РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР
ROTATIONAL VISCOMETER

Изобретение относится к измерительной и аналитической технике и предназначено для измерения вязкости и исследования реологических свойств различных жидкостей.
Из уровня техники известны ротационные вискозиметры (см., например, патент РФ №2056626, G01N 11/14, опубл. 20.03.1996), содержащие камеру с погруженными в нее подвижным и неподвижным воспринимающими элементами, между поверхностями которых оставлен зазор, заполненный исследуемой жидкостью, а также электродвигатель, вращающий подвижный воспринимающий элемент, и устройство, измеряющее момент сопротивления, возникающий за счет сил внутреннего трения слоев жидкостей, движущихся с равной скоростью в зазоре между поверхностями подвижного и неподвижного воспринимающих элементов. При условии ламинарности течения жидкости в зазоре данный момент будет пропорционален динамической вязкости жидкости в точке кривой течения, соответствующей данному значению установившегося градиента скорости между слоями жидкости. Момент сопротивления измеряется обычно на неподвижном воспринимающем элементе.
Недостатком указанной конструкции является необходимость измерений только при фиксированной скорости вращения ротора электродвигателя, поскольку возникающий момент сопротивления будет зависеть и от скорости вращения подвижного воспринимающего элемента (как правило, это условие обеспечивается путем использования синхронного электродвигателя переменного тока). Это ограничивает область применения таких вискозиметров только для исследования ньютоновских жидкостей, для которых кривая течения линейна и поэтому при любой скорости вращения, при которой сохраняется ламинарность течения, измеренное значение вязкости будет постоянно, а также ограничивает диапазон измеряемых вязкостей. Кроме того, подобные вискозиметры не позволяют делать замеры вязкости при избыточном давлении в десятки и сотни атмосфер.
Наиболее близким аналогом является ротационный вискозиметр (Патент РФ №2109266, G01N 11/14, опубл. 20.04.1998), содержащий цилиндрическую камеру, заполняемую анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент в виде тела вращения, приводимый во вращение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, а также систему измерения периода вращения ротора, при этом ротор и воспринимающий элемент закреплены с помощью электромагнитного подвеса, а ротор электродвигателя выполнен в виде тонкостенного полого цилиндра из неферромагнитного проводящего материала. Прибор позволяет проводить исследования ньютоновских и неньютоновских жидкостей, обеспечивает возможность его использования как для лабораторных исследований, так и для контроля технологических процессов.
Недостатками данного вискозиметра являются недостаточная чувствительность и точность измерения вязкости при разных скоростях сдвига жидкости, а также невозможность замера вязкости при давлении выше атмосферного.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка усовершенствованной конструкции ротационного вискозиметра для лабораторных исследований как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей, лишенного недостатков вышеуказанных аналогов, а также расширение арсенала средств указанного назначения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности и точности измерения вязкости при разных скоростях сдвига исследуемой жидкости, обеспечение возможности замера вязкости жидкости при давлении выше атмосферного, расширение диапазона измеряемых вязкостей.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что ротационный вискозиметр включает измерительный блок с цилиндрической камерой, заполняемой анализируемой жидкостью, и расположенным в ней подвижным воспринимающим элементом, приводимым во вращение электродвигателем, и систему измерения периода вращения, подвижный воспринимающий элемент приводится во вращение ротором вентильного электродвигателя с системой контроля потребляемой мощности и угла поворота, при этом воспринимающий элемент выполнен заодно с ротором в виде тонкостенного полого цилиндра с интегрированными постоянными магнитами вентильного электродвигателя, а внутри подвижного воспринимающего элемента коаксиально установлен цилиндрический вытеснитель таким образом, чтобы обеспечивать одинаковую скорость сдвига исследуемой жидкости в наружном и внутреннем зазоре воспринимающего элемента; включает камеру мультипликатора высокого давления, в которую помещен измерительный блок, и независимую индуктивную систему контроля угла поворота.
Целесообразно, чтобы обмотки вентильного электродвигателя были жестко соединены с цилиндрической камерой.
Целесообразно, чтобы тонкостенный полый цилиндр с интегрированными постоянными магнитами вентильного электродвигателя был выполнен из неферромагнитного проводящего материала.
Целесообразно, чтобы создаваемое в камере мультипликатора избыточное давление могло достигать 5000 атм.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен измерительный блок ротационного вискозиметра.
На Фиг. 2 представлен ротационный вискозиметр.
Ротационный вискозиметр включает измерительный блок 1 и камеру 2 мультипликатора высокого давления с максимальным создаваемым давлением до 5000 атм, причем измерительный блок 1 смонтирован на крышке камеры высокого давления мультипликатора 2. Измерительный блок 1 состоит из неподвижного воспринимающего элемента в виде цилиндрической камеры 3, заполняемой анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент 4, выполненный в виде тонкостенного полого цилиндра, приводимый во вращение ротором вентильного электродвигателя, выполненного так же в виде полого тонкостенного цилиндра из проводящего неферромагнитного материала с интегрированными постоянными магнитами вентильного электродвигателя. Воспринимающий элемент 4 может быть жестко соединен с ротором вентильного электродвигателя путем напрессовывания его с внешней стороны ротора, или может быть изготовлен как одна цельная с ротором деталь. Обмотки 5 вентильного электродвигателя жестко соединены с цилиндрической камерой 3 измерительного блока 1. Внутри подвижного воспринимающего элемента 4 коаксиально установлен второй неподвижный воспринимающий элемент - цилиндрический вытеснитель 6, соединенный с цилиндрической камерой 3, причем воспринимающие элементы 3, 4 и 6 выполнены и установлены таким образом, что обеспечивается одинаковая скорость сдвига исследуемой жидкости в наружном 7 и внутреннем 8 зазоре подвижного воспринимающего элемента 4.
Вентильный электродвигатель ротационного вискозиметра оснащен системой контроля потребляемой мощности и угла поворота. Кроме того, вискозиметр содержит независимую индуктивную систему контроля угла поворота, что позволяет повысить точность измерений.
Ротационный вискозиметр работает следующим образом.
Камера 2 мультипликатора высокого давления заполняется исследуемой жидкостью, после чего в нее помещается измерительный блок 2 с полным заполнением всего внутреннего объема цилиндрической камеры 3 исследуемой средой, блок 2 герметизируется. В камере 2 мультипликатора создается требуемое избыточное давление. С помощью системы управления вентильного электродвигателя устанавливается желаемое значение частоты вращения воспринимающего элемента (ротора) 4. Скорость вращения воспринимающего элемента (ротора) 4 изменяется согласно заданному значению частоты вращения. Системой контроля потребляемой мощности и угла поворота вентильного электродвигателя контролируется мощность, а следовательно, и вращающий момент. Скорость вращения воспринимающего элемента (ротора) 4 изменяется до тех пор, пока вращающий момент не сравняется с моментом сопротивления, возникающего из-за внутреннего трения между слоями жидкости при вращении в ней воспринимающего элемента (ротора) 4, который зависит от скорости вращения. Таким образом, при установившейся скорости вращения длительность периода будет пропорциональна вязкости анализируемой жидкости. Дополнительно период вращения измеряется с помощью бесконтактной индуктивной системы измерения угла поворота.
Тарирование и поверка вискозиметра производится по образцовым жидкостям с известной вязкостью.
Данный прибор позволяет снимать кривые течения путем регулирования мощности и частоты вращения вентильного электродвигателя. Изменение мощности и частоты питания электродвигателя позволяет изменять диапазон измеряемых вязкостей при исследовании как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей. Конструкция измерительного блока предусматривает возможность замены элементов (цилиндрической камеры измерительного блока и цилиндрического вытеснителя) для расширения диапазона измеряемых величин.