М.В.Фрунзе (72) M.Ë.Ãðóçíîâ, В.Ф.Глазунов, Ю.M,Êóëàгин, В.В,Махнач, Е,Н.Житникова, А,К.Иванков и Л.П.Груэнов (53) 548.137 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 972323, кл, G 01 N 11/10, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N. 1603239, кл. G 01 N 11/10, 1988.. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к технике измерения вязкости жидкости и касается измерителей, обеспечивающих автоматическое измерение вязкости контролируемой жидкой среды. Целью изобретения является повышение точности учета влияния изменения скорости шарового зонда в переходном режиме. В измерителе содержится дополнительный элемент И, дополнительный счетчик, первый и второй компараторы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, аналого-цифровой преобразователь, инвертор, сумматор, делитель напряжения, элемент ИЛИ, индикатор и датчик скорости, ось которого

Изобретение относится к технике измерения вязкости жидкости и касается измерителей, обеспечивающих автоматическое измерение вязкости контоолируемой жидкой среды, Целью изобретения является повышение точности измерения путем учета влия5U 1702251 А1 кинематически связана с осью барабана, а электрический выход подключен к первому входу первого компаратора и через инвертор — к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя и вторым входом первого компаратора, первый и второй входы и выход дополнительного элемента И соединены с выходом первого компаратора, выходом генератора и счетным входом дополнительного счетчика соответственно, обнуляющий вход дополнительного счетчика соединен с вторым выходом программного реле, обнуляющим входом счетчика и первым входом элемента ИЛИ, а

его выходы подключены к входам первого цифроаналогового преобразователя, второй вход и выход элемента ИЛИ соединены с выходом второго компаратора и обнуляющим входом триггера соответственно, единичный вход триггера соединен с третьим выходом программного реле и первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу сумматора и первому входу второго компаратора, входы второго цифроаналогового преобразователя соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя. Измеритель имеет более высокие метрологические характеристики и более высокую точность измерения. 2 ил, ния изменения скорости шарового зонда в переходном режиме, На фиг.1 представлена структурная схема измерителя вязкости жидкости; на фиг.2 — вариант выполнения структурной схемы измерителя вязкости. равляющий прохождением импульсов на счетный вход дополнительного счетчика, 30 счетчик 12, суммируя поступающие на вход импульсы, определяющий значение оцениваемой постоянной времени экспоненты, дополнительный счетчик 13, подсчитывающий число подаваемых на счетный вход импульсов и определяющий тем самым значение напряжения на выходе датчика 6 скорости, первый цифроаналоговый преобразователь 14, формирующий напряжение, пропорциональное коду дополнитег ьного счетчика 13 и тем самым равного напряжению на выходе датчика 6 скорости, второй цифроаналоговый преобразователь,5, формирующий напряжение, пропорциональное значению кода аналого-цифрового преобразователя 16, аналого-цифровой преобразователь 16, в заданный момент времени оцениваюший текущее значение напряжения на выходе сумматора и хранящий полученный код до конца очередного цикла измерения вязкости, делитель 17 напряжения, снижающий значение подаваемого на вход напряжения в требуемое число раз, инвертор 18, изменяющий фазу подаваемого на вход напряжения на противоположную, сумматор 19, определяюший разность напряжений на выходах первого цифроаналогового преобразователя 14 и датчика 6 скорости, элемент ИЛИ 20, объединяющий цепи подачи импульсоз на обнуИзмеритель вязкости жидкости (фиг, !) содержит программное реле 1, огределяющее ритм работы измерителя и выдающее в требуемые моменты напряжения на три своих выхода, блок 2 взвода, обеспечивающий перемещение шарового зонда в исходную точку траектории движения перед каждым очередным замером вязкости жидкости, барабан 3, на котором с помощью троса 4 крепится шаровой зонд 5 и угол поворота которого пропорционален длине пути, проходимого шаровым зондом 5, воспринимающим воздействие силы вязкого трени-! жидкости и выталкивающей силы, датчик 6 скорости, формирующий напряжение, величина которого характеризует текущее значение скорости движения шарового зонда 5, генератор 7, выдающий прямоугольные импульсы стабильной частоты, первый компаратор 8, управляющий формированием напряжения, равного по величине текущему значению напряжения на выходе датчика 6 скорости, второй компаратор 9, определяющий момент времени окончания измерения оцениваемой постоянной времени экспоненты, элемент И 10, управляющий прохождением импульсов на счетныи вхсд счетчика, дополнительный элемент И 11, уп5

25 ляющий вход триггера 21, который формирует на собственном выходе импульс разрешающего напряжения, длительность которого идентифицирует оцениваемую постоянную времени экспоненты, индикатор

22, высвечивающий полученный результат измерения, Устройство работает следующим образом, Подготовка измерителя к работе происходит в то время, когда программное реле 1 находится в первой позиции. При этом кратковременно появляется разрешающее напряжение на втором выходе программного реле 1, Происходит обнуление счетчика 12, дополнительного счетчика 13 и через обьединяющий элемент ИЛИ 20 — тоиггера 21.

После этого начинается следующая фаза подготовки измерителя к работе, в процессе которой оценивается скорость установившегося равномерного движения шарового зонда 5 в процессе его погружения в жидкость. Программное реле 1 переходит во вторую позицию, в которой находится промежуток времени, достаточный для приведения зонда 5 в исходное перед погружением положение..С этой целью HB первый выхоа программного реле

1 выдае-ся напряжен. е, под воздействием которо: о блок 2 взвода, воащая барабан 3, на который наматывается трос 4, осуществляет подъем зонда 5.

Затем программное реле 1 переходит в третью позицию, Напряжения на его выходах отсутствуют. Блок 2 взвода перестает воздействовать на барабан 3, который под воздействием зонда 5 и сматывающегося троса 4 начинает вращаться, одновременно вращая и ось датчика 6 скорости. На выходе датчика 6 скорости формируется напряжение, пропорциональное текущему значению скорости погружения зонда 5. Это напряжение подается на первый вход первого компаратора 8, на второй вход которого подводится выходное напряжение первого цифроаналогового преобразователя 14. В начальный момент при обнуленном дополнительном счетчике 13 равно нулю и напряжение на выходе первого цифроаналогового преобразователя 14. Напряжение на первом входе первого компаратора 8 больше напряжения на его втором входе, поэтому на его выходе разрешающий .-о-енциал, которым открывается по первому входу дополнительный элемент И 11. Импульсы с выхода генератора 7 проходят через него на счетный вход допслнительного,счетчика 13, причем формируемый код этого счетчика характеризует число поступивших импульсов. Поступление импульсов

1702251

50 продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе первого цифроаналогового преобразователя 14 не станет больше напряжения на выходе датчика 6 скорости (на величину приращения напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 14 при поступлении очередного импульса на счетный вход дополнительного счетчика 13 или меньшую величину}. В этом случае напряжение на выходе первого компаратора 8 становится запрещающим и прохождение импульсов генератора 7 на счетный вход дополнительного счетчика 13 через дополнительный влемент И 11 прекращается. По мере нарастания напряжения на выходе датчика 6 скорости укаэанные процессы повторяются таким образом, что напряжение на выходе первого цифроаналогового преобразователя 14 отслеживает напряжение на выходе датчи;;à 6 скорости я процессе его нарастания с погрешностью, не превышающей приращения напряжения на выходе первого цифроаналогового преобразователя 14 при увеличении на единицу кода дополнительного счетчика 13. По мере погружения зонда 5 в исследуемую жидкость его скорость(перед ocTBHQBQM) становится равной установившемуся значению скорости равномерного движения при погружении, Код оценки этой скорости и запоминается в конце данной фазы измерения, поскольку в процессе снижения скорости зонда 5 при останаве изменений кода дополнительного счетчика 13 не происходит.

После этого программное реле 1 переходит в четвертую позицию, в которой напряжение вновь подается на его первый выход и далее на блок 2 взвода. При этом зонд 5 вновь возвращается в исходную позицию перед очередным погружением. При переходе программного реле 1 в пятую позицию напряжения снимаются со всех его выходов. Происходит повторное погружение зонда 5 в исследуемую жидкость.

Через промежуток времени, заведомо достаточный для трогания зонда 5, программное реле 1 переходит в шестую позицию, выдавая импульс напряжения на свой третий выход. Этим импульсом аналого-цифровой преобразователь включается в работу и формирует код текущего значения напряжения на его втором входе, а триггер 21 переводится в единичное состояние.

Появляющимся на выходе триггера 21 разрешающим напряжением открывается по второму входу элемент И 10.. Импульсы с выхода генератора 7 проходят через него на счетный вход счетчика 12, которым суммируется число поступивших импульсов за оцениваемый промежуток времени. Пода5

45 ваемое на второй вход аналого-цифрового преобразователя 16 с выхода сумматора 19 напряжение представляет собою сумму напряжений с выхода первого цифроаналогового преобразователя 14, характеризующего напряжение на выходе датчика 6 скорости при равномерной скорости погружения зонда 5, и напряжения с выхода инвертора 18. В свою очередь, последнее напряжение равно по величине напря>кению на выходе датчика 6 скорости и противоположно ему по знаку, Таким образом, напряжение на выходе сумматора 19 равно разности напряжений первого цифроаналогового преобразователя 14 и датчика 6 скорости, При неподвижном зонде 5 она равна напряжению на выходе первого цифроаналогового преобразователя 14, так как напряжение на выходе датчика скорости равно нулю, а в то время, когда зонд 5 будет погружаться с равномерной скоростью, напряжение на выходе сумматора 19 станет равным нулю. Изменение во времени выходного напряжения сумматора 19 происходит по экспоненте с оцениваемой постоянной времени T. В результате работы аналого-цифрового преобразователя 16 в его память будет записан код, характеризующий напряжение на выходе сумматора 19 в момент подачи импульса на первый вход аналого-цифрового и реоб разо вателя 16.

Второй цифроаналоговый преобразователь

16 сформирует на своем выходе напряжение, пропорциональное;.оду, хран", ùåìóñÿ в аналого-цифровом преобразователе 16, Это напряжение подается на вход делителя

17 напря>кения, которым уменьшается в заданное число раз (например, в е раз). Выходные напряжения сумматора 19 и делителя

17 напряжения сравниваются вторым компаратором 9, Первоначально напряжение сумматора 19 заведомо больше напряжения на выходе делителя 17 напряжения и навыходе второго компаратора 9 присутствует запрещающий потенциал. Однако по мере нарастания напряжения на выходе датчика6 скорости при увеличении скорости зонда

5 после его разгона, напряжение на выходе сумматора уменьшается по экспоненте, в То время, как напряжение на выходе делителя

17 напряжения остается постоянным по величине, Через измеряемый промежуток времени напряжение на выходе сумматора 9 станет меньше напряжения на выходе делителя 17 напряжения. На выходе второго компаратора 9 появится разрешающий потенциал, которым после передачи через элемент ИЛИ 20 обнуляется триггер 21, Возникающим на его выходе запрещающим потенциалом запирается по второму входу

1702251

15

30

55 элемент И 10. Импульсы генератора 7 в данном цикле измерения на счетный вход счетчика 12 больше не поступают, Код, хранящийся в счетчике 12, характеризует значение измеряемой постоянной времени 5 экспоненты. Оно высвечивается индикатором 22, Далее программное реле 1 переходит в седьмую позицию, в которой находится до начала следующего цикла измерения.

Измеренное значение вязкости жидкости по полученной оценке постоянной времени экспоненты Т может быть рассчитано по формуле, справедливой при выполнении закона Стокса 2 Р

4,5 Т где tg — измеряемая вязкость жидкости;

R — радиус шарового зонда 5; р — плотность материала шарового зонда 5;

Т вЂ” оцениваемая при измерении постоянная времени экспоненты, характеризующей динамику изменения скорости шарового зонда 5 при приближении к скорости равномерного движения при погружении.

При применении измерителя нет необходимости при измерении получать оценку плотности жидкости, которая при измерении вязкости является помехой измерению.

Как следует из соотношения в предлагаемом измерителе расчет вязкости осуществляется по измеренному значению постоянной времени Т, которая от плотности жидкости не зависит. Одновременно преимуществом предлагаемого измерителя является применение в качестве датчика первичной информации не измерителя ускорения (акселерометра), а измерителя скорости (в частном случае, измерителя угловой скорости — тахометра). Эти датчики имеют более высокие метрологические характеристики, и более высокую точность измерения.

В то же время в измерителе сохранена простота электронной схемы, В состав варианта измерителя вязкости жидкости (фиг, 2) входят программное реле

23, определяющее ритм работы измерителя и выдающее в требуемые моменты времени напряжения на три своих выхода, блок 24 взвода, обеспечивающий перемещение шарового зонда в исходную точку траектории движения перед каждым очередным замером вязкости жидкости, барабан 25, на котором с помощью троса 26 крепится шаровой зонд 27, и угол поворота которого пропорционален длине пути, проходимого шаровым зондом 27, на который оказывают воздействие выталкивающая сила жидкости и сила ее вязкого трения, акселерометр 28, формирующий напряжение, пропорционально ускорению шарового зонда 27, аналого-цифровой преобразователь 29, в требуемые моменты времени измеряющий напряжение на выходе акселерометра 28 и формирующий двоичный код этого напряжения, цифроаналоговый преобразователь

30, преобразующий хранящийся в аналогоцифровом преобразователе 29 код в пропорциональное аналоговое напряжение, делитель 31 напряжения, формирующий напряжение, составляющее требуемую часть напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 30, компаратор 32, путем сравнения напряжений на выходе акселерометра 28 и делителя 31 напряжения. определяющий время окончания замера, элемент И 33, обеспечивающий своевременную передачу командного импульса об окончании замера. элемент ИЛИ 34, объединяющий цепи подачи импульсов на обнуляющий вход триггера 35, формирующего выходной импульс, длительность которого характеризует измеряемую вязкость, генератор 36, выдающий прямоугольные импульсы стабильной частоты, дополнительный элем,.нт И 37, управляющий цепью подачи импульсов на счетный вход счетчика 38, суммирующего поступающие на вход прямоугольные импульсы и формирующий код, характеризующий вязкос ь исследуемой жидкости, индикатор 39, высвечивающий результат измерения, Измеритель вязкости жидкости раоотает следующим образом.

Каждь.й очередной цикл измерения начинается при переходе программного реле

23 в первую позицию. При этом появляется напряжение на его первом выходе, которое передается на электрический вход блока 24 взвода и в виде разрешающего потенциала на обнуляющий вход счетчика 38. Кроме того, через элемент ИЛИ 34 это напряжение подается на обнуляющий вход триггера 35.

Блок 24 взвода, вращая барабан 25, на который наматывается трос 26, поднимает шаровой зонд 27 в исходное положение. Код. хранящийся в счетчике 38, под воздействием этого напряжения становится равным нулю, Триггер 35 переходит в нулевое состояние, в котором с его выхода на первый вход дополнител= íîãî элемента И 37 подается запрещающий потенциал. В этом режиме прямоугольные импульсы, непрерывно подаваемые на второй вход этого элемента с выхода генератора 36, на счетный вход счетчика не переда.отся.

1702251

После требуемой временной задержки, достаточной для перемещения шарового зонда 27 в требуемое положение, программное реле 23 переходит во вторую позицию, в которой напряжения отключены от всех трех его выходов. Шаровой зонд 27 с, ускорением начинает погружаться в жидкость, заставляя за счет сматывания троса 26 вращаться вал барабана 25.

Через промежуток времени, достаточный для начала движения шарового зонда

27, программное реле переходит в третью позицию, в которой на его втором выходе появляется управляющий импульс напряжения. Прежде всего, этим импульсом переводится в единичное состояние триггер 35.

Разрешающим потенциалом с его выхода открывается по первому входу дополнительный элемент И 37. Импульсы генератора 36 проходят через него на счетный вход счетчика 38 и суммируются им, Одновременно импульс с второго выхода программного реле 23 подается и на второй вход аналого-дискретного преобразователя 29, включая его в работу по измерению текущего значения напряжения на выходе акселерометра 28, поданного на первый вход этого преобразователя, Полученный в,процессе преобразования двоичный код напряжения акселерометра 28 хранится в аналого-цифровом преобразователе 29, выходными потенциалами которого управляется цифроаналоговый преобразователь 30. Им формируется flocT05IHHGB по величине напряжение, значение которого равно напряжению на выходе акселерометра 28 в момент появления импульса на втором выходе программного реле. Это напряжение подается на делитель 31 напряжения, которым уменьшается в требуемое число раз (если напряжение уменьшается в е раз, где е — основание натуральных логарифмов, то в результате замера в счетчике 38 код суммы будет соответствовать постоянной времени экспоненты Т), Выходное напряжениеделителя 31 подается на второй вход компаратора 32, на первый вход которого поступает напряжение с выхода акселерометра 28. Поскольку в рассматриваемом режиме напряжение на первом входе превышает напряжение на втором входе, то на выходе компаратора 32 — запрещающий потенциал.

Через следующий небольшой промежуток времени, достаточный для наступления ранее описанного. режима, программное реле 23 переходит в четвертую позицию, в которой напряжение подается только на третий его выход. Этим напряжением по второму входу открывается элемент И 33.

Поэтому, когда по мере увеличения скоро15

Появляющимся на его выходе запрещающим потенциалом запирается по первому входу дополнительный элемент И 37, Импульсы генератора 36 на счетчик 38 не поступают. Счетчик 38 хранит значение ранее рассчитанного кода, Выходные потенциалы этого счетчика управляют индикатором 39, которым высвечивается результат измерения, Через заданный промежуток времени программное реле 23 переходит в пятую позицию. Напряжения со всех трех его выходов снимаются. В этой позиции программное реле 23 находится до начала следующего цикла измерения вязкости жидкости.

Считанные показания индикатора 39, в частности с помощью графика градуировки измерителя, позволяют оценить вязкость исследуемой жидкости. Измеритель обладает преимуществами с точки зрения времени измерения, габаритов технологических ванн, в которых возможно измерение, Точность измерения в определяющей мере зависит от точности оценки текущих значений ускорения шарового зонда 27 акселерометром 28.

Формула изобретения

Измеритель вязкости жидкости, содержащий программное реле, блок взвода, счетчик, индикатор, элемент И и барабан, на котором с помощью троса закреплен шаровой зонд, причем ось барабана кинематически связана с осью блока взвода, электрический вход которого соединен с первым выходом программного реле, и генератор, выход которого связан с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу триггера, а выход — к счетному входу счетчика, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения путем учета влияния изменения скорости шарового зонда в переходном режиме, в него введены дополнительный счетчик, дополнительный элемент И, первый и второй компараторы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, аналогоцифровой преобразователь, инвертор, сумматор, делитель напряжения, элемент

ИЛИ и датчик скорости, ось которого кине- сти движения шарового зонда 27 уменьшается его ускорение, а следовательно, и напряжение на выходе акселерометра 28, в .какой-то момент времени оно становится меньшим напряжения на выходе делителя

31. На выходе компаратора 32 появляется разрешающий потенциал, который передается через элемент И 33, элемент ИЛИ 34 и поступает на обнуляющий вход триггера 35, 10 Триггер 35 переходит в нулевое состояние

1702251 матически связана с осью барабана, а электрический выход подключен к первому входу первого компаратора и через инвертор— к первому входу сумматора, второй вход когорого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя и вторым входом первого компаратора, первый и второй входы дополнительного элемента И соединены соответственно с выходом первого компаратора и выходом генератора, выход дополнительного элемента И связан со счетным входом дополнительного счетчика, обнуляющий вход которого соединен с вторым выходом программного реле, обнуляющим входом счетчика и первым входом элемента ИЛИ, выходы дополнительного счетчика подключены к входам первого цифроаналогового преобразователя, второй вход и выход элемента ИЛИ соединены с выходом второго компаратора и обнуляющим входом триггера соответственно, еди5 ничный вход триггера соединен с третьим выходом программного реле и первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу сумматора и первому входу второго компа1О ратора, входы индикатора соединены с выходами счетчика, входы второго цифроаналогового преобразователя связаны с выходами аналого-цифрового преобразователя, при этом выход

15 цифроаналогового преобразователя через делитель напряжения подключен к второму входу второго компаратора.

1702251

Составитель В,Скоробогатова

Техред М.Моргентал Корректор С.Шевкун .

Редактор Ю.Середа

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

Заказ 4538 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5