УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)
MEASURING DEVICE OF VISCOSITY OF THIN LAYERS OF LIQUID (VERSIONS)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вязкости тонких слоев жидкости, и может быть использовано для изучения свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей, установления содержания механических примесей в жидкости, измерения сил сопротивления и определения коэффициентов трения жидких и твердых материалов в зависимости от температуры.
Известно устройство для определения вязкости жидкости [1], которое содержит измерительную емкость для масла и снабжено нагревательным элементом, автоматическими системами регистрации времени перемещения рабочего тела (пробного тела) и обеспечения контроля и стабилизации температуры исследуемого масла. Плоское пробное тело закреплено на штоке с экраном, по которому измеряется время прохождения телом слоя масла. На дне измерительной емкости находится излучатель ультразвука, подключенный к ультразвуковому генератору. При проведении экспресс-оценки качества моторного масла из картера двигателя берется проба, которая делится на две части: одну часть масла испытывают без воздействия ультразвука, вторую часть - под воздействием ультразвука, при этом измеряют время падения пробного тела. Достоинство конструкции состоит в обеспечении возможности измерения зависимости вязкости от изменения температуры и содержания механических примесей.
Существенным недостатком такой конструкции устройства является то, что для измерения вязкости необходим большой объем жидкости и значительное по размерам пробное тело.
Также известен вибрационный датчик [2], содержащий камертон с двумя ножками, установленные у основания ножек пьезоэлектрические преобразователи и присоединенный к камертону зонд (пробное тело), причем пьезоэлектрические преобразователи установлены в углублениях у основания ножек камертона. Для проведения измерений устройство располагают горизонтально и подключают к цепи обратной связи автогенератора, обеспечивающего работу на частоте резонанса. При этом на один из пьезоэлектрических преобразователей подают возбуждающее электрическое напряжение, а с другого снимают электрическое напряжение, пропорциональное амплитуде возникающих механических колебаний. На основе измеренных данных вычисляют значение вязкости измеряемой жидкости. Достоинство такой конструкции заключается в простоте ее изготовления, высокой чувствительности, незначительных размерах пробного тела, возможности проведения исследований для малых объемов жидкости.
Существенным недостатком использования такой конструкции датчика является невозможность одновременного контроля температуры и измерения вязкости.
Известен жидкостной датчик и способы изготовления его компонентов [3], который содержит электрически заземленный коллектор и множество проводников (проводов), проходящих через коллектор. Провода соединены с пьезоэлектрическим резонатором в виде камертона. Температурный датчик расположен рядом с резонатором в виде камертона на расстоянии не более 2 мм от него. Кожух частично закрывает резонатор в виде камертона и температурный датчик. Печатная электрическая плата соединена с проводами. Причем печатная электрическая плата расположена на расстоянии не более чем на 20 мм от камертона. Основное достоинство такой конструкции датчика заключается в обеспечении возможности одновременного измерения температуры и вязкости жидкости. Однако место замера вязкости не совпадает с местом измерения температуры, что обусловлено удаленным расположением температурного датчика от резонатора в виде камертона, что в свою очередь делает невозможным использование такой конструкции для измерения свойств тонких слоев жидкости.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является датчик измерения вязкости (устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости) [4], выполненный в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя, двух ножек и пробного тела, присоединенного к свободному торцу одной из ножек камертона и погруженного в жидкость, расположенную на основании. Ножки камертона разделены держателем и жестко прикреплены к нему, а держатель и ножки камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием с двух сторон, причем в местах крепления ножек к держателю обеспечен электрический контакт. Данное устройство позволяет выполнять измерения вязкости для тонких слоев жидкости, толщина которых соизмерима или менее амплитуды колебаний пробного тела. Однако недостатком такой конструкции является отсутствие возможности одновременного измерения вязкости и температуры жидкости.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Задача решается следующим образом. В известном устройстве для измерения вязкости тонких слоев жидкости, выполненном в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя и жестко прикрепленных к нему ножек камертона, разделенных держателем, и пробного тела, которое присоединено к свободному торцу одной из ножек камертона и погружено в жидкость, расположенную на основании, а держатель и ножки камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек камертона к держателю. Согласно изобретению по варианту 1, пробное тело выполнено в виде термопары.
Кроме того, на пробное тело нанесено гидрофобное покрытие, например, из тефлона.
В известном устройстве для измерения вязкости тонких слоев жидкости, выполненное в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя и жестко прикрепленных к нему ножек камертона, разделенных держателем, и пробного тела, которое присоединено к свободному торцу одной из ножек камертона и погружено в жидкость, расположенную на основании, а держатель и ножки камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек камертона к держателю. Согласно изобретению по варианту 2, пробное тело выполнено в виде термопары, а основание выполнено в виде нагревателя.
Кроме того, на пробное тело нанесено гидрофобное покрытие, например, из тефлона.
В известном устройстве для измерения вязкости тонких слоев жидкости, выполненное в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя и жестко прикрепленных к нему ножек камертона, разделенных держателем, и пробного тела, которое присоединено к свободному торцу одной из ножек камертона и погружено в жидкость, расположенную на основании, а держатель и ножки камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек камертона к держателю. Согласно изобретению по варианту 3, пробное тело выполнено в виде термопары, а основание выполнено в виде излучателя ультразвука.
Кроме того, на пробное тело нанесено гидрофобное покрытие, например, из тефлона.
В известном устройстве для измерения вязкости тонких слоев жидкости, выполненное в виде вертикально расположенного камертона, состоящего из держателя и жестко прикрепленных к нему ножек камертона, разделенных держателем, и пробного тела, которое присоединено к свободному торцу одной из ножек камертона и погружено в жидкость, расположенную на основании, а держатель и ножки камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек камертона к держателю. Согласно изобретению по варианту 4, пробное тело выполнено в виде термопары, а основание выполнено в виде нагревателя, установленного на излучателе ультразвука.
Кроме того, на пробное тело нанесено гидрофобное покрытие, например, из тефлона.
Изготовление пробного тела в виде термопары обеспечивает одновременное измерение температуры и вязкости жидкости. Причем место замера вязкости совпадает с местом измерения температуры, что особенно важно для тонких слоев, имеющих нанометровую толщину. Это позволяет установить различия в распределении температуры тонких слоев по высоте всего слоя жидкости.
Гидрофобное покрытие, например, из тефлона, нанесенное на поверхность пробного тела препятствует процессам смачивания, образования пленок влаги, а также блокирует возможное адсорбирование водных паров материалом пробного тела, что позволяет исключить влияние влаги на результаты измерений.
Размещение жидкости на нагревателе, обеспечивает возможность подогрева жидкости и определения зависимостей вязкости от температуры.
Размещение жидкости на излучателе ультразвука позволяет активировать механические примеси в жидкости и определять их влияние на вязкость жидкости.
Размещение жидкости на нагревателе, установленном сверху на излучателе ультразвука, обеспечивает одновременное измерение вязкости жидкости в зависимости от температуры жидкости и содержания в ней механических примесей.
На Фиг.1 показано устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 1, где показано, что пробное тело выполнено в виде термопары с нанесенным гидрофобным покрытием из тефлона.
На Фиг.2 показано устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 2, где показано, что пробное тело выполнено в виде термопары с нанесенным гидрофобным покрытием из тефлона, а основание выполнено в виде нагревателя.
На Фиг.3 показано устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 3, где показано, что пробное тело выполнено в виде термопары с нанесенным гидрофобным покрытием из тефлона, а основание выполнено в виде излучателя ультразвука.
На Фиг.4 показано устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 4, где показано, что пробное тело выполнено в виде термопары с нанесенным гидрофобным покрытием из тефлона, а основание выполнено в виде нагревателя, установленного на излучателе ультразвука.
Устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости, по варианту 1 (Фиг.1) выполнено в виде вертикально расположенного камертона, образованного держателем 1 камертона и двумя ножками 2, 3, разделенными держателем 1. Держатель 1 и ножки 2, 3 камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием 4 с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек 2, 3 камертона к держателю 1. К свободному торцу ножки 2 камертона закреплено пробное тело в виде термопары 5. На основании 6 расположен слой жидкости 7, в которую погружено пробное тело в виде термопары 5. По варианту 2 основание 6 выполнено в виде нагревателя (Фиг.2). По варианту 3 основание 6 выполнено в виде в виде излучателя ультразвука (Фиг.3). По варианту 4 основание 6 выполнено в виде нагревателя, установленного на излучателе ультразвука (Фиг.4). Кроме того, по каждому из вариантов (Фиг.1-4) на пробное тело в виде термопары 5 нанесено гидрофобное покрытие 8 из тефлона.
Устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 1 работает следующим образом. Устройство закрепляют посредством держателя 1. Держатель 1 и ножки 2, 3 камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием 4 с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек 2, 3 камертона к держателю 1. К ножке 2 камертона и держателю 1 подключают генератор вынужденных колебаний, к ножке 3 камертона и держателю 1 подключают детектор, а измерительный преобразователь соединяют с пробным телом в виде термопары 5, на которое нанесено гидрофобное покрытие 8 из тефлона. Для выполнения измерений пробное тело в виде термопары 5 погружают в слой жидкости 7, расположенный на основании 6. Генератором осуществляют вынужденные колебания ножки 2 камертона с пробным телом в виде термопары 5 и фиксируют детектором электрический сигнал с ножки 3 камертона, которая осуществляет свободные колебания. Одновременно измеряют электрический сигнал с пробного тела в виде термопары 5. Значение вязкости определяют на основании известных расчетных зависимостей. Значение температуры вычисляют на основе коэффициентов для данной термопары.
Устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 2 работает следующим образом. Устройство закрепляют посредством держателя 1. Держатель 1 и ножки 2, 3 камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием 4 с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек 2, 3 камертона к держателю 1. К ножке 2 камертона и держателю 1 подключают генератор вынужденных колебаний, к ножке 3 камертона и держателю 1 подключают детектор, а измерительный преобразователь соединяют с пробным телом в виде термопары 5, на которое нанесено гидрофобное покрытие 8 из тефлона. Для выполнения измерений пробное тело в виде термопары 5 погружают в слой жидкости 7, расположенный на нагревателе. Включают нагреватель и генератором осуществляют вынужденные колебания ножки 2 камертона с пробным телом в виде термопары 5 и фиксируют детектором электрический сигнал с ножки 3 камертона, которая осуществляет свободные колебания. Одновременно измеряют электрический сигнал с пробного тела в виде термопары 5. Значение вязкости определяют на основании известных расчетных зависимостей. Значение температуры вычисляют на основе коэффициентов для данной термопары.
Устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 3 работает следующим образом. Устройство закрепляют посредством держателя 1. Держатель 1 и ножки 2, 3 камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием 4 с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек 2, 3 камертона к держателю 1. К ножке 2 камертона и держателю 1 подключают генератор вынужденных колебаний, к ножке 3 камертона и держателю 1 подключают детектор, а измерительный преобразователь соединяют с пробным телом в виде термопары 5, на которое нанесено гидрофобное покрытие 8 из тефлона. Для выполнения измерений пробное тело в виде термопары 5 погружают в слой жидкости 7, расположенный на излучателе ультразвука. Включают излучатель ультразвука и генератором осуществляют вынужденные колебания ножки 2 камертона с пробным телом в виде термопары 5 и фиксируют детектором электрический сигнал с ножки 3 камертона, которая осуществляет свободные колебания. Одновременно измеряют электрический сигнал с пробного тела в виде термопары 5. Значение вязкости определяют на основании известных расчетных зависимостей. Значение температуры вычисляют на основе коэффициентов для данной термопары.
Устройство для измерения вязкости тонких слоев жидкости по варианту 4 работает следующим образом. Устройство закрепляют посредством держателя 1. Держатель 1 и ножки 2, 3 камертона выполнены в виде пластин из пьезокерамического материала с электропроводящим покрытием 4 с двух сторон с обеспечением электрического контакта в местах крепления ножек 2, 3 камертона к держателю 1. К ножке 2 камертона и держателю 1 подключают генератор вынужденных колебаний, к ножке 3 камертона и держателю 1 подключают детектор, а измерительный преобразователь соединяют с пробным телом в виде термопары 5, на которое нанесено гидрофобное покрытие 8 из тефлона. Для выполнения измерений пробное тело в виде термопары 5 погружают в слой жидкости 7, расположенный на нагревателе, установленном на излучателе ультразвука. Включают нагреватель и излучатель ультразвука, и генератором осуществляют вынужденные колебания ножки 2 камертона с пробным телом в виде термопары 5 и фиксируют детектором электрический сигнал с ножки 3 камертона, которая осуществляет свободные колебания. Одновременно измеряют электрический сигнал с пробного тела в виде термопары 5. Значение вязкости определяют на основании известных расчетных зависимостей. Значение температуры вычисляют на основе коэффициентов для данной термопары.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства расширяет функциональные возможности за счет обеспечения одновременного измерения температуры и вязкости тонких слоев жидкости.
Источники информации
1. Патент РФ №2263892, МПК G01N 11/10, 2005.
2. Патент РФ №2094771, МПК G01N 11/16, 1997.
3. Заявка на патент США №20090120169, МПК G01N 11/16, H01L 41/22, 2009.
4. Патент РБ на полезную модель №7274, МПК G01N 11/00, 2011 (прототип).