Вибровискозиметрический датчик



Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик
Вибровискозиметрический датчик

 


Владельцы патента RU 2574862:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

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.

 

Изобретение относится к области определения вибрационным методом сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры.

Прототипом изобретения является устройство для исследования теплофизических свойств жидкости по патенту РФ № 2263305.

Известный вибровискозиметр, представленный на фиг. 1, состоит из металлического внутреннего корпуса, в котором смонтированы возбудитель колебаний механической колебательной системы и индуктивный датчик текущего пространственного положения колебательной системы. С якорем колебательной системы соединен капилляр, например, из стекла или керамики, который служит проводником механического воздействия от якоря к шарику-зонду, погружаемому в исследуемую жидкость и жестко закрепленному на конце указанного капилляра. Металлические проводники термопары, встроенной в зонд, пропущены через капилляр и выведены за пределы колебательной системы. Упругими элементами колебательной системы являются струны, жестко закрепленные на внутреннем корпусе. Вибровискозиметр имеет систему термостатирования внутреннего корпуса, позволяющую поддерживать постоянную температуру элементов колебательной системы вне зависимости от температуры окружающей среды и температуры исследуемой жидкости. Термостатируемые элементы вибровискозиметра окружены термоизоляцией, которая одновременно обеспечивает виброизоляцию и демпфирование колебаний внутреннего корпуса вибровискозиметра. Окруженный слоем термоизоляции внутренний корпус помещен в наружный корпус (не показан). Наружный корпус закрепляется на устройстве позиционирования, обеспечивающем возможность периодического размещения шарикового зонда внутри кюветы. Электронный блок вибровискозиметра обеспечивает возбуждение колебательной системы на ее резонансной частоте и задает амплитуду вынуждающей силы. При этом имеется возможность устанавливать амплитуду вынуждающей силы, не зависящей от амплитуды колебаний зонда вибровискозиметра.

Описанный датчик за счет малого диаметра сферического зонда, изготовленного из металла с высокой теплопроводностью, обеспечивает высокую пространственную локальность измерения текущей сдвиговой вязкости и температуры жидкости, обладает малой тепловой инерцией.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность вибровискозиметрического датчика к малым текущим изменениям вязкости исследуемой жидкости. В первую очередь это связано с малой площадью поверхности зонда и со значительной колеблющейся массой колебательной системы, включающей в себя помимо зонда малого диаметра такие обременяющие элементы, как якорь устройства возбуждения, якорь датчика положения зонда, шток-капилляр с проводниками термопары. Масса этих дополнительных элементов, обременяющих зонд, во много раз превосходит массу зонда.

Покажем влияние диаметра зонда устройства-прототипа с обремененной колебательной системой на чувствительность датчика к вязкости исследуемой жидкости.

Пусть масса миниатюрного зонда равна m, а масса дополнительного обременения колебательной системы равна М, при этом М>>m. Сферический зонд колеблется в жидкости вязкостью η на резонансной частоте f с амплитудой А. В соответствии с уравнением Стокса сила вязкостного трения FT для шарика диаметром d, движущегося со средней скоростью v ¯ в жидкости, будет равна:

Значение v ¯ за период колебаний Т будет равно:

здесь ω - угловая частота, равная ω=2πf.

Энергия ET, переданная зондом в жидкость за время Т на вязкое трение с учетом (1), (2), будет равна:

Энергия Екс, запасенная в колебательной системе за период Т, будет равна максимальной кинетической энергии движущейся общей массы (М+m) колебательной системы с максимальной скоростью Vmax. Она определяется выражением:

При гармоническом движении зонда Vmax равна:

Из (4) и (5) следует:

Коэффициент влияния Кп размеров зонда на чувствительность вибровискозиметрического датчика можно задать как отношение энергий ET и Екс:

Выражение (7) показывает, что чувствительность вибровискозиметрического датчика с обремененным сферическим зондом малого диаметра почти прямо пропорциональна диаметру зонда, что определяет главный недостаток прототипа.

Технической задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости путем разработки вибровискозиметрического датчика с необремененной колебательной системой.

Заявляется вибровискозиметрический датчик, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы.

В отличие от прототипа, на основании жестко закреплены две жесткие металлические электрически изолированные от основания стойки и миниатюрный индуктивный датчик пространственного положения зонда, а механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленные на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенные вместе и жестко закрепленные на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры зонда. Возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибровискозиметрического датчика (далее вибродатчика) и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием; при этом с внешней стороны металлические стойки электрически соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры вибродатчика.

Предпочтительными конструктивными решениями являются:

- выполнение возбудителя колебаний в виде телефонного капсюля;

- выполнение зонда из никеля или железа;

- выполнение упругих проводников как элементов колебательной системы и как элементов термопары в сочетании железа и константана;

- наличие защитного пленочного покрытия для погружаемых в исследуемую жидкость частей вибровискозиметрического датчика. По крайней мере, эта рекомендация касается упругих проводников и сферического зонда. На применение пленочного покрытия указано также и в прототипе. Но ввиду применения в вибродатчике иных, чем в прототипе, материалов, ввиду увеличения числа элементов, погружаемых в жидкость, указание на защитное пленочное покрытие обеспечивает сохранность погружаемых элементов вибродатчика и его длительную надежную работу.

На чертежах представлены: на фиг. 1 - устройство колебательной системы прототипа; на фиг. 2 - схема заявляемого вибродатчика.

Жесткое, керамическое или текстолитовое, изоляционное основание 1 вибродатчика выполнено, например, в виде диска. С основанием 1 жестко соединены две жесткие металлические (проводящие) электрически изолированные от основания (с обеспечением электробезопасности) стойки с выступающей вниз частью 2. При проведении исследования жидкости выступающие стойки задают глубину погружения вибродатчика в кювету 3 с жидкостью 4. Упругие проводники 5 и 6 из разнородного материала одновременно являются термопарным измерителем температуры зонда, а также являются составной частью механической колебательной системы вибродатчика, которая также включает зонд 7, основание 1 и стойки 2. Измерительный спай 8 двух проводников 5 и 6 соединен с сферическим зондом 7 диаметром 2-3 мм, а опорные спаи проводников 5 и 6 соединены электрически и механически жестко с соответствующими стойками 2. Электрические выводы 9 и 10 обеих стоек 2 служат для измерения сигнала термопары, соответствующего температуре зонда в локальной области жидкости. Выводы 9, 10 вынесены за пределы датчика и находится во внешнем термостате.

Сферический металлический зонд 7 выполняют из никеля или железа. Сочетание пары гибких проводников из железа и константана целесообразно ввиду того, что эти материалы обеспечивают хорошие механические свойства упругих элементов и высокую термоэлектрическую чувствительность.

Индуктивный датчик 11 пространственного положения зонда в виде миниатюрного незамкнутого ферритового сердечника с обмоткой 12 изолированным проводом жестко закреплен на основании 1 и расположен над зондом 7 с обеспечением измерительного зазора δ, который периодически изменяется при колебаниях зонда в вертикальной плоскости. Изменение величины зазора изменяет индуктивность обмотки 12, что позволяет определять изменение текущего пространственного положения зонда 7 относительно его исходного положения. Сигналы с выводов обмотки 12 индуктивного датчика и выводов 9, 10 термопары измеряются и преобразовываются с помощью устройства регистрации с использованием микроконтроллера (на фигуре не показано как общеизвестное и не влияющее на функционирование собственно датчика). Для повышения чувствительности индуктивного датчика 11 целесообразно зонд 7 выполнять из ферромагнитного металла, например никеля или железа.

Для защиты элементов 5, 6, и 7 от возможного химического воздействия на них исследуемой жидкости предлагается использовать защитное пленочное покрытие этих элементов.

Возбудитель колебаний 13 механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического широкополосного миниатюрного вибратора. Широкополосный вибратор позволяет изменять частоту колебаний и использовать его для обеспечения резонансной частоты колебаний при изменении состава или температуры исследуемой жидкости. Например, вибратор выполняют в виде телефонного капсюля, вынесенного за пределы вибродатчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием 1- на фигуре показана условная акустическая связь 14.

Верхняя часть основания 1 имеет термо- и виброизоляцию 15. Нижняя часть основания вибродатчика в режиме измерения вязкости исследуемой жидкости погружается в кювету 3 с внутренним диаметром, чуть превышающим размер основания 1 на величину зазора свободного погружения вибродатчика. В режиме измерения зонд и проводники 5, 6 полностью погружены в жидкость, что обеспечивается надлежащим размером стоек 2.

Механические колебания заданной частоты и амплитуды передаются от электромеханического вибратора 13 через акустическую связь 14 на основание 1 и вызывают в исследуемой жидкости колебания измерительного зонда 7 с амплитудой А и заданной частотой ω.

Коэффициент влияния Кз предложенного зонда на чувствительность датчика по сравнению с прототипом существенно возрастает. В этом случае масса дополнительного обременения колебательной системы М<<m, и из (7)следует:

Сохраняя значения η, d, ω и m, получим значение относительного выигрыша D по чувствительности заявляемого датчика:

При использовании измерительного зонда диаметром 2-3 миллиметра величина D может составлять несколько десятков, что подтверждает существенное повышение чувствительности заявляемого вибровискозиметрического датчика по сравнению с прототипом.

Предлагаемый вибровискозиметрический датчик, обеспечивая высокую чувствительность к текущим изменениям вязкости жидкости, а также измерение текущей температуры жидкости в локальной зоне измерения вязкости при работе с пробами жидкости малого объема, может успешно использоваться как в переносных компактных вибровискозиметрах, так и, в первую очередь, при инженерной реализации устройства-прототипа по патенту 2263305.

1. Вибровискозиметрический датчик, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы, отличающийся тем, что на основании жестко закреплены две жесткие металлические электрически изолированные от основания стойки и миниатюрный индуктивный датчик пространственного положения зонда, а механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленные на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенные вместе и жестко закрепленные на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры, а с внешней стороны металлические стойки электрически соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры зонда, при этом возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибродатчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием.

2. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что возбудитель колебаний выполнен в виде телефонного капсюля.

3. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что зонд выполнен из никеля или железа.

4. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что упругие проводники выполнены из железа и константана.

5. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что погружаемые в исследуемую жидкость части датчика, по крайней мере упругие проводники и сферический зонд, имеют защитное пленочное покрытие.



 

Похожие патенты:

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.

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

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

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.
Наверх