Электровискозиметр

 

(72) Автор изобретеиия

А.t;. Плехов

Горьковский исследовательский физико-т при Горьковском государственном универ им. Н.И. Лобачевского 1 ститут (7l ) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОВИСКОЗИИЕ JP

Изобретение относится к устройствам для непрерывного измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей и предназначено для исследования реологических свойств жидкостей, вязкость которых меняется в широком диапазоне.

Известен ротационный вискоэиметр непрерывного действия, содержащий вращаемый внешний цилиндр с исследуемой жидкостью, в которую погружен внутренний воспринимающий цилиндр.

В качестве чувствительного элемента, обладающего линейной характеристикой, применен асинхронный двигатель, работающий в статическом режиме. При измерении вязкости, создаваемый асинхронным двигателем, момент И (U ) уравновешивает момент сопротйвления

И на внутреннем цилиндре, на кото20 рйй действуют силы вяэкостного трения. Параметром, коррелирующим с вязкостью, является напряжение питания обмотки управления U>, причем это на2 пряжение в момент измерения вязкости ей пропорционально только при условии нахождения ротора двигателя в неподвижном состоянии.

Для слежения эа параметром, коррелирующим с вязкостью, в преобразователе применены узлы и блоки серийных регулирующих устройств РУ5-02: воспринимающая головка из фотосопротивления и осветительной лампы, усилитель с мостом на входе и следящий реверсивный двигатель, которые вместе составляют преобразователь неравновесия внутреннего цилиндра Г13.

При величине вязкости, отличной от нуля, внутренний цилиндр поворачивается, в результате этого изменяется освещенность фотосопротивления, что является причиной раэбаланса мост -1 на входе усилителя, который приводит во вращение следящий реверсивный двигатель, с осью которого cBRзан подвижный контакт автотрансформатора. Следящий двигатель вращается

949418 до тех пор, пока за счет напряжения управления на уравновешивающем асинхронном не возникнет момент

Ис я, равный моменту сопротивления на внутреннем цилиндре. Выходным сиг5 налом является угол поворота подвижногo контакта автотрансформатора, образующего вместе с асинхронным двигателем преобразователь уравновешивания.

1Q

Известный вискозиметр представля ет собой астатическую систему автоматического регулирования положения ротора асинхронного двигателя чувствительного элемента. Подвижная система известного вискозиметра динамически является апериодическим звеном второго порядка, передаточная функция которого описывается уравнением где f(p ) — угол поворота подвижной системы;

ЬH(p)=M<(p}- регулирующий момент, - N

Лапласа;

P — - коэффициент успокоения, который, если пренебречь воздушным успокоением и, в первом приближении, успокоением, вызванным токами в полом роторе асинхронного двигателя, определяется зависимостью

P = К - 1 (22 где К вЂ” коэффициент, зависящий от геометрических размеров измерительных цилиндров; вязкость исследуемой жидкости.

Из выражения (22 видно, что коэффициент успокоения P подвижной части прибора, а следовательно, и его динамические характеристики зависят от вязкости измеряемой жидкости, величина которой заранее не известна.

Поэтому для осуществления известной схемы автоматического измерителя вязкости необходимо принимать дополнительные меры с целью обеспечения устойчивости системы уравновешивания.

Известный прибор не обладает запасом устсйчивости Во всем диапазоне измеряемой вязкости, а при измерении изменяющейся во времени вязкости точность его показаний будет низкой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является электровискоэиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр с исследуемой средой, внутренний цилиндр, укрепленный на подвижной катушке, преобразователь неравновесия, преобразователь уравновешивания и отсчетное устройство, причем преобразователь неравновесия содержит дифференциальный усилитель, входами связанный с подвижной катушкой и делителем напряжения повышенной частоты, а выходами первых каскадов с емкостным дифференцирующим устройством подключенным на вход суммирующего усилителя вместе с выходом аналогового умножителя, входами соединенного с подвижной катушкой и оконечным каскадом дифференциального усилителя.

Наличие емкостного дифференциатора огибающей сигнала неравновесия с выходом на постоянном токе обеспечивает устойчивость системы регулирования в переходных процессах, чем достигается повышение точности измерения вязкости 2 J.

Однако исследования динамических характеристик системы автоматического регулирования этого вискозиметра на различных диапазонах измерения вязкости показали, что обеспечить устойчивость и получить требуемое качество переходного процесса возможно только на узком участке диапазона измеряемой вязкости, определяемом параметрами емкостного дифференциатора.

Таким образом, в известном приборе не обеспечивается постоянное качество переходного процесса уравновешивания во всем диапазоне измеряемой вязкости, а значит и точность измерения изменяющейся во времени вязкости будет низкой.

Цель изобретения - увеличение точности измерения при расширении диапазона измеряемой вязкости путем обеспечения постоянства динамических характеристик вискозиметра.

Поставленная цель достигается тем, что электровискозиметр, содержа щий вращаемый внешний цилиндр, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравно5 9494 вешивания и отсчетное устройство, дополнительно снабжен дифференциатором, корректирующим устройством, усилителем, аналоговым перемножителем, сумматором, управляемым делителем напряжения, делителем опорного напряжения и вычитателем, причем выход преобразователя неравновесия соединен с входами дифференциатора и корректирующего устройства, выход которого через усилитель соединен с отсчетным устройством и первым exодом сумматора, второй вход последнего соединен с выходом аналогового перемножителя, один из входов которо- 1 го подключен к выходу дифференциатора, а другой — к выходу вычитателя, первый вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения, а второй — с выходом управляемого делителя напряжения, при этом управляющий вход управляемого делителя напряжения подключен к выходу усилителя, а выход сумматора соединен с

1 входом преобразователя уравновешивания.

На чертеже показана функциональная схема вискозиметра.

Вискозиметр содержит внешний вращаемый цилиндр 1 с исследуемой жидкостью, внутренний воспринимающий цилиндр 2, преобразователи 3 и 4 неравновесия и уравновешивания внутреннего цилиндра, корректирующее устройство 5, усилитель 6, сумматор

7, аналоговый перемножитель 8, отсчетное устройство 9, дифференциатор 10, управляемый делитель 11 напряжения, вычитатель 12 и делитель

13 опорного напряжения.

Внутренний воспринимающий цилиндр 2 жестко связан с подвижной частью преобразователя 3 неравновесия, который электрически соединен с входами дифференциатора 10 и по45 следовательного корректирующего устройства 5, которое подключено на вход усилителя 6 сигнала неравновесия. Выход усилителя связан с отсчетным устройством 9, первым входом сумматора 7 и управляемым делителем ll напряжения, связанным с вы читателем 12, соединенным с делителем

13 опорного напряжения, а выход вычитателя подключен к одному из входов аналогового перемножителя 8, другой вход которого подключен к выходу дифференциатора 10. Выход пере множителя соединен с вторым входом

18 6 сумматора 7, включенного на вход преобразователя 4 уравновешивания, подвижная часть которого жестко связана с осью внутреннего цилиндра 2.

Устройство работает следующим образом.

Внешний цилиндр 1 с исследуемой жидкос.тью приводится во вращение синхронным электроприводом с заданной скоростью, которая определяется необходимой величиной градиента скорости сдвига.

Силы вязкого трения исследуемой жидкости создают вращающий момент на оси внутреннего цилиндра 2, и вызывают угловое смещение цилиндра из первоначального положения. Сигнал о смещении, вырабатываемый преобразователем 3 неравновесия, поступает на входы дифференциатора 10 и корректирующего устройства, на выходах которых появляются соответственно сигналы пропорциональные угловой скорости перемещения внутреннего цилиндра Я и динамически скорректированный сигнал, вызванный угловым перемещением оси цилиндра . Усиленный усилителем 6 сигнал неравновесия, пропорциональный вязкости подается через сумматор 7 на вход преобразователя 4 уравновешивания и одновременно на отсчетное устройство 9, изменяющее выходной сигнал

0 „ усилителя 6. Преобразователь

4 уравновешивания преобразует сигнал с выхода сумматора 7 в момент уравновешивания М, который воэвращает внутренний цилиндр s исходное положение.

Во время движения внутреннего. цилиндра сигнал на выходе дифференциатора 10 отличается от нуля, поэтому на выходе аналогового перемножителя

8 появляется сигнал, пропорциональный произведению величины вязкости жидкости и скорости углового перемещения цилиндра. Этот сигнал также подается на сумматор 7 и складывается с сигналом, пропорциональным перемещению.цилиндра, внося в момент уравновешивания М составляющую, пропорциональную моменту вязкостного демпфирования.

Угол поворота подвижной системы вискозиметра определяется .иэ зависимости

Ч= . ) ()

3Р

949418

30к к

+р К, L;„PV+c9). где М вЂ” действующий момент вязкого

1 трения;

М вЂ” момент противодействующий, и обусловленный как моментом уравновешивания, так и моментом сопротивления упругого подвеса и составляющей момента, вызванного демпфированием жидкости, При отключенном выходе умножителя 1О

8, противодействующий момент через передаточные функции звеньев выражается следующим образом.

М = c9+Ppl+Ug К, 1 (4) где LI — выходное напряжение усилиЬ теля;

К вЂ” коэффициент передачи пре J об ра зов а теля ура в новеши вания, Из (3) и (4} следует, что

2О

М = 3 р 1 > Рр V+ с Ч и< К, поэт ому величина напряжения на выходе усилителя определяется выражением

В замкнутой системе регулирования эта величина изменяется до тех пор., пОка не уравновешивается момент вяэЗО костного трения, что происходит при =0. При этом, как следует из уравнения (5), величина выходного напряжения будет

11Ь Куя (6)

Динамические характеристики вискозиметра определяются коэффициентами второго слагаемого правой части уравнения (5), в том числе, коэффициентом вязкостного успокоения Р=К 1, который меняется во всем диапазоне измерений.

Обеспечение постоянства динамичес- ких характеристик вискоэиметра решается следующим образом.

В управляемом делителе 11 напряжения образуется сигнал, пропорцио аль. ный вязкости

М К„К ж

11 Г О

11 (э 11 .и К

4 где о - скорость вращения внешнего

0 цилиндра.

Этот сигнал поступает на вычитатель

12, где иэ него вычитается сигнал, соответствующий по величине минимальной вязкости в диапазоне измерения

-К, Н О„. (8) Тогда суммарный сигнал поступает на второй вход аналогового перемножителя 8, что дает после умножения на угловую скорость внутреннего цилиндра величину а Кикг

8= 8 К с- О„РЧ. (о) После сумматора 7 формируется сигнал, корректирующий правую часть уравнения (4) тогда уравн ние (g) имеет вид

О -И Г

-Кв » К 0ОК„. Р

К@

Выбирая коэффициент К иэ условия

K .= (ИУ

8 О можно обеспечить соотношение

®ц qq Кг

"- "г . в

С другой стороны, если выбрать К1 иэ условия

9 к+оп= ((ж

8 уравнение (11) принимает вид

Таким образом, уравнение (14) описывает движение внутреннего цилинд9494

3$ ра вискоэиметра с уравновешиванием, качество переходного процесса которого уже не зависит от величины коэффициента вязкостного демпфирования, изменяющегося по всему диапазону иэ$ мерений, т.е. переходный процесс уравновешивания является инвариантным по отношению к величине измеряемой вязкости.

Работа адаптивной системы уравновешивания при минимальной измеряемой вязкости.

При возникновении момента вязкостного трения, соответствующего этой величине вязкости М =М,„ . выходной С m1n . сигнал U6 первоначайьно равен нулю, тогда выходной сигнал контура устройства адаптации, состоящего из звеньев ß) (13) 0В Kã<п,1пРЧ

В начальный момент времени сум" марный коэффициент, демпфирования в правой части уравнения (11) равен нулю, что вызывает быстрое нарастание уравновешивающего сигнала U, а следовательно, и выходной сигнал

Ug станет равным нулю, т.е. суммарный коэффициент демпфирования буфет = lq„g=1 г 1.п1 н. (4) равным значению, на которое рассчитывается корректирующее устройство 5.

3D

При большем или максимальном значении измеряемой вязкости сигнал устройства адаптации Ug возрастает до той величины, при которой сум-. марный коэффициент демпфирования =Р„ „-„ равен значению, при котором корректирующее устройство 5 обеспечит заданное качество переходного процесса уравновешивания.

Результаты исследования переходных процессов уравновешивания на аналоговой вычислительной машине и испытания лабораторного макета показали, что переходный процесс уравновешивания имеет заданное качество во всем диапазоне измеряемой вязкости (1-300 мПа с)

Вискоэиметр без устройства адапта-, ции имеет весьма непостоянное качество переходного процесса от неустойчивости системы уравновешивания при =1 -. 10 мПа с до затяжного переходного процесса длительностью 120 с, при максимальной вязкости, вместо необходимой длительности 1 с.

$$

При измерении реологических характеристик цельной крови, время жизни которой не превышает 3 мин, а число

18 10 измерений для снятия кривой .течения должно быть не менее 5 мин, длительный переходный процесс вообще недопустим.

Таким образом, обеспечение заданного качества переходного процесса не только позволяет увеличить точность измерения посредством считывания результата по истечении определенно известного времени, но в некоторых случаях является необходимым условием для обеспечения самой возможности измерений.

Предлагаемый вискозиметр предназначен для реологических исследований жидких сред с большим диапазоном изменения вязкости, в том числе биомедицинский жидкостей.

Формула изобретения

Электровискозиметр, содержащий вращаемый внешний цилиндр, внутренний цилиндр, преобразователь неравновесия, преобразователь уравновешивания и отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерении при расширении диапазона измеряемой вязкости путем обеспечения постоянства динамических характеристик вискоэиметра, он дополнительно снабжен дифференциатором, корректирующим устройством, усилителем, аналоговым перемножителем, сумматором, управляемым делителем напряжения, делителем опорного напряжения и вычитателем, причем выход преобразователя неравновесия соединен с входами дифференциатора и корректирующего устройства, выход которого через усилитель соединен с отсчетным устройством и первым входом сумматора, второй вход последнего соединен с выходом аналогового перемножителя, один из входов которого подключен к выходу дифференциатора, а другой - к выходу вычитателя, первый вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения, а второй — с выходом управляемого делителя нат1ряжения, при этом управляющий вход управляемого делителя напряжения подключен к выходу усилителя, а выход сумматора соединен с входом преобразователя уравновешивания.

9494

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Крутоголов В.Д, Статические преобразователи ротационных вискозиметров непрерывного действия.-"Из18 12 мерительная техника, 1971, и 10 с 89.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2740479/18-25, кл. G 01 и 11/14, 31.10.79 (прототип).

Составитель В. Алексеев

Редактор Н. Рогулич Техред С.Мигунова Корректор A. Гриценко

Заказ 5732/27 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная,