ДАТЧИК ВЯЗКОСТИ
VISCOSITY MEASURING ELEMENT

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно - к устройству вибрационных датчиков погружного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей.
Рассматриваемый тип датчиков состоит, как правило, из собственно вибратора, пробного тела и стержневого подвеса. Последний соединяет вибратор с пробным телом и передает ему механическое движение.
В процессе измерения электрически управляемый вибратор находится на воздухе, а колеблющееся пробное тело на конце достаточно длинного подвеса погружают в контролируемую среду. Измеряют действующую со стороны жидкости тормозящую силу.
Трение между колеблющимся телом и окружающей средой (торможение) описывается формулой
т
Z=F/ξ'=С,
т
где Z - механическое сопротивление трения жидкости о тело;
F - сила, вызывающая движение;
ξ' - колебательная скорость;
ρ - плотность жидкости;
η - вязкость жидкости;
С - коэффициент пропорциональности.
Реально, кроме сопротивления трения пробного тела присутствуют также
0
Z - сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки;
п
Z - механическое сопротивления трения жидкости о соприкасающиеся с ней элементы подвеса.
т
п
0
ж
0
Общее наблюдаемое сопротивление Z=Z+Z+Z=Z+Z.
F
ξ
В электромеханическом классе устройств вызывающая движение сила и скорость движения пропорциональны соответствующим электрическим сигналам U и U. Поэтому имеют место соотношения
F
ξ
0
F0
ξ0
Z=BU/U; Z=BU/U.
F0
ξ0
U и U, которые обусловлены величиной внутреннего трения вибратора, измеряют при положении пробного тела на воздухе.
ξ
ξ0
F
При стабильном значении U=U сигнал U=U связан с  линейным образом.
0
U=U+К,
где К - коэффициент пропорциональности,
0
F0
U=U и зависит от заданной амплитуды движения.
п
Эксперименты проводят при одинаковом положении зонда в ячейке. При этом измерения, связанные с изменением объема пробы в сосуде, например, в результате добавления реагентов, осложняются из-за присутствия в полном сопротивлении зависящего от глубины погружения фрагмента Z.
Известны вибрационные вискозиметры, например вискозиметр А.Б.Каплуна, содержащий в качестве датчика электромеханический вибратор и имеющий пробное тело в виде закрепленной на жестком стержне пластины [Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970. - 142 с.].
Недостатком этой конструкции является то, что в процессе измерения происходит движение в жидкости не только пробного тела, но и некоторой части стержня - подвеса, величина которой зависит от глубины погружения. Это приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения пробного тела. Таким образом, для каждой глубины требуется отдельная калибровка.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является камертонный датчик. [А.В.Богословский, М.А. Полуэктов // Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988, - с.34-38]. Он представляет собой вибратор - камертон, закрепленный за узловую точку в опоре. На ножки наклеены пьезоэлементы и установлены стержень с пробным телом на конце на одной из ножек и противовес - на другой.
При измерениях погружается в жидкость не только пробное тело, но и некоторая часть стержня. Ее трение о жидкость приводит к зависимости выходного сигнала датчика от глубины погружения. Таким образом, следует проводить измерения при одинаковом положении пробного тела в контролируемые жидкости, или проводить специальную калибровку для каждой глубины.
Задачей изобретения является создание датчика, для которого результат измерения не зависит от глубины погружения пробного тела в жидкость.
Техническим результатом является устранение влияния глубины погружения на выходной сигнал вибрационного датчика и, таким образом, увеличение достоверности результатов измерений и расширение возможностей использования вибрационного метода измерения. Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый датчик вязкости содержит два одинаковых вибратора с присоединенными одинаковыми стержнями. На конце одного из стержней закреплено пробное тело. На конце другого стержня пробное тело отсутствует.
Полное сопротивление такого составного датчика состоит из двух фрагментов
ж1
01
п1
т
Z=Z+Z+Z,
ж2
02
п2
Z=Z+Z,
01
где Z - внутреннее сопротивление первого вибратора,
п1
Z - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса пробного тела первого вибратора,
т
Z - сопротивление, обусловленное пробным телом,
02
Z - внутреннее сопротивление второго вибратора,
п2
Z - сопротивление, обусловленное влиянием стержня - подвеса второго вибратора.
п1
п2
п
Z=Z=Z.
Предлагаемый датчик изображен на фиг.1. Схема электрических соединений приведена на фиг.2.
Каждый вибратор (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Схемы обеспечивают колебания на частоте резонанса с постоянной, не зависящей от механической нагрузки амплитудой.
1
2
Аналоговые выходные сигналы U и U рассматриваемых схем (4) пропорциональны текущим значениям механического сопротивления соответствующих вибраторов. Поэтому приведенные выше выражения для сопротивлений Z можно переписать для соответствующих электрических напряжений
1
01
п1
т
U=U+U+U,
2
02
п2
U=U+U.
Указанные напряжения поступают на устройство сравнения - схему вычитания (5). При этом ее выходное напряжение будет
12
01
02
п1
п2
т
U=(U-U)+(U-U)+U.
012
01
02
п1
п2
Величина U=(U-U) измеряется на воздухе, является в эксперименте постоянной и отражает разную величину внутреннего трения используемых камертонов. Значения напряжений U и U зависят от глубины погружения.
п1
1
п2
2
U=Kh, U=Kh,
1
2
где K, K - коэффициенты пропорциональности; h - глубина погружения пробного тела.
1
2
12
При соответствующей настройке указанных схем K=К, и разностный сигнал U не зависит от глубины погружения.
Пример конкретного выполнения.
0
1
2
12
Схема датчика вязкости изображена на фиг.1. Два одинаковых латунных вибратора - камертона (2) с частотой резонанса ω≈400 Гц закреплены в держателе (1) концами ножек навстречу друг другу таким образом, что их колебания ориентированы перпендикулярно горизонту. К нижней ножке вибратора (2лев) присоединен стержень (3) из нержавеющей стали диаметром 1,5 мм. На конце стержня находится пробное тело в виде шара диметром 6 мм. К нижней ножке вибратора (2прав) аналогичным образом присоединен такой же стержень (3). Пробное тело на его конце отсутствует. На фиг.2 приведена функциональная схема соединения фрагментов устройства. Каждый из вибраторов (2) подключен к собственной схеме управления - автогенератору (4). Выходные сигналы схем (4), U, U поступают на входы схемы вычитания (5). Разностный сигнал U регистрируется с помощью персонального компьютера.
120
12k
k
k
12ж
Измерения проводят следующим образом. Находят U при колебании зонда на воздухе. Находят U при колебаниях зонда в калибровочной жидкости с известными значениями ρ, η. Определяют коэффициент по формуле . Далее определяют U при колебании зонда в исследуемой жидкости. Находят искомое значение  по формуле
12ж
На фиг.3 приведен график зависимости выходного сигнала датчика U от глубины погружения составного зонда в циклогексанол. На фиг.4 приведен график зависимости  - , полученный путем погружения составного зонда на глубину 10 мм в октан (1), декан (2), диэтилфталат (3) и в циклогексанол (4).
Определенная по графику чувствительность составляет .
Таким образом, предлагаемый датчик вязкости позволяет проводить измерения при различной глубине погружения пробного тела в контролируемую жидкость.