Эластовискозиметр жидких материалов в потоке

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

4

/ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 18. 07. 78 (21) 2645009/18-25 (51) М. КЛ

С 01 и 11/10 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетГосуларственный комитет

СССР по лелам и юбре1ений и открытий

Опубликовано 150980. Бюллетень 1о 34

Дата опубликования описания 180980 (З) УАК 548.1З7. (088.8) (72) Авторы изобретения

М.С.Катков, Л.Б.Богатин, Е.В.Смородинов и- О.А.Станиславский (7!) Заявитель (54) ЭЛАСТОВИСКОЭИМЕТР ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ В ПОТОКЕ

Изобретение относится к технике измерения вязкоупругих свойств жидкостей, например, топлив на топливозаправочных станциях, и может быть использовано в системах управления технологическими процессами производства различных веществ, в частности в системах автоматической стабилизации вязкоупругих свойств при синтезе многокомпонентных смесей. 1О

Известен вискозиметр f1), содержащий коаксиальные внутренний и наружный цилиндрические элементы с кольцеобразным зазором между ними, выполненные с возможностью незави- 15 симого продольного движения, впускной и выпускной каналы для продольного движения жидкости по кольцеобразному зазору, средства для обеспечения продольного движения одного 20 из элементов и средства для наблюдения за создаваемым движением другого элемента.

Недостатками известного вискозиметра являются невысокая точность и узкий диапазон измерений реологических характеристик жидкости в потоке, обусловленные отсутствием в данном устройстве компенсирующих устройств. 30

Известно устройство для определения реологических характеристик жидкости в потоке (2) 1 которое является ближайшим к предложенному по технической сущности. Оно содержит корпус с вкодными и выходными патрубками, шток с укрепленной на нем набадкой, расположенный коаксиально с ней цилиндрический чувствительный элемент с 11ольцеобраэным зазором между ними, привод, преобразователи силы, относительного перемещения и скорости перемещения чувствительного элемента обратные преобразователи вязкости и модуля упругости, соединенные с усилительно-преобразовательными, исполнительными и регистрирующими блоками кайалов модуля упругости и вязкости, компенсатор гидравлического напора, блок управления и нуль-орган. При этом компенсатор гидравлического напора выполнен в виде яхонт с катушкой жестко связанного с цилиндрическим чувствительным элементом, и статора, закрепленного на корпусе, а блок управления в виде интегратора. Вход нуль-органа связан с преобразователем силы, а выход подключен ко входу блока управления, выход которого соединен с катушкой

763745 якоря компенсатора гидравлического напора. Обратные преобразователи вязкости и модуля упругости выполнены каждый в виде общего якоря с расположенной на нем катушкой обратного преобразователя вязкости и катушкой обратного преобразователя модуля упругости, а статоры жестко связаны с корпусом устройства.

Недостатками известного устройства являются малая чувствительность и невысокая точность измерений, обусловленные наличием гибкого элемента, который выполнен в виде конусообразного сильфона; связывающего цилиндрический чувствительный элемент с корпусом. Реакция чувствительного эле- 15 мента и колебания насадки определяются не только напряжениями сдвига в кольцевом зазоре,но и напряжениями, сжатия, величина которых пропорциональна поверхности.сильфона. Повыше- 2О ние чувствительности устройства связано с увеличением числа гофр сильфона, что вызывает увеличение его поверхности, следовательно, искажение результатов измерений. 25

В известном устройстве затруднено обеспечение строгой температурной стабилизации фотодиодов преобразователей. силы и перемещения в условиях изменяющейся температуры исследуемой жидкости, что приводит к изменению характеристик фотодиодов и снижению точности измерения.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений модуля упругости и вязкости жидких материалов в потоке.

Указанная цель достигается тем, что эластовискозиметр дополнительно снабжен опорой, установленной с воэможностью вращения, содержащей 40 двигатель с муфтой укрепленный на корпусе, ось с буртиками, связанную с корпусом через подшипники, и опоры в виде колец, укрепленных в держателях, подвижной крышкой связанной 45 с корпусом гибкой диафрагмой и с приводом, толкателем, втулкой и вспомогательной пружиной, причем толкатель жестко связан с держателями, укрепленными на чувствительном элементеу а через вспомогательную пружину .и втулку — с подвижной крышкой. При э1ом входной и выходной патрубки выполнены соосно и симметрично относительно чувствительного элемента, а преобразователи силы и относительного перемещения выполнены в виде световодов, разделенных шторкой, связанной с толкателем.

На чертеже приведена предлагаемая схема эластовискоэиметра жидких ма- ® териалов в потоке.

Корпус эластовискозиметра собран из трех цилиндрических секций, жестко свяэаниых между собой: рабочей 1, секций 2 и 3 компенсирующих устройств,<> и секции 4 измерительных преобразователей, которые герметично закрываются крышками 5 и 6, причем с крышкой 6 посредством диафрагма 7 связана подвижная крышка 8. Цилиндрический чувствительный элемент 9 выполнен коаксиально с рабочей секцией 1. Между наружной поверхностью элемента 9 и внутренней поверхностью секции имеется кольцевой зазор 10 с входным и выходным отверстиями, выполненными в виде входного 11 и выходного 12 патрубков, которые расположены соосно и симметрично относительно цилиндрического чувствительного элемента 9 и жестко связаны с рабочей секцией 1. На концах чувствительного элемента 9 запрессованы цилиндрические кольца (якоря} 13 и 14 с катушкой 15 якоря обратного преобразователя модуля упругости и катушкой 16 якоря обратного преобразователя вязкости.Катушки входят в кольцеобразный зазор, образованный полюсами статора 17 обратного преобразователя модуля упругости, имеющего катушку 18; и статора 19 обратного преобразователя вязкости, имеющего катушку 20, которые жестко связаны с секциями 2,3 компенсирующих устройств.

K внутренней поверхности цилиндрического чувствительного элемента 9 одним концом прикреплены симметрично расположенные держатели 21 и 22, в венцах 23 которых укреплены кольцевые каменные подшипники 24, выполненные, например из лекосапфира.

Внутренняя поверхность подшипников шлифуется и образует минимальный гарантированный зазор с буртиками

25 оси 26, которая укреплена в подшипниках 27, взаимодействующих наружными кольцами с цилиндрическими стенками 28 и 29. Стенка 28 крепится к внутренней поверхности статора 17 обратного преобразователя модуля упругости, а.стенка 29 — к корпусу эластовискозиметра. Через симметричные отверстия ЗО в стенке 28 входят пальцы толкателя 31, жестко связанные с держателем 21, а к другому концу толкателя 31 прикреплена шторка

32, расположенная .в зазоре между трубкамй световода 33 преобразователя перемещения и световода 34 преобразователя силы. Один конец световодов выводится в термостабилизированный блок 35 с фотодиодами 36 преобразователя перемещения и преобразователя силы, а другой конец — к источнику света 37 °

К внутренней стороне подвижной крышки 8 прикреплена одним концом втулка 38 с упором 39 на другом ее конце, связанным с симметрированной вспомогательной пружиной 40, расположенной на толкателе 31. E стенкам втулки 38 жестко прикреплены через

763745

5 (0

30 шайбы 41 трубки световода 34, которые жескто связаны с подвижной крышкой 8, а через отверстия в стенках втулки 38 свободно пропущены трубки световода 33, которые жестко связаны с крышкой б.

К наружной стороне подвижной крышки 8 прикреплен упор 42, связанный через кулачок 43 с приводом 44, и возвратные пружины 45.

К держателю 22 через кольцо 46 прикреплен якорь 47 преобразователя скорости, выполненный в виде постоянного магнита, статор 48 с катушкой

49 которого жестко укреплен иа стенке 29. Двигатель 50 укреплен на крышке 5 и через муфту 51 своим валом связан с осью 26.

Выход катушки 49 статора 48 преобразователя скорости связан со входом катушки 16 якоря обратного преобразователя вязкости через первый выход усилителя 52, второй выход которого связан с первым входом формирователя 53 сигнала вязкости, второй вход которого через первый выход усилителя 54 связан с .фотодиодами 36 преобразователя силы. Выход формирователя 53 сигнала вязкости через фильтр 55 связан со входом исполнительного устройства 56 канала вязкости, выполненного в виде интегратора, первый выход которого связан со входом катушки 20 статора 19 обратного преобразователя вязкости, а второй выход — со входом регистратора вязкости 57.

Выход фотодиодов 36 преобразователя перемещений связан со входом катушки 15 якоря обратного преобразователя упругости через второй выход усилителя 58, первый выход которого подключен к входу катушки 18 статора 17 обратного преобразователя упругости через последовательно, соединенные формирователь 59 сигнала модуля упругости, фильтр 60 и исполнительное устройство 61 канала модуля упругости, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости через второй выход усилителя

54 связан с выходом фотодиодов 36 преобразователя силы, а второй выход исполнительного устройства канала модуля упругости связан со входом регистра 62 модуля упругости.

Выводы электрических связей обратных преобразователей и преобразователя скорости проходят через стеклянные изоляторы, что обеспечивает полную герметизацию эластовискозиметра.

Эластовискозиметр жидких материалов в потоке работает следующим образом.

Включение двигателя 50 вызывает вращение оси 26 с большой скоростью, что приводит к взвешиванию (левита-.

dO

65 ции) цилиндрического чувствительного элемента 9, связанного с ее буртиками 25 через подшипники 24, и укрепленные в венцах 23 держателей 21 и

22, связанных с цилиндрическим чувствительным элементом 9.

Взвешивание приводит к ликвидации статического трения в опорах чувствительного элемента, поэтому при включении привода 44 через кулачок 43, упор 42, подвижную крышку 7, втулку

38 с упором 39 через пружину 40 начнутся колебания толкателя 31, а вместе с ним и цилиндрического чувствительного элемента 9. Сопротивление его движению практически будет отсутствовать.

Амплитуда и фаза выходных сигналов преобразователей силы, перемещения и скорости перемещения будут определяться амплитудой, частотой колебания привода 44, упругостью вспомогательной пружины 40 и массой перемещающегося чувствительного элемента и связанных с ним деталей.

Фильтры 60 и 55 настраиваются таким образом, что при отсутствии исследуемой жидкости на их выходах сигналы равны нулю. Это обусловит отсутствие тока в катушке 18 статора

17 и катушке 20 статора 19 обратных преобразователей модуля упругости и вязкости.

При подаче исследуемой жидкости в кольцевой зазор 10 и перемещении ее от входного патрубка 11 к выходному 12 возникает сила сопротивления сдвигу, приложенная к цилиндрическому чувствительному элементу, которая обусловлена ее вязкоупругими свойствами. Постоянная составляющая смещения чувствительного элемента, обусловленная гидравлическим напором, будет отсутствовать, так как жидкость равномерно распределяется по зазору 10, а входной и выходной патруоки соосны и расположены симметрично относительно чувствительного элемента. Возникаккцая сила сопротивления сдвигу, обусловленная вязкОупругими свойствами жидкости, вызовет изменение амплитуды и фазы выходных сигналов преобразователей силы, перемещения и скорости перемещения.

При этом на выходе фильтра 60 появится сигнал, пропорциональный модулю упругости, так как в формирователе

59 сигнала модуля упругости происходит перемножение сигнала, пропорционального коьгллексному модулю, на сигнал перемещения, пропорциональный активной составляющей комплексного модуля. Это обусловит появление тока на выходе исполнительного устройства 61, а следовательно, и в катушке 18 статора 19 обратного преобразователя модуля упругости, причем полярность его такова, что возникаю763745 щая электромагнитная сила связи якоря 13 чувствительного элемента 9 и статора 17 направлена встречно возникающему сопротивлению исследуемой жидкости. Ток в катушке 18 будет изменяться до тех пор, пока полностью не будет скомпенсирована сила активного сопротивления движению чувствительного элемента. При этом регистратор 62 зафиксирует величину, пропорциональную модулю упругости жидкости, В формирователе 53 сигнала вязкости происходит перемножение сит.нала, пропорционального комплексному модулю на сигнал скорости перемещения, Р л сдвинутый на угол е /2 по отношению к сигналу перемещения. Следовательно, на выходе фильтра 55 появится сигнал, пропорциональный реактивной составляющей комплексного модуля, т.е. вязкости жидкости, который вызовет изменение тока в катушке 20 обратного преобразователя вязкости.

Знак этого тока определит направление магнитного потока статора 19 таким образом, что возникающее в якоре

14 усилие будет направлено встречно вязкому сопротивлению перемещения чувствительного элемента в жидкости.

Изменение этого тока будет происходить до тех пор, пока полностью не скомпенсируется сила вязкого сопротивления и сигнал на выходе фильтра

55 не станет равным нулю. При этом сигнал на выходе исполнительного устройства 56 канала вязкости зафиксируется в регистраторе вязкости 57.

Передача сигналов, пропорциональных усилию и йеремещению с помощью светодиодов дистанционно позволяет обеспечить автономность фотодиодов и источника освещения и воэможность их температурной стабилизации. Bio обеспечит стабильность их динамических и статических характеристик и, следовательно, повысит точность измерений.

Использование эластовискозиметра в контрольно-измерительных системах стационарных заправочных станций летательных аппаратов позволяет значительно повысить точность бортовых топливоиэмерительных систем за счет введения дополнительной информации с реологических характеристик топлива. Это обеспечит. не только экономию горючего в процессе полета, но и повысит полезную нагрузку летательного аппарата, увеличив тем саМым экономическую эффективность полетов.

Формула изобретения с

Эластовискозиметр жидких материалов в потоке, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, цилиндрический чувствительный элемент, 10 расположенный коаксиально в корпусе, привод, преобразователи силы относительного перемещения и скорости перемещения чувствительного элемента, обратные преобразователи вязкости и модуля упругости, связанные с усилительно-преобразовательными, исполнительными и регистрирующими блоками каналов модуля упругости и вязкости, при этом обратные преобразователи модуля упругости и вязкости выполнены в виде общего якоря с катушками, жестко связанного с чувствительным элементом, а статоры жестко связаны с корпусом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он снабжен опорой, установленной с воэможностью вращения, со держащей двигатель с муфтой, укрепленный на корпусе, ось с буртиками, связанную с корпусом через подшипники,, каменные опоры в виде колец, укрепленных в держателях, подвижной крышкой, связанной с корпусом гибкой диафрагмой и с приводом, толкателем, втулкой и вспомогательной пружиной, причем толкатель жестко связан с держателями, укрепленными на чувствительном элементе, а через вспомогательную пружину и втулку — с подвиж4Q ной крышкой, входной и выходной патрубки выполнены соосно и симметрично относительно чувствительного элемента, а преобразователи силы и относительного перемещения выполнены в ви45 де световодов, Разделенных штоРкой, связанной с толкателем.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании 9 1227737, 5О кл. 6 01 и 11/00, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР

М 2427199, кл. G 01 N 11/10, 07.12.76 (прототип), 763745

Составитель В.Вощанкин

Редактор Т.Орловская Техред E.Ãàâðèëåøêî Корректор Е.Папп

Эаказ 627 36 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП"Патент, r.Óæãîðoä, ул.Проектная,4