Ротационный электровискозиметр

 

Союз Советскмх

Соцнаинстмческнх

Республик

ОЛИСАНИЕ (61) Дополнительное к авт. свиа-ву (22) Заявлено 12. 01. 8 l (21) 3235132/18-25 с прнсоелиненнем заявки,% (23) Приоритет

Опубликовано 07. 08. 82. Бюллетень .% 29

Дата опубликования описания 08. 08,.42»

1 (5I)M. Кл.

G 01 N 11/14

Рпударстеснный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 548.

137 (088. 8) тi "c

":у ° 4.- 7г ..

: .1о

А. С. Плехов, М. Я. Эйнгорин и В.Д. Крутогрлов

" М у

" Jc jjQ

Горьковский исследовательский физико-техн и институт при Горьковском государственном университ им. Н.И. Лобачевского (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) РОТАЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОВИСКОЗИМЕТР

Изобретение относится к приборам для измерения вязкости и излучения реологических характеристик жидких сред.

Известен ротационный эластовискозиметр, содержащий две рабочих поверхности, одна из которых связана с приводом, а другая — с силоизмерителем, выполненным в виде электромагнитного преобразователя, катушка намагничивания которого соединена с регулируемым источником питания, а исполнительная катушка соединена, через усилитель, с уравновешенным мостом, в одно иэ плеч которого включен датчик смещения.

Датчик смещения, жестко связан с траверсой, укрепленной на измерительном валу, и включен в плечо уравновешенного моста переменно-го тока. Такая конструкция датчика обусловливает обратное воздействие преобразователя неравновесия — уравновешенного моста на датчик, что

2 снижает чувствительность эластовискоэиметра, уменьшает его точность из-за наличия составляющей момента уравновешивания, не измеряемой вторичным прибором.

5 Намагничивающая катушка этого прибора соединена с регулируемым источником питания, синфазным с напряжением питания уравновешенного моста преобразователя неравновесия.

Исполнительная катушка электромагнитного преобразователя уравновешивания подключается на выходное напряжение усилителя, фаза которого меняется в зависимости от положения индукционного датчика неравновесия(1)

Поскольку вторичный прибор не разделяет квадратурные составляющие тока в исполнительной катушке, то показания его будут нелинейны.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению, является ротационный вискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр, внутрензв

3 ago ний цилиндр, преобразовав тсль еравновесия, поеобразователь уравн звешивания и Отсчетное устройство.

Функцию преобразователя неравновесия B данном приборе выполняют автОГенератОр, модуллтОр,, зг1екTðO магнит., c!!ГЬIальнля ОбмОTка 1- а рамке, усилитель низкой частоты„ фазовращ тель, фазовый детектор и усилитель постоянного тока, Функци1о же преобразователя уравновешивания выполняют электромагнит, исполнительная обмотка на рамке, соединенная с коммутируемым сопротивлением $2 $.

К недостаткам известного вискозиметра следует отнести то, что к егс рамке прикреплены три токоподвода,, что значительно снижает чувствительность прибора, а для обеспечения точности и повторяемости показаний„ токоподводы изготовлены иэ материала с механическими свойствами, инвариантными к окружающей темг,ературе, Лвтсгенератор известного вискозиметра весьма стабильнь1й, ибо, в противном случае, фаэовращатель имеет частотно-зависимый фазовый сдвиг„ приводящий к изменению начальных словий. Это обстоятельство,. а также температурная и временная нестабильность параметров модулятора, фазовращателя и фазового детектора снижают точность и стабильность измерений.

Компенсационный ротаgvloHHLIЙ вvic козиметр построен по методу астатического уравновешивания измеряемого момента вязкостного трения. При постоянной величине момента вяэкостного трения система уравновешивания не имеет статической ошибки. Но при исследовании зависимости напряжения сдвига от скорости деформации на вход вискозиметра подается измеряемый момент вяэкостного трения, изменяющийся примерно с постоянной скоростью

H g ) = „+ Hg

Q где М вЂ” постоянная составляющая моЧ, мента вязкостного трения:

М - скорость изменения измеря-! емого момента.

В этом случае появляется скоростная ошибка, величина которой зависит как от скорости деформации, так и от исследуемой жидкости, что делает невозможным коррекцию этой ошибки при градуировке. Повысить точность изме-. рительного прибора можно только повышая 100Rдок астатлзма системы уравновешивания.

Вь1ходной ток в известном вискозиметре нели1 ейно зависит от угла поворота BOcпри1 имающего цилиндра. Поскольку уравновешивание статическое, то нелинейность датчика преобразоватЕЛЯ НЕРаЭНОВЕСИЯ ВЫРажаЕTСЯ В НЕЛИ;-e=lH0cTH шкалы порядка С, qi. г1днако если погрешность измерения вязкости, обусловленная отклонением скорости вращения привода внешнего цилиндра от номинальной, составляет не более

0,2 . при лспользовании синхронног0 двигателя,. Одкл.BHeHHOI 0 к í=-пряжеНИЮ РОМ!- Ю! Е .1НОЙ C ЕТИ,, TO "10; 3. ШНОСТ Ь

01 нели1-. ейности составляB евесьма зна 1ительную величину.

В ис-олнительной обмотке, Находящейся на одной рамке с сигнальной

Обмоткой., наводится напряжение высокой частоты и BbläåJlÿетсp. на коммутируемом рез.1стсре, годключенном на вход образцового вольтметра, который,. будучл цифровым, имеет на входе спе-циальный фильтр, вносящий дополнительную погрешность.

При изученли деформационных свойств упругих жидкостей на процессе перехода Håðå3 предел прочности очень сильное влляние может оказывать жесткость лзмерительного устройства., малое значение которой может способствовать силь,- ому flGBbliUBHMÿ скоросTи деформации. При изучении жидкостей с высокой скоростью релаксации напряжения сдвига уравновешивающее устройство

oтличастся высокой жесткостью, одна ". .О в изBестHos вискозимстрс жBcт кость, определяемая быстродействием системы автоматического уравновешивания, не может обеспечить стабилизацию скорости деформации сдвига.

Цель изобретения — повышение точности измерения вязкости и улучшение динамических характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в ротационном злектровискозиметре, содержащем вращаемый внешний цилиндр с исследуемой жидкостью, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравновешивания и отсчетное устройство, преобразователь неравновесия содержит два автогенератора, частотно-задающ1ие элементы которых выполнены в виде двух пар пластин, между которыми помещена "àêðåïëåííàÿ на оси внутреннего цилиндра круглая пластинка

9"94 с симметричными вырезами, два тактирующих устройства, генератор тактовых импульсов и реверсивный счетчик, причем выход каждого автогенератора соединен с одним из входов соответствующего тактирующего устройства, другие входы которого соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы тактирующих устройств подключены к разным входам реверсив- 10 ного счетчика, выход которого соединен с входом отсчетного устройства, преобразователь уравновешивания содержит преобразователь цифрового кода в ток, выход которого соединен с обмоткой уравновешивания, расположенной под углом к оси полюсов кольцевого магнита, закрепленного на одной оси с внутренним цилиндром, вход преобразователя цифрового кода в ток подключен к выходу реверсивного счетчика.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. 25

Схема содержит внешний вращаемый цилиндр 1, внутренний цилиндр

2, кольцевой магнит 3, обмотку 4 уравновешивания, ось 5, круглую пластинку б с вырезами, частотнозадающие элементы 7, автогенератор

8, преобразователь 9 цифрового кода в ток, цифровое отсчетное устройство

10, тактирующие устройства 11, ревер сивный счетчик 12, генератор 13 тактовых импульсов, тактирующее устройство 14, автогенератор 15, частотно-задающие элементы 16 и несущую рамку 17.

К синхронному электроприводу подсоединен внешний цилиндр 1, в котором размещен внутренний цилиндр

2. Внутренний цилиндр 2, жестко связан с кольцевым магнитом 3, закрепленным на оси 5, которая установлена на несущей рамке 17. На оси

5 закреплена круглая пластинка 6, имеющая вырезы, расположенные симметрично по диаметру и находящиеся между пластинами двух пар конден саторов частотно-задающих элементов

7 и 16 автогенераторов 8 и 15. Выходы автогенераторов 8 и 15 соединены соответственно с входами тактирующих устройств ll и 14, на другие входы которых подключены выходы генератора 13 тактовых импульсов. Выходы тактирующих устройств подключе- ны на входы прямого и обратного сче17 б та резерсивного счетчика 12. Выход счетчика 12 соединен с входами цифрового отсчетного устройства 10 и преобразователя 9 цифрового кода .в ток, который связан с обмоткой 4 уравновешивания и вместе с ней и кольцевым магнитом 3 составляет преобразователь уравновешивания.

Измерение вязкости предлагаемым вискозиметром осуществляется следующим образом.

Исходное положение подвижной части преобразователя неравновесия обуславливает такое состояние емкостных частотно-задающих элементов 7 и 16, при котором частоты автогенераторов.

8 и 15 равны с„ =, (1) где Г и f - соответственно частоты импульсов на выходах автогенераторов.

Поэтому состояние реверсивного счетчика 12, отражаемое цифровым отсчетным устройством 10, определяется выражением

t„

Й = ) . ф - fД ) Bt= 0, (t)

0 где Й - состояние счетчика; время измерения, равное периоду между двумя несовпадающими тактовыми импульсами генератора 13.

В этом случае / N=O / ток на выходе преобразователя 9, протекающий через обмотку 4 уравновешивания, также равен нулю

1„=0 (3)

Таким образом, уравновешивающий момент, обусловленный током уравновешивания 1 и магнитным потоком Ф кольцевого магнита 3 также равен нулю

М =1,„ц) i (4) где М/ - число витков обмотки уравновешивания;

Ч вЂ” угол поворота подвижной части чувствительного элемента вискозиметра.

Исходное положение, при котором выполняется условие (1) устанавливается автоматически, так как только в этом случае выполняется равенство (3), обеспечивающее Н, =О, а значит, и неподвижность оси 5 внутреннего цилиндра.

При работе вискозиметра внешний цилиндр 1 с исследуемой жидкостью

9 9<11"

8 приводится во вращение с постояннои скоростью,. напр;;мер, синхронным электроприводом с<« cтупенч.--.=:, упр- Вг:ением ci

ВнуTpÃннегс !;I!;! ..;-;J!p." °: .О:-1(и г Вязксстного трен i;- 1-,. г1р .В<-.<1i".ò Во ВоащаЕЛ Ь НОЕ Ji B!!!l! Е11,) Е Г !С,— ВИжн г O Ча< 1 преобразователя ;imp-.=1- a=:ccpëi ос! с диском Ь. а .:О-1<,1<с за .<О-: ле:н.-.й на ь1еи коль цевои маг;-ит

При псвоооте Bолвижно1 никают "слОБия. заставляющи= час то 7 но-задающие элеме ITbi и 16 изменить частоту автогенераторов 8 и 1 . Частота импульсов на Вь1ходе -BHàратора

1 5 6Ольше ча-TGTÜ I i 1 Вы,<од< -" 1е

ТОра 8 ffq7 f ) . В ЭТОМ СЛ "ч ние счетчика 12 изменяется з сос— ветстви.. с,выражением

И= 1Ы„- <11сИ., 151 элемента в !!cходHoc. положение, при котором f =-Г,. Отсчетное цифровое устройство i": отображает число импульсов, зафиксированнь1х,счетчиком„ а значи т и -IpGJ!op:.:Iioíàëb Hb!é ему момент у раз но В вши В а ИЛ Я, ра B Hbll момеь-: ту вязкостного TðåHHB

Б,, (! !,-1,, ь:) 1 ;@,1! i; (t (p) ф(-1;. 1 (g).,:-":- -1 г".! ÀB Я ..— И -, цвг адМЫ6;:!C!1.-Н т Вя З кост -«ого трения;, передаточн:-я функция описываю.1ая движение подвиж 1-1ой ча . vi чу в 1""

ЯИтюд Н,-1 О дПРмc нта+

1< О э ф <11 и ц и е н и = Р 1 а -""

«0 преоб1>азoвателя неравНОВЕСИЯ; оператор преобразования

Лапласа; кОэффициент передачи

$C преобразователл уравно- " вешивания; разность частот автогенераторов„

g f=fg-f,, до того момента t .., .при;o-;-ором частоты генераторов сравняю-.::„;. Г; ==!г.

Такой момент непременно Hа:.ò"óï;"- .т, поскольку в соотвстствии с кодом на входе преобразователя 9,. Определяемым счетчиком 12, увеличивается то <

УРаВНОВЕШИВаНИЛ и СОЗДВЕТСЯ УРВВНО-ЗО вешивающии момент 11,1, которыи Возвратит подвижную часть чувс-;Вительного разность моментов, действующих на подвижную д М вЂ” 1:1-М, 1. часть чуBcTB -ель Iol o элемента.

Тактирующие уСтройства 11 и 14 BI B T i-I H I< B l 2 и у

ТЕМ УСТРВНЕНИЯ СОВП аД ВЮЩ И "". .!:!<-! y Bb—

СОВ частот Гл л Г2, Та:<т; р.:ющие устройства привязывают лмпупьсы а.-:тогенераторов 8 и 15 к двум оаЭОВ==.òÅËB НЕРаВНОВЕСИЯ Нг гОДВИ11

В общуlo погрешность пр -.бора не входят по;-решности из-за температурной ч Временной нестабильности паране- . вЂ, -.:, "BeoopaanBBTBJ!J! уравновеши6i:.: — Вебов з ни и к Toч нос т и и стабиль.-1ости автогеHåðàтаров л TàктирующеГО ГЕ IBPBTOPB, Примененис Ви козиметра при исслеДОВВНИЯХ РЕOJIOI È×BCÊHХ Vi iДЕфОРМВЦИ

Онных харакiеристик неньютоновских

>1<идкостей повышает точность измерения из-за Отсутствия скоростной

Ошибки, что обеспечивается повышением астатизма системы уравновешивания измеряемого момента.

Распределение индукции вдоль дуги

-:-.ольцевого магнита, намагниченного

В диаметральном направлен . и, описы:— :ветс; .з-.ависимостью

3 = В СОВ 81 (:) где В-, - максимальное значенле индукции в направлении оси намагниченности;

0 — угол, отсчитываемый по цуге -т этой оси.

Поскольку Р измеряется В тех же единицах, что и V, .то d8=dV и угловой градиент магнитного поля

4Ф/Й Р., входящий в выражение для момента уравновешивания (4), определяется

84 дФ» д,р = gg =- Фщ $1п -, (Q) Отсюда видно, что момент уравновешиванил зависит от положения подследоEательHocTям несовпадающих тзктовь1х импульсов, вырабатываемых генератором 13.

В предлагаемом вискозиметре Отсчт949417

10 вижнои части чувствительного элемента и эта зависимость сказывается на переходном процессе уравновешивания. Чтобы исключить влияние зависимости момента уравновешивания от угла поворота подвижной части на круглой пластинке б сделаны вырезы таким образом, чтобы разность частот автогенераторов зависела от угла поворота согласно уравнению аf=àãñûп Ю (9)

Этим повышается устойчивость и точность вискозиметра в переходных режимах уравновешивания.

Указанная зависимость (4) момента уравновешивания от угла поворота подвижной части используется для стабилизации скорости деформации при измерении момента вязкостного трения жидкостей с высокой скоростью релаксации напряжения сдвига. Обмотка 4 уравновешивания и кольцевой магнит 3 расположены таким образом, что при движении внутреннего цилиндра под действием момента вязкостного трения угловой градиент магнитного поля полюсов кольцевого магнита, разноименных с близлежащими полюсами обмотки уравновешивания, увеличивается, т.е. с1Ф/dV возрастает с увеличением М,„. Это обстоятельство приводит к тому, что даже при неизменном токе уравновешивания, который из-за инерционности системы уравновешивания не может мгновенно изменяться, подвижная система обладает жесткос35 тью, необходимой для стабилизации скорости деформации.

Погрешность вискозиметра в установившемся режиме и в режимах реальных

46 скоростей изменения напряжения сдвига исследуемых жидкостей определяется только погрешностью преобразователя цифрового кода в ток. При использовании типовых цифро-аналоговых преобра45 зователей, построенных на интегральных схемах, эта погрешность находится в пределах 0,053.

Таким образом, в предлагаемом изобретении значительно повышена точность измерения вязкости и обеспечено улучшение динамических характеристик.

Данный электровискозиметр предназначен для изучения реологических характеристик структурированных жидкостей. Наличие цифрового выхода результатов измерений позволяет использовать для обработки этих результатов цифровую вычислительную машину, формула изобретения

Ротационный электровискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравновешивания и отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений вязкости и улучшения динамических характеристик, преобразователь неравновесия содержит два автогенератора, частотно" задающие элементы которых выполнены в виде двух пар пластин, между которыми помещена закрепленная на оси внутреннего цилиндра круглая пластинка с симметричными вырезами, два тактирующих устройства, генератор тактовых импульсов и реверсивный счетчик, причем выход каждого автогенератора соединен с одним из входов соответствующего тактирующего устройства, другие входы которого соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы тактирующих устройств подключены к разным входам реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом отсчетного устройства, преобразователь уравновешивания содержит преобразователь цифрового кода в ток, выход которого соединен с обмоткой уравновешивания, расположенной под углом к оси полюсов кольцевого магнита, закрепленного на одной оси с внутренним цилиндром, вход преобразователя цифрового кода в ток подключен к выходу реверсивного счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

11 301598, кл. G О1 N 11/14, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР и 702269, кл. G 01 N 11/14, 1972 (прототип), 9494 7

Составитель В. Алексеев

Редактор Н. Рогулич Техред С,Мигунова Корректор A. Гриченко

Заказ 5732/27 Тираж 7 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 филиал ППП нПатент, г. Ужгород, ул. Проектная,