Датчик вязкости

Авторы патента:

Богословский Андрей Владимирович (RU)

Алтунина Любовь Константиновна (RU)

G01N11/10 - путем перемещения какого-либо тела в материале

Владельцы патента RU 2373516:

Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных датчиков погружного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей. Датчик вязкости содержит электрически управляемый вибратор, схему управления вибратором, присоединенный подвес и пробное тело на его конце, при этом датчик дополнительно содержит еще один такой же вибратор со схемой управления и присоединенным подвесом, но без пробного тела, и схему вычитания, к двум входам которой присоединены аналоговые выходы схем управления вибраторами, а выход соединен с регистрирующим устройством. Технический результат - увеличение достоверности результатов измерений и расширение возможностей использования вибрационного метода измерений. 4 ил.

Рассматриваемый тип датчиков состоит, как правило, из собственно вибратора, пробного тела и стержневого подвеса. Последний соединяет вибратор с пробным телом и передает ему механическое движение.

В процессе измерения электрически управляемый вибратор находится на воздухе, а колеблющееся пробное тело на конце достаточно длинного подвеса погружают в контролируемую среду. Измеряют действующую со стороны жидкости тормозящую силу.

Трение между колеблющимся телом и окружающей средой (торможение) описывается формулой

Z_т=F/ξ'=С,

где Z_т - механическое сопротивление трения жидкости о тело;

F - сила, вызывающая движение;

ξ' - колебательная скорость;

ρ - плотность жидкости;

η - вязкость жидкости;

С - коэффициент пропорциональности.

Реально, кроме сопротивления трения пробного тела присутствуют также

Z₀ - сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки;

Z_п - механическое сопротивления трения жидкости о соприкасающиеся с ней элементы подвеса.

Общее наблюдаемое сопротивление Z=Z_т+Z_п+Z₀=Z_ж+Z₀.

В электромеханическом классе устройств вызывающая движение сила и скорость движения пропорциональны соответствующим электрическим сигналам U_F и U_ξ. Поэтому имеют место соотношения

Z=BU_F/U_ξ; Z₀=BU_F0/U_ξ0.

U_F0 и U_ξ0, которые обусловлены величиной внутреннего трения вибратора, измеряют при положении пробного тела на воздухе.

При стабильном значении U_ξ=U_ξ0 сигнал U=U_F связан с линейным образом.

U=U₀+К,

где К - коэффициент пропорциональности,

U₀=U_F0 и зависит от заданной амплитуды движения.

Эксперименты проводят при одинаковом положении зонда в ячейке. При этом измерения, связанные с изменением объема пробы в сосуде, например, в результате добавления реагентов, осложняются из-за присутствия в полном сопротивлении зависящего от глубины погружения фрагмента Z_п.

Известны вибрационные вискозиметры, например вискозиметр А.Б.Каплуна, содержащий в качестве датчика электромеханический вибратор и имеющий пробное тело в виде закрепленной на жестком стержне пластины [Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970. - 142 с.].

Недостатком этой конструкции является то, что в процессе измерения происходит движение в жидкости не только пробного тела, но и некоторой части стержня - подвеса, величина которой зависит от глубины погружения. Это приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения пробного тела. Таким образом, для каждой глубины требуется отдельная калибровка.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является камертонный датчик. [А.В.Богословский, М.А. Полуэктов // Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988, - с.34-38]. Он представляет собой вибратор - камертон, закрепленный за узловую точку в опоре. На ножки наклеены пьезоэлементы и установлены стержень с пробным телом на конце на одной из ножек и противовес - на другой.

При измерениях погружается в жидкость не только пробное тело, но и некоторая часть стержня. Ее трение о жидкость приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения. Таким образом, следует проводить измерения при одинаковом положении пробного тела в контролируемые жидкости, или проводить специальную калибровку для каждой глубины.

Задачей изобретения является создание датчика, для которого результат измерения не зависит от глубины погружения пробного тела в жидкость.

Техническим результатом является устранение влияния глубины погружения на выходной сигнал вибрационного датчика и, таким образом, увеличение достоверности результатов измерений и расширение возможностей использования вибрационного метода измерения. Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый датчик вязкости содержит два одинаковых вибратора с присоединенными одинаковыми стержнями. На конце одного из стержней закреплено пробное тело. На конце другого стержня пробное тело отсутствует.

Полное сопротивление такого составного датчика состоит из двух фрагментов

Z_ж1=Z₀₁+Z_п1+Z_т,

Z_ж2=Z₀₂+Z_п2,

где Z₀₁ - внутреннее сопротивление первого вибратора,

Z_п1 - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса пробного тела первого вибратора,

Z_т - сопротивление, обусловленное пробным телом,

Z₀₂ - внутреннее сопротивление второго вибратора,

Z_п2 - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса второго вибратора.

Z_п1=Z_п2=Z_п.

Предлагаемый датчик изображен на фиг.1. Схема электрических соединений приведена на фиг.2.

Каждый вибратор (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Схемы обеспечивают колебания на частоте резонанса с постоянной, не зависящей от механической нагрузки амплитудой.

Аналоговые выходные сигналы U₁ и U₂ рассматриваемых схем (4) пропорциональны текущим значениям механического сопротивления соответствующих вибраторов. Поэтому приведенные выше выражения для сопротивлений Z можно переписать для соответствующих электрических напряжений

U₁=U₀₁+U_п1+U_т,

U₂=U₀₂+U_п2.

Указанные напряжения поступают на устройство сравнения - схему вычитания (5). При этом ее выходное напряжение будет

U₁₂=(U₀₁-U₀₂)+(U_п1-U_п2)+U_т.

Величина U₀₁₂=(U₀₁-U₀₂) измеряется на воздухе, является в эксперименте постоянной и отражает разную величину внутреннего трения используемых камертонов. Значения напряжений U_п1 и U_п2 зависят от глубины погружения.

U_п1=K₁h, U_п2=K₂h,

где K₁, K₂ - коэффициенты пропорциональности; h - глубина погружения пробного тела.

При соответствующей настройке указанных схем K₁=К₂, и разностный сигнал U₁₂ не зависит от глубины погружения.

Пример конкретного выполнения.

Схема датчика вязкости изображена на фиг.1. Два одинаковых латунных вибратора - камертона (2) с частотой резонанса ω₀≈400 Гц закреплены в держателе (1) концами ножек навстречу друг другу таким образом, что их колебания ориентированы перпендикулярно горизонту. К нижней ножке вибратора (2лев) присоединен стержень (3) из нержавеющей стали диаметром 1,5 мм. На конце стержня находится пробное тело в виде шара диметром 6 мм. К нижней ножке вибратора (2прав) аналогичным образом присоединен такой же стержень (3). Пробное тело на его конце отсутствует. На фиг.2 приведена функциональная схема соединения фрагментов устройства. Каждый из вибраторов (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Выходные сигналы схем (4), U₁, U₂ поступают на входы схемы вычитания (5). Разностный сигнал U₁₂ регистрируется с помощью персонального компьютера.

Измерения проводят следующим образом. Находят U₁₂₀ при колебании зонда на воздухе. Находят U_12k при колебаниях зонда в калибровочной жидкости с известными значениями ρ_k, η_k. Определяют коэффициент по формуле . Далее определяют U_12ж при колебании зонда в исследуемой жидкости. Находят искомое значение по формуле

На фиг.3 приведен график зависимости выходного сигнала датчика U_12ж от глубины погружения составного зонда в циклогексанол. На фиг.4 приведен график зависимости - , полученный путем погружения составного зонда на глубину 10 мм в октан (1), декан (2), диэтилфталат (3) и в циклогексанол (4).

Определенная по графику чувствительность составляет .

Таким образом, предлагаемый датчик вязкости позволяет проводить измерения при различной глубине погружения пробного тела в контролируемую жидкость.

Датчик вязкости, содержащий электрически управляемый вибратор, схему управления вибратором, присоединенный подвес и пробное тело на его конце, отличающийся тем, что он дополнительно содержит еще один такой же вибратор со схемой управления и присоединенным подвесом, но без пробного тела, и схему вычитания, к двум входам которой присоединены аналоговые выходы схем управления вибраторами, а выход соединен с регистрирующим устройством.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к бесконтактным аэрогидродинамическим способам и устройствам автоматического контроля физико-химических свойств жидкости (вязкости, плотности, поверхностного натяжения), и может найти применение как в лабораторной, так и производственной практике.

Способ оценки загрязненности механическими примесями моторного масла двигателя внутреннего сгорания // 2301414

Изобретение относится к измерительной технике и к способам оценки фактического состояния моторного масла, находящегося в картере двигателя, и может быть использовано для контроля концентрации механических примесей в моторном масле.

Способ определения вязкости // 2295718

Изобретение относится к области исследований реологических свойств жидкости и может найти применение в промышленности строительных материалов, химической, нефтяной и др.

Вискозиметр // 2284501

Изобретение относится к устройствам для измерения динамической вязкости жидких сред и может быть применено в химической, лакокрасочной промышленности, промышленности строительных материалов для исследования маловязких жидкостей повышенной плотности типа смазочных масел, ртути, лаков и др.

Устройство для определения вязкости дисперсных материалов // 2267770

Изобретение относится к устройствам для определения вязкости дисперсных материалов. .

Вискозиметр // 2265204

Изобретение относится к устройствам для определения реологических характеристик вязких жидкостей (водные растворы, смазочные масла и др.) и представляет собой компактный карманный вискозиметр для экспресс-анализа исследуемой вязкой среды в нестационарных условиях.

Устройство для определения вязкости жидкости // 2263892

Изобретение относится к устройствам измерения вязкости жидкости, в частности для экспресс-оценки качества моторного масла. .

Способ определения силы сопротивления жидкости // 2253100

Изобретение относится к области экспериментальных способов определения силы гидродинамического сопротивления обтекаемого тела, возникающего при его разгоне в вязкой жидкости, и может найти применение для исследования сопротивления маловязких жидкостей, типа вода, керосин, ацетон.

Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости // 2247357

Устройство для исследования течения материала при сложном сдвиге // 2244287

Изобретение относится к области техники для экструдирования биополимеров и предназначено для исследования поведения экструдата в компрессионных затворах и полостях утечек одношнековых прессов.

Способ оценки диапазона гранулометрического состава тонкодисперсных частиц в шламовой воде // 2386947

Изобретение относится к гравитационной седиментации и может быть применено на шахтах и обогатительных фабриках для анализа диапазона крупности частиц в шламовых водах

Способ определения вязкости жидкости // 2390757

Изобретение относится к способу и может быть использовано, например, при контроле и управлении технологическими процессами на предприятиях пищевой промышленности для оценки вязкости жидких оптически непрозрачных суспензий, а также при проведении научно-исследовательских работ

Способ оперативного контроля вязкости жидких сред и устройство для его осуществления // 2417364

Изобретение относится к ультразвуковым средствам измерения вязкости жидких сред, а более конкретно к магнитострикционным вискозиметрам, и предназначено для контроля в реальном масштабе времени работоспособности рабочих жидкостей, в частности гидравлического, компрессорного, трансмиссионного, моторного и трансформаторного масла, а также для контроля технологических процессов переработки материалов

Прибор для экструдирования пластического материала // 2422056

Изобретение относится к области экструдирования материалов растительного происхождения и может быть использовано для определения свойств экструдируемых древесных опилок

Ротационный вискозиметр // 2424500

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения вязкости различных жидкостей

Анализатор для автоматического определения показателей гемостаза // 2452936

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к анализаторам для автоматического определения показателей гемостаза (коагуляторам)

Вискозиметр // 2569173

Изобретение относится к области измерительных средств, в частности для измерения вязкости жидких сред при различных температурах и прозрачности. Для достижения технического результата в корпусе (1) вискозиметра установлен теплоизолированный снаружи нагреватель (2) с цилиндрической полостью (5), в которую помещен установленный на платформе (7) цилиндрический стакан (6) для исследуемой жидкости. В стакан 6 погружен установленный на стойке 8 датчик температуры 9 для контроля температуры испытуемой жидкости и помещен чувствительный элемент 10, который установлен на коромысле 11, снабженном электромагнитным приводом 12. При этом коромысло 11 установлено на оси электромагнитного привода с возможностью поворота относительно оси, а чувствительный элемент 10 выполнен в виде шара из полимерного материала и закреплен на стержне 13, расположенном на рабочем плече коромысла с возможностью перемещения в стакане с испытуемой жидкостью. На другом плече коромысла закреплен противовес 14, обеспечивающий свободное перемещение шара в испытуемой жидкости при заданных температурах. Поворот коромысла 11 ограничен верхним 15 и нижним 16 упорами, закрепленными на панели 17 и предотвращающими выход шара из жидкой среды и касание шара дна стакана 6. В средней части коромысла установлен экран 18, взаимодействующий с установленными на панели 17 светодиодом 19 и фотоприемником 20 с возможностью перекрытия светового потока от светодиода на фотоприемник при перемещении коромысла с экраном. При этом светодиод 19 и фотоприемник 20 оптически связаны с экраном 18 для обеспечения задания постоянной глубины перемещения шара 10 в испытуемой жидкости и регистрации времени его перемещения из верхнего положения, характеризующего вязкость испытуемой жидкости. Для управления процессом измерения вязкости датчик температуры 9 электрически связан с блоком задания и измерения температуры испытания 22, снабженным переключателем температуры, светодиод 19 и фотоприемник 20 связаны с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации 23, а электромагнитный привод 12 связан с блоком его управления 24. Указанные блоки 22, 23 и 24 связаны с блоком питания 25 и образуют систему автоматического управления процессом измерения вязкости. Техническим результатом является определение вязкости жидких сред при различных температурах, повышение точности измерений и автоматизации процесса измерения и упрощение конструкции. 3 ил.

Вибровискозиметрический датчик // 2574862

Изобретение относится к области определения вибрационным методом сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры. Вибровискозиметрический датчик содержит миниатюрный индуктивный датчик текущего положения миниатюрного зонда, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, включающую зонд, основание с двумя стойками, два упругих разнородных проводника, электромеханический вибратор. При этом разнородные проводники жестко скреплены со стойками и с поверхностью зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры, опорные спаи соединены с внешней стороны с металлическими стойками, электромеханический вибратор в виде телефонного капсюля вынесен за пределы вибродатчика и установлен с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием. При этом погружаемые в жидкость части датчика, по крайней мере упругие проводники и сферический зонд, имеют защитное пленочное покрытие. Техническим результатом является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости путем разработки вибровискозиметрического датчика с необремененной колебательной системой. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Грунтовый вискозиметр // 2578514

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения вязкости различных связных грунтов и может быть применено при проведении инженерных изысканий для строительства зданий и сооружений. Грунтовый вискозиметр представляет собой камеру стабилометра типа "Б", в котором боковые напряжения передаются на цилиндрический образец грунта через резиновую оболочку. Торцы камеры закрыты жесткими неподвижными фланцами. Вертикальное усилие прикладывается к вертикальному металлическому стержню, проходящему через центральную ось камеры прибора и образца. Стержень имеет свободный ход в вертикальном направлении и фиксируется к нагружающему устройству нагрузочной рамы. Техническим результатом является адаптация конструкции вискозиметра для определения вязкости грунтов, снижение трудоемкости исследований и расширение области применения для исследования реологических характеристик связных и несвязных грунтов. 3 ил.

Устройство сбора продуктов износа в жидкой смазке // 2584758

Изобретение относится к области исследования степени загрязнения легко текучих смазочных материалов продуктами изнашивания пар трения механических систем, например в двигателях, механизмах, машинах и приборах. Знание степени загрязнения легко текучих масел/смазок частицами износа пар трения и/или уплотнений (манжет, сальников и пр.) является весьма важной проблемой, техническое решение которой позволяет значительно повысить надежность работы важных механических систем. Устройство сбора продуктов износа в жидкой смазке содержит привод в виде электрического двигателя и полость для размещения испытуемой жидкости. При этом с целью сбора и анализа продуктов износа в жидкой смазке от пар трения подвижно сопряженных деталей устройство содержит мешалку, соединенную с валом двигателя, которая размещена в воронке конического вида с отсутствием касания мешалки, а в нижней части воронки имеется выпускное для масла отверстие, диаметр которого в точности совпадает с диаметром отверстия в открытом положении заглушки. Техническим результатом является экспресс-тестирование смазочного материала, а также возможность предотвратить аварийные отказы двигателей и иных объектов, использующих жидкую масляную систему смазывания подвижных сопряжений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.