Аддитивный способ и устройство внешнего возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра
ADDITIVE METHOD AND DEVICE FOR EXTERNAL EXCITATION OF MECHANICAL OSCILLATORY SYSTEM OF VIBRO-VISCOMETER

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью вибровискозиметров. Может успешно использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных жидкостей: нефтепродуктов, растительных масел и др.
з
з
ф
ф
Известен способ внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра [патент РФ №2607048 МПК G01N 25/00], при котором зонд вибровискозиметра, снабженный датчиком геометрического положения зонда, с заданной вынуждающей силой приводят в режим механических колебаний посредством устройства возбуждения, вырабатывающего гармонический сигнал постоянной заданной амплитуды и заданной частоты. При этом выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации. Далее, сохраняя амплитуду, непрерывно изменяют частоту гармонических колебаний возбудителя до достижения собственной частоты механической колебательной системы, которую определяют по достижению заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига ϕ между колебаниями возбудителя и колебаниями выходного усиленного и частотно отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕ(ω)=ϕ(ω)+π/2, где ϕ(ω) - значение на частоте ω фазового сдвига частотно фильтрующих цепей сигнала датчика положения зонда вибровискозиметра.
Данный способ возбуждения обеспечивает высокую точность определения текущего значения собственной частоты механической колебательной системы, необходимой для измерения вязкостных параметров жидкости, и достаточно просто автоматизируем современными средствами.
Известно устройство [там же] внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее возбудитель колебаний механической колебательной системы вибровискозиметра, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера. При этом выход датчика положения зонда соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно фильтрующей цепи, выход которой соединен с микроконтроллером, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу возбудителя колебаний зонда. Кроме того, в постоянной памяти программируемого микроконтроллера записаны управляющая программа для возбудителя колебательной системы и частотно фазовая характеристика частотно фильтрующей цепи. Указанные способ и устройство являются наиболее близкими изобретению.
Недостатком известного способа является невозможность раздельного определения текущих значений колеблющейся массы и жесткости (упругости) колебательной системы при размещении измерительного зонда в жидкости с изменяющейся температурой. Их определение в ряде случаев весьма желательно, так как при опускании измерительного зонда вибровискозиметра в жидкость изменяется не только колеблющаяся масса за счет присоединенной массы жидкости, но в ряде случаев и действующая жесткость (упругость) колебательной системы за счет внутренней структурной упругости жидкости при переходе ее в гелеподобное состояние. Не учет изменения жесткости колебательной системы при нахождении зонда в жидкости приводит к погрешностям определения как присоединенной массы, так и вязкости жидкости. Кроме того определение текущего значения внутренней структурной упругости жидкости представляет самостоятельный научный и практический интерес для специалистов в области коллоидной химии и нефтехимии.
Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить точность определения измеряемых вибровискозиметром параметров исследуемой жидкости путем дополнительного определения с учетом упругих свойств жидкости, динамических параметров механической колебательной системы вибровискозиметра.
Для решения поставленной задачи предлагается:
0
з
з
ф
ф
0
0
m
0m
0
0m
L
L
Аддитивный способ внешнего возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, при котором механическую колебательную систему вибровискозиметра, снабженного датчиком положения зонда, с заданной вынуждающей силой приводят в режим механических колебаний посредством устройства возбуждения, выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации, непрерывно изменяют частоту колебаний устройства возбуждения до достижения собственной частоты ω, которую определяют по достижении заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига φ между колебаниями устройства возбуждения и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения по формуле φ(ω)=φ(ω)+π/2, где φ(ω) - фазовый сдвиг частотно фильтрующих цепей сигнала датчика, отличающийся тем, что текущую собственную частоту ω механической колебательной системы вибровискозиметра сохраняют в памяти микроконтроллера, в процессе регистрации собственной частоты ω периодически изменяют действующую жесткость колебательной системы на известную величину Δk, определяемую в процессе начальной калибровки вибровискозиметра, путем добавления к возбуждающему сигналу устройства возбуждения известной доли выходного сигнала датчика положения зонда, преобразованного усилителем, и определения при этом нового значения собственной частоты колебательной системы ω, а по полученным значениям частот ω и ω расчетным путем определяют текущие действующие значения колеблющейся массы m и коэффициента жесткости k колебательной системы по формулам:
и
0
L
Lm
m
где ω - собственная частота колебаний непогруженного зонда; ω - собственная частота колебаний зонда в жидкости, ω - собственная частота колебаний зонда в жидкости при добавочном изменении возбуждающей силы; Δk - изменение коэффициента жесткости под действием изменения возбуждающей силы.
Согласно заявляемому способу, в процессе исследования жидкости к возбуждающему гармоническому сигналу с устройства возбуждения на короткий измерительный интервал времени периодически добавляется доля напряжения с выхода датчика положения. Доля добавляемого напряжения, измерительный интервал в режиме добавочного напряжения и периодичность смены режимов могут быть заданы и оператором в процессе измерения, или программными средствами. Доля добавляемого напряжения определяется чувствительностью зонда к измененному напряжению устройства возбуждения. Измерительный интервал должен быть достаточным для проведения измерений и определения параметров исследуемой жидкости.
Заявляется устройство, реализующее аддитивный способ возбуждения колебательной системы вибровискозиметра.
Устройство внешнего возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее устройство возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра, устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера, в постоянной памяти которого записаны управляющая программа для устройства возбуждения и частотно-фазовая характеристика φ(ω) частотно-фильтрующей цепи, датчик положения зонда, выход которого соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи, отличающееся тем, что
устройство дополнительно содержит двухвходовый сумматор с коммутатором по второму входу, а первый вход сумматора соединен с выходом устройства возбуждения, выход электронного усилителя также соединен со вторым входом сумматора через коммутатор, управляющий вход которого соединен с одним из управляющих выходов устройства регистрации и управления вибровискозиметра.
На фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая заявляемые способ и устройство.
Устройство включает в себя последовательно подключенные электрический управляемый возбудитель колебаний 1 механической колебательной системы вибровискозиметра, механическую колебательную систему вибровискозиметра (зонд) 2, датчик положения 3 измерительного зонда вибровискозиметра, линейный электронный усилитель 4 сигнала датчика положения, 5 - частотно фильтрующую цепь, содержащую линейные фильтры частот в диапазоне нижних и верхних рабочих частот механической колебательной системы (зонда). Частотно фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи должна быть заранее известна или экспериментально измерена. 6 - программируемый микроконтроллер, в постоянной памяти которого записаны управляющая программа для коммутатора, возбудителя колебаний и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи. Также устройство включает управляемый двухвходовый сумматор 7 с коммутатором 8, при этом выход возбудителя колебаний 1 подключен к первому входу сумматора 7, выход электронного усилителя 4 соединен со вторым входом сумматора через коммутатор 8, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера 6 в качестве устройства регистрации и управления вибровискозиметра.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.
На первом этапе -
v
0
д
0
рез
ф
рез
0
з
ф
0
0
Микроконтроллер 6 размыкает коммутатор 8 на втором входе сумматора 7 и под действием выходных сигналов микроконтроллера возбудитель 1 механических колебаний зонда 2 формирует периодическую вынуждающую силу F(t) постоянной амплитуды с текущей частотой ω и начальной фазой ϕ. Под действием этой силы на выходе датчика положения зонда 3 формируется гармонический сигнал, сдвинутый по фазе на величину ϕ(ω) относительно фазы ϕ. Этот сигнал пропорционально усиливается усилителем 4, фильтруется по частоте посредством фильтрующей цепи 5 и подается на вход микроконтроллера 6 с результирующей фазой ϕ(ω). Микроконтроллер 6, в памяти которого записана частотно фазовая характеристика ϕ(ω) частотно фильтрующей цепи, определяет разницу фаз ϕ(ω) и ϕ в соответствии с заложенной в нем управляющей программой. Если эта разница равна ϕ(ω)=ϕ(ω)+π/2, то частота выходного сигнала микроконтроллера 6, подаваемого на вход возбудителя колебаний 1, соответствует собственной частоте ω колебательной системы и ω сохраняется в памяти микроконтроллера 6.
з
рез
0
з
0
Если разница меньше, чем ϕ(ω), то микроконтроллер 6 пошагово увеличивает частоту своих выходных сигналов одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Если разница фаз ϕ(ω) и ϕ больше, чем ϕ(ω), то микроконтроллер 6 пошагово уменьшает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. То есть, на первом этапе постоянно обеспечивается работа вискозиметра на собственной частоте ω механической колебательной системы вибровискозиметра.
На втором этапе -
0m
0m
0
0m
0
0
Через заданный интервал времени микроконтроллер 6 замыкает коммутатор 8 на втором входе сумматора 7 и к возбуждающему сигналу добавляется выходной сигнал усилителя 4, пропорциональный сигналу датчика положения зонда 3, затем аналогично первому этапу определяется новое значение собственной частоты ω колебательной системы в данном режиме, ω сохраняется в памяти микроконтроллера; затем микроконтроллер 6 снова размыкает коммутатор 8, то есть переходит к первому этапу. Интервал может быть задан или программой или оператором, повторное последовательное проведение первого и второго этапов требуется при непрерывном изменении параметров жидкости, например при изменении ее температуры, периодичность определяется скоростью измерения параметров жидкости. По значениям собственных частот ω и ω расчетным путем (который достаточно подробно описан ниже) определяют текущие действующие значения колеблющейся массы  зонда и коэффициента жесткости k колебательной системы и коэффициента затухания (или механическое сопротивление жидкости). Эти расчетные величины необходимы для точного определения с помощью вибровискозиметра характеристики жидкости.
Ниже рассмотрены математические и физические принципы, лежащие в основе заявляемого способа, которые также приведены в описании патента РФ №2663305 для случая использования в качестве зонда вискозиметра шарика, погруженного в жидкость и достаточно удаленного от стенок кюветы.
0
0
0
v
v
Чувствительный элемент вибровискозиметра представляет собой миниатюрный зонд, погружаемый в исследуемую жидкость. Зонд жестко связан с колебательной системой, представляющей собой механическое колебательное звено второго порядка. В ненагруженном состоянии параметры колебаний данного звена полностью определяются тремя собственными физическими параметрами: колеблющейся массой m, коэффициентом демпфирования h и коэффициентом жесткости k. Механические колебания в данной системе создаются по команде микроконтроллера электромеханическим устройством возбуждения 1, преобразующим электрическое напряжение U(t) в возбуждающую силу F(t):
-1
где t - время, α - коэффициент преобразования, (Н⋅В).
D
0
Отклик механической колебательной системы вибровискозиметра 2 на возбуждающую силу оценивают с помощью датчика положения 3 по величине напряжения U(t) на его выходе, пропорциональному геометрическому отклонению x(t) колеблющейся массы m от равновесного положения:
-1
где β - коэффициент преобразования, (В⋅м).
0
0
0
В общем случае значения параметров ненагруженной колебательной системы являются функциями текущей температуры T: m(T), h(T) и k(T). Данные функциональные зависимости параметров колебательной системы от температуры могут быть теоретически или экспериментально получены на стадии ее проектирования и изготовления.
v
Отклик x(t) колебательной системы на возбуждающую силу F(t) находят путем решения следующего линейного дифференциального уравнения (см. патент РФ 2663305):
v
0
При F(t)=Fsin(ωt) отклик x(t) имеет вид:
max
v
x(t)=x(ω)sin(ωt+ϕ(ω)).
0
v
где F - амплитуда возбуждающей силы, ω - круговая частота гармонической возбуждающей силы, ϕ(ω) - фазовый сдвиг между возбуждающей силой и откликом.
Для колебательного звена второго порядка, чем и является механическая колебательная система вибровискозиметра, справедливы следующие соотношения (см. патент РФ 2663305), при этом фазовый сдвиг между возбуждающей силой и откликом на собственной частоте колебательной системы всегда равен π/2:
0
0
Здесь ω - собственная частота ненагруженной колебательной системы, Q - ее добротность.
При полном или частичном погружении колеблющейся массы вибровискозиметра в жидкость параметры колебательной системы изменяются и приобретают новые значения:
L
L
L
L
где m, h, k - соответственно масса, коэффициент демпфирования и коэффициент жесткости колебательной системы, взаимодействующей с исследуемой жидкостью. Изменение массы и коэффициента жесткости колебательной систем приводит и к изменению собственной частоты, которая приобретает значение ω.
Величины Δm, Δh, Δk - это изменения параметров колебательной системы, вызванные исследуемой жидкостью. Δm - это так называемая присоединенная масса, т.е. масса окружающей зонд жидкости, участвующая в колебаниях. Трение о жидкость вызывает изменение коэффициента демпфирования Δh. Величина Δk - это изменение коэффициента жесткости (его естественно назвать присоединенной жесткостью), связанное с упругими свойствами жидкости, контактирующей с зондом. Величины Δm и Δh широко используются для определения свойств исследуемой жидкости, а их точное и оперативное определение является основной задачей вибровискозиметрии. В тоже время, влияние жидкости на коэффициент жесткости колебательной системы при расчетах обычно не учитывается, в частности, отсутствует определение Δm и Δh в прототипе.
L
L
L
Поясним недостаточность ранее используемых методик. Так, величину присоединенной массы Δm, которая используется в известных методиках для определения объемной плотности жидкости ρ и сдвиговой (динамической) вязкости η, определяют из уравнения (4) по значению собственной частоты ω колебательной системы при погружении измерительного зонда в исследуемую жидкость:
L
0
0
Считая по методике прототипа, что изменение частоты связано только с изменением массы, с учетом (6) для присоединенной массы получают Δm=m-m. То есть, ранее не учитывалось, что коэффициент жесткости k колебательной системы, взаимодействующей с жидкостью, может измениться.
L
Используя вычисленное значение массы m колебательной системы, из выражения (5) определяют коэффициент демпфирования в жидкости:
L
L
0
где Q - добротность колебательной системы взаимодействующей с жидкостью. Для определения коэффициента демпфирования, вызванного влиянием жидкости, с учетом (6) получают Δh=h-h.
Из приведенных примеров очевидно, что игнорирование упругих свойств жидкости, окружающей зонд, может привести к существенным погрешностям при анализе экспериментальных данных. Эта проблема связана с тем, что для низкочастотных вибровискозиметров отсутствуют общепринятые методы и средства экспериментального определения коэффициента жесткости колебательной системы, взаимодействующей с жидкостью.
В заявляемом аддитивном способе возбуждения колебательной системы вибровискозиметра предложено изменять возбуждающую силу так, чтобы такое изменение было эквивалентно изменению коэффициента жесткости колебательного звена.
v
Согласно заявляемому способу, в процессе исследования жидкости к возбуждающему гармоническому сигналу U(t) на короткий измерительный интервал времени, достаточный для проведения измерений, периодически добавляется напряжение с выхода датчика положения, преобразованное усилителем 4, которое пропорционально смещению x(t) колеблющейся массы m от равновесного положения:
где γ - безразмерный весовой коэффициент, показывающий, какая доля напряжения с выхода датчика положения добавляется в сигнал возбуждения.
В соответствии с выражением (1) возбуждающая сила также изменится:
Подставляя полученное значение возбуждающей силы в уравнение (3) получаем:
0
m
0
0
m
m
0
0m
Анализ выражения показывает, что предложенное изменение возбуждающей силы эквивалентно изменению коэффициента жесткости колебательного звена от значения k до значения k=(k-α⋅γ⋅β)=k-Δk. Изменение коэффициента жесткости Δk приведет, в соответствии с (4), к изменению собственной частоты колебательного звена от значения ω до значения ω в режиме изменения возбуждающей силы путем добавления напряжения с выхода датчика положения (выше описан второй этап измерения).
m
0
0
0m
Значение Δk может быть определено расчетом по результатам измерения: k(Т) - при калибровке ненагруженной колебательной системы вибровискозиметра (это достаточно сделать однократно) по известной паспортной зависимости, а также по измеренным значениям собственных частот ω и ω:
m
m
Отметим, что значение Δk определяется значением весового коэффициента γ в уравнении (9) в процессе начальной калибровки вибровискозиметра. При последующей эксплуатации вибровискозиметра параметр Δk остается постоянным вне зависимости от температуры и свойств исследуемой жидкости, а также амплитуды возбуждающего напряжения.
L
Lm
Появившаяся возможность управлять коэффициентом жесткости колебательной системы позволяет в процессе испытания жидкости определить, какая часть в изменении текущего значения собственной частоты вызвана изменением присоединенной массы, а какая связана с влиянием жидкости на коэффициент жесткости системы. Для этого необходимо повторить операции, аналогичные проводимым при начальной калибровке ненагруженной колебательной системы. Измерения собственной частоты ω до изменения возбуждающей силы и частоты ω после изменения возбуждающей силы проводятся для колебательной системы, взаимодействующей с исследуемой жидкостью. Выражение для величины изменения коэффициента жесткости данной колебательной системы будет аналогично (12):
m
Учитывая, что изменение коэффициента жесткости Δk под действием изменения возбуждающей силы не зависит от текущего значения коэффициента жесткости, можно приравнять правые части выражений (12) и (13) и получить выражение для коэффициента жесткости колебательной системы под действием жидкости:
L
Вычисленное из (14) значение коэффициента жесткости k(T) позволяет, используя (7), определить величину колеблющейся массы:
L
Полученное значение колеблющейся массы m позволяет, используя (8), вычислить изменение коэффициента затухания, вызванное жидкостью:
Таким образом, заявляемый аддитивный способ позволяет раздельно экспериментально и при необходимости непрерывно определять текущие действующие значения колеблющейся массы и коэффициента жесткости колебательной системы вибровискозиметра с учетом влияния исследуемой жидкости, что позволяет повысить точность определения измеряемых вибровискозиметром параметров исследуемой жидкости таких как Δm и Δh, а также расширить перечень определяемых параметров.
Заявляемые способ и устройство могут быть реализованы и автоматизированы известными средствами.