ВИСКОЗИМЕТР

Полезная модель относится к приборам для исследования реологических свойств жидких и двухфазных сред и может использоваться в автомобильной, пищевой, химической промышленности, медицине, экологической диагностике и т.д., а также в качестве демонстрационной модели.
Известен ротационный вискозиметр дифференциального типа, состоящий из двух соосных (коаксиальных цилиндров) - внутреннего и внешнего, приводимых во вращение от двигателя постоянного тока. Внутренний цилиндр, помещенный в исследуемую жидкость, заполняющую наружный цилиндр, соосный с внутренним, при этом момент сопротивления измеряется посредством системы датчиков Холла со встроенными магнитами. Недостатком данного устройства является сложность конструкции измерительной системы и ограниченные возможности регулирования (оптимизации) точности измерений (Патент на полезную модель №36527, кл. G 01 N 11/00, 2004 г.).
Наиболее близким техническим решением является бироторный вискозиметр (Патент РФ на полезную модель №43648, G 01 N 11/14, 2005). Вискозиметр содержит два коаксиальных цилиндра, приводимых во вращение от независимых двигателей постоянного тока, три оптические пары с открытым оптическим каналом, усилители мощности сигналов, фазовый детектор, фильтр низких частот, а также микроконтроллер, имеющий обратную электрическую связь с обоими двигателями, и поверхность цилиндров представляет собой чередование светлых и темных полос.
Недостатками прототипа является то, что точность измерения вязкости сложным образом зависит от междонного и радиального расстояний между цилиндрами, аналитическое определение этой зависимости сопряжено с
определенными математическими трудностями при фиксированных вышеназванных расстояниях. Эти трудности можно избежать, если экспериментально исследовать влияние продольного и радиального расстояний между цилиндрами на точность измерений вискозиметра. Поэтому появляется возможность повышения точности показаний вискозиметра экспериментальным путем.
Задачей полезной модели является оптимизация точности определения вязкости и других реологических параметров жидкостей при сохранении его автоматического режима измерений.
Поставленная задача решается тем, что в вискозиметре, содержащем два коаксиальных цилиндра - внутренний и внешний, приводимых во вращение от независимых двигателей постоянного тока, три оптические пары с открытым оптическим каналом, усилители мощности сигналов, фазовый детектор, фильтр низких частот, а также микроконтроллер, имеющий обратную электрическую связь с обоими двигателями, валы одного из цилиндров и его приводного двигателя соединены телескопически, а внешний цилиндр дополнительно снабжен тонкостенными цилиндрами, выполненными из двух упругих половин, разделенных по образующей, с возможностью последовательного вкладывания их друг в друга и во внешний цилиндр. Кроме этого стенки обоих цилиндров выполнены из прозрачного материала, а во внутреннем цилиндре установлен источник света.
Соединение телескопически валов одного из цилиндров и его приводного двигателя позволяет изменять и фиксировать продольное расстояние между цилиндрами. Изменение этого расстояния приводит (при неизменной высоте исследуемой жидкости) к изменению характера движения жидкости, что сказывается на показаниях вискозиметра.
Дополнительные тонкостенные цилиндры, выполненные из двух упругих половин, разделенных по образующей и имеющих кривизну своей поверхности меньше кривизны внешнего цилиндра, вставляются во внешний
цилиндр, образуя с ним плотное соединение - новый внешний цилиндр с измененным внутренним диаметром. Это позволяет выявить зависимость показаний вискозиметра от радиального расстояния между внешним и внутренним цилиндрами. При этом расстояния радиальное и продольное между цилиндрами берутся отнесенными к высоте жидкости между цилиндрами.
Выполнение стенок обоих цилиндров из прозрачного материала с установкой во внутреннем цилиндре источника света дает возможность для лучшего визуального исследования характера движения жидкости. Для этого в исследуемую жидкость вводятся небольшие однородные частицы, плотность которых превышает плотность исследуемой жидкости. С этой же целью в жидкость могут вводиться и небольшие отрезки нити, которые при работе вискозиметра устанавливаются по линиям тока жидкости.
На фиг.1 приведена принципиальная схема вискозиметра.
Вискозиметр содержит внешний цилиндр 1, заполненный исследуемой средой, приводимый во вращение посредством двигателя постоянного тока 2 и упругой муфты 3, внутренний цилиндр 4, приводимый во вращение от двигателя 5, ведущий вал 6 внешнего цилиндра 1 связан с оптопарой 7, оптопары 8 и 9 внешнего 1 и внутреннего 4 цилиндров, усилители мощности 10 и 11, фазовый детектор 12, фильтр низких частот 13, микроконтроллер 14, усиленный усилитель мощности 15, индикатор 16. Валы одного из двигателей и соответствующего цилиндра (на фиг.1 - это реализовано в приводе внутреннего цилиндра 4) имеют телескопическое соединение с удержанием их взаимного положения фиксатором 17, и тонкостенные цилиндры 18, соединяемые из половин вдоль образующих встык без нахлеста. Цилиндры 18 вставлены друг в друга и во внешний цилиндр 4 и образуют с ним плотную упаковку - внешний цилиндр с измененным внутренним диаметром. Двигатели обеспечивают реверсивное вращение цилиндров.
Вискозиметр работает следующим образом.
С помощью фиксатора 17 устанавливается максимально возможное продольное расстояние между цилиндрами 1 и 4, заливается исследуемая жидкость во внешний цилиндр 1 и запускаются один или оба двигателя. Так как поверхности цилиндров 1 и 4 и вала 6 представляет собой чередование светлых и темных полос, то, например, источник оптопары 7 ведущего вала 6 подает сигналы на поверхность вала. Отраженные от поверхности сигналы, имеющие различную интенсивность вследствие различия степени отражения сигнала от светлых и темных полос, поступают в приемник оптопары 7.
Аналогично работают оптопара 8 внешнего цилиндра 1 и оптопара 9 внутреннего цилиндра 4.
Усиленные с помощью усилителей мощности 10 и 11 сигналы оптопар 7 и 8, поступают в фазовый детектор 12, после чего, проходя через фильтр низких частот 13, поступают в микроконтроллер 14.
Усиленный усилителем мощности 15 сигнал оптопары 9 внутреннего цилиндра 4 также поступает в контроллер 14.
Сигналы с оптопар 7 и 8 представляют собой меандры одинаковой частоты, но сдвинутые по фазе вследствие деформации упругого элемента 3, вызываемой сопротивлением среды. Разфазировка сигналов определяется фазовым детектором 12.
Подсчет импульсов в единицу времени определяет частоту вращения соответственно внешнего и внутреннего цилиндров, а разность фаз является величиной, пропорциональной моменту сопротивления среды.
Микроконтроллер 14 обрабатывает полученные сигналы, подсчитывает угловые скорости вращения цилиндров и момент сопротивления. Результаты измерений отображаются индикатором 16.
Аналогичная процедура повторяется при различных продольных и радиальных расстояниях между цилиндрами 1 и 4.
Δ
Конечным результатом является график зависимости разности угловых скоростей ω от момента сопротивления вращению Мс, который
Δ
пропорционален сдвигу фаз φ в зависимости от радиального и продольного расстояний между цилиндрами:
Δ
ω=f(Mc).
Полученный график фактически отражает зависимость касательных напряжений от скорости сдвига среды. Подобные графики получаются при различных расстояниях между цилиндрами. Из этих расстояний в качестве оптимальных выбираются те, для которых соответствующий график имеет реологические параметры, наиболее близкие к известным (справочным) параметрам жидкости, взятой в качестве эталонной.
Микроконтроллер 14, имеющий обратную связь с двигателями 2 и 5, запрограммирован на различные режимы работы и может проводить комплекс непрерывных измерений в широком диапазоне скоростей вращения обоих цилиндров.
Предлагаемая конструкция бироторного вискозиметра позволяет исследовать реологические свойства жидких и двухфазных сред в условиях управляемого центробежного поля в широких пределах градиентов сдвиговых скоростей, при сохранении существенно упрощенной бесконтактной схемы измерений скоростей вращения цилиндров и момента сопротивления среды, увеличить точность измерений с учетом варьирования продольного и радиального расстояний между цилиндрами при обеспечении их высокой автоматизации.