Оптическое устройство для исследования веществ при воздействии давления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИ АЛ ИСТИНЕ СК ИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 М 21/00

ГОСУДАРСТВЕ1ЮОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4856583/25 (22) 20.04.90 (46) 07.05.93. Бюл. ЬЬ 17 (71) Московский институт приборостроения (72) Г.И. Максимочкин (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 1582086, кл. G 01 N 21/01, 1988, 2. Barnett О.D. et al, "An optical

fluorescense system for quantitative pressure

measurement of the diamond — anvil cell".

Меч. $с! lnstrum„1973, 44. N. 1, р. 1 — 4. (54) ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике оптических измерений и может использоваться !

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 эа счет одновременного измерения сдвиговой вязкости и плотности исследуемой жидкости.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем оптически связанные источйик 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 ни Ы2 1814052 А1 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 1 по периоду колебаний напряжения на входе соленоида — о сдвиговой вязкости. 2 ил, ми, 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 последовател ьно соединен ными генератором прямоугольных импульсов и усилителем, выход которого подключен к входу электромагнита, импульсн blM вольтметром, подключенным к выходу у силителя, и

1814052 измерителем интервалом времени, подключенным к выходу генератора прямоуголь. ных импульсов. Кроме того, в одном из вариантов выполнения устройства регистратор оптического изображения может быть выполнен из последовательно соединенных многоэлементного фотоприемника, дешифратора, аналого-цифрового преобразователя и фильтра низких частот, выход которого подключен к входу управления генератора прямоугольных импульсов, и подключенных к выходу аналого-цифрового преобразователя 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, распо° ложенной 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 элементами, 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 иэображения ячейки 3 высокого давления с подвижным элементом 13 в устройство может быть введен нож Фуко 27, размещенный в фокальной плоскости объектива 7, 28 двухканальный регистратор.

Устройство при определении плотности и сдвиговой вязкости жидкости в условиях высоких давлений работает следующим образом.

В центральное отверстие прокладки 6, предварительно приклеенной к одному иэ 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

20 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 спектрального прибора 11 и фоторегистратора

12, Смещение длины волны, соответствующей максимуму в спектре люминесценции рубина, с ростом давления в сторону длинноволновой части спектра является мерой

30 достигнутого давления. Указанная зависимость в первом приближении является линейной с угловым коэффициентом, равным

27,47 кбар/нм, т.е. Р(кбар) =27,47 ЛЛ(нм), в диапазоне давлений до 200 кбар, т,е. можно использовать линейную градуировочную зависимость практически при всех исследованиях большинства жидкостей, кроме сжиженных газов. При больших давлениях необходимо учитывать отклонения от ли40 нейного закона в градуировочной зависимости.

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

45 вырабатывают импульсные сигналы длительности Т>, следующие через интервал времени Tz, причем Т =Т . Данные сигналы усиливают усилителем 17 до некоторой величины иэ (фиг. 2а) и подают на вход элект50 ромагнита 15, создающего пульсирующее магнитное поле, под действием которого осуществляется возвратно-поступательное перемещение подвижного элемента 13 внутри ячейки 3 высокого давления по вер55 тикали с одновременным медленным дрейфом вверх (фиг. 2б) или вниз (фиг. 2в) в зависимости от величины амплитуды импульсного напряжения иэ на входе электромагнита. Следя за положением подвижного элемента 13 с помощью р истратора 14

1814052

g =k х, (2) Гв= Ф(цэ), Ua.ж т Рж цз.эт рст — p i оптического изображения (например. с помощью видеокамеры) и регулируя величину иэ генератором 16 до некоторого значения

UonT. добиваются уменьшечия дрейфа подвижного элемента до минимума (фиг, 2г), 5

Соответствующие данному состоянию величины иэ и Tz измеряют с помощью импульсного вольтметра 18 и измерителя 19 интервалов времени, по ним судят о плотности (р) и сдвиговой вязкости (F s), 10

B отсутствие дрейфа (фиг, 2г) очевидно, что сила, действующая на подвижный элемент при его движении вниз (вес элемента, выталкивающая сила и сила вязкого тре- 15 ния), 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 t, 20

F J=mg — рж g рс

= тр=РВ mg+ рж g 1тр, рсх

Pe=2mg(1 — - — -), (1) рст где m — масса подвижного элемента;

g — ускорение свободного падения; рст — плотность материала подвижного 30 элемента;

p» — искомая плотность жидкости;

6р — сила вязкого трения.

Учитывая, что Fa —. сила, действующая йа подвижный элемент со стороны электро- 35 магнита, является функцией u>, величина плотности рж может быть найдена 40 из уравнений (1) и (2) по измеренному значению из. Вид функции Гв= Ф(оэ) может быть найден расчетным путем или опытным путем по измерению силы, действующей на подвижный элемент (с помощью оналитических весов или крутильных весов) при различных значениях иэ и заданном расстоянии от элемента до электромагнита, соответствующем расстоянию в реальном эксперименте, Укаэанная зависимость близка к линейной. Другая воэможность определения рж заключается в предвари- тельных измерениях при тех же условиях величины иэ для эталонной жидкости с известной плотностью. Тогда, считая Ев из, из выражения (1) следует откуда может быть найдена плотность исследуемой жидкости р .

Величина Tz — время свободного падения подвижного элемента и пройденный подвижным элементом путь hg- п1 (фиг, 2г). который определяется визуально с помощью регистратора 14 оптического изображения, снабженного, например, оптическим микрометром. Искомая величина сдвиговой вязкости (y>) определяется из соотношения где х =(h2 — Й1)/T2; k — коэффициент пропорциональности, определяемый градуиравкой.

В одном из вариантов выполнения устройства регистратор 14 может выполнять и функции автоматической регулировки величины иэ с целью устранения дрейфа колеблющегося подвижного элемента. В этом случае изображение падающего элемента

13 проектируется на линейку, составленную из ряда фотоприемников 21, При проходе изображения подвижного элемента по чувствительному элементу сигнал на выходе последнего изменяется, что фиксируется дешифратором 22, На выходе последнего получают цифровой код величины, пропорциональный величине h (h — высота, координата подвижного элемента относительно некоторого произвольного уровня отсчета), С помощью аналого-цифрового преобразователя получают зависимость h=h(t) в аналоговом виде. С помощью фильтра 24 низких частот выделяют сигнал дрейфа, который поступает на вход управления амплитудой сигналов, вырабатываемых генератором 16 прямоугольного напряжения, При дрейфе подвижного элемента вверх сигнал дрейфа (постоянная составляющая кривой h=h(t) (фиг. 2б) увеличивается, что является сигналом для уменьшения амплитуды пульсирующего напряжения иэ. При дрейфе подвижного элемента 13 вниз постоянная составляющая кривой h=h(t), выделяемая на выходе фильтра 24 низких частот, уменьшается, что приводит к увеличению величины напряжения иэ, вырабатываемого генератором 16 прямоугольных импульсов. В результате осуществляется автоматическая подстройка Ua к величине Uonr (фиг. 2г), Предлагаемое оптическое устройство может быть реализовано с использованием следующих приборов: источник 1 фиолетового монохроматического излучения для возбуждения люминесценции рубина и . освещения подвижного элемента — лазер

1814052

ИЛГИ-503, спектральный прибор 11 с фоторегистратором 12 — спектральный вычислительный универсальный комплекс КСВУ-23

М, многоэлементный фотоприемник 21— фотодиодный преобразователь ЛФ 102425/1Б, 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 ферро.магнитный 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, оптиче5 ский делитель, первый выход которого связан оптически со спектральным прибором, соединенным с фоторегистратором, а также сферический подвижный элемент, размещенный в ячейке высокого давления и

10 оптически связанный с вторым выходом оптического делителя, регистратор оптическогоизображения, отл ич а ю щеес я тем. что, с целью расширения области измеряемых параметров и повышения производи15 тельности измерений, оно снабжено электромагнитом и последовательно соединенными генератором прямоугольных импульсов и усилителем, выход которого подключен к входу электромагнита, им20 пульсным вольтметром, подключенным к выходу усилителя, и измерителем интервалов времени, подключенным к выходу генератора прямоугольных импульсов двухканальным регистратором, входы кото25 рого соединены с выходами импульсного вольтметра и измерителя интервалов времени, причем подвижный элемент выполнен из ферромагнитного материала, а регистратор оптического изображения со30 держит последовательно соединенные оптически связанный с вторым выходОм делителя многоэлементный фотоприемник, дешифратор, аналого-цифровой преобразователь и фильтр низких частот, выход кото35 poro подключен к входу управления генератора прямоугольных импульсов, и подключенные к выходу аналого-цифрового преобразователя последовательно соединенные фильтр высоких частот и второй им40 пульсный вольтметр.

1814052

9и а. т

Составитель Г. Максимочкин

Техред М,Моргентал Корректор М. Максимишинец

Редактор Л. Волкова

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

Заказ 1826 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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