FIBRE-OPTIC SENSOR FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE VISCOSITY OF A FLUID MEDIUM
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к устройствам для непрерывного определения вязкости текучих сред, в частности, в трубопроводах подачи высоковязких и реологически сложных типа глинистых буровых растворов, быстротвердеющих вяжущих смесей в 3Д-строительных принтерах, полимеризующихся топливных масс ракетных двигателей и т.п.
Известны устройства для непрерывного измерения вязкости текучих сред, использующие электромеханическое преобразование исходного силового сигнала зонда.
Так, в устройстве для определения вязкости (RU 2537524), зонд, выполненный в форме двуплечего рычага, передает силовое воздействие среды через герметичную мембрану и толкатель на тензометрический датчик давления, от которого электрический сигнал в размерности вязкости поступает на экран показывающего прибора.
В устройстве (RU 160404) в измерительную трубу технологического трубопровода встроена измерительная капсула с индукционными катушками, включенными в электрическую цепь переменного тока по мостовой схеме и реагирующими на перемещение под воздействием сил натекания среды ферромагнитного элемента.
К недостаткам датчиков с размещенными в трубопроводе механическими подвижными элементами относятся низкий порог чувствительности из-за трения, возможности загрязнения и накопления погрешностей в цепочке передачи и преобразования исходного сигнала, а также значительное перекрытие зондом проходного сечения трубопровода.
Известен тензометрический датчик вязкости (SU 1286945), содержащий чувствительные элементы в виде двух тензодатчиков с зондами, имеющими различное гидравлическое сопротивление и частично погруженными в измеряемую среду переменного уровня, и регистрирующий прибор обработки сигналов, определяющий вязкость при движении зондов относительно измеряемой среды в открытом канале.
Предложенное устройство ограничено использованием в открытых (без избыточного давления) объемах, а его метрологические показатели -уровнем точности тензометрического преобразователя изгибных деформаций зондов в электрический сигнал.
Известны встраиваемые в трубопровод датчики вязкости вибрационного типа, например, Solartron 7827 и 7829 фирмы Mobrey (Великобритания), ViskoSense фирмы VAF Instruments (Нидерланды), РРМ-HLV-2 (Китай), чувствительные элементы которых представляют собой камертоны, поддерживаемые электроникой прибора в резонансе. Поскольку резонансная частота камертона определяется плотностью среды, а затухание колебаний пропорционально вязкости, то по замерам частоты и параметров затухания колебаний прибор обработки сигнала рассчитывает искомые характеристики среды - динамическую вязкость и плотность.
Известно устройство (RU 2700013) для измерения физических свойств периодически отбираемых проб биологических жидкостей, использующее встроенный в катридж кантилевер на основе оптических волокон.
Указанное устройство состоит из измерительного блока, включающего источник света, фотоприемник, электромагнит для формирования переменного по времени магнитного поля, процессор для обработки выходного сигнала фотоприемника и создания измерительного сигнала, и катриджа, соединенного с измерительным блоком. Катридж содержит канал, заполняемый порцией исследуемой биологической жидкости - плазмы, цельной крови, слюны и др., - и пересекающийся с погруженным в жидкость волноводом, покрытым магнитным материалом и колеблющимся в магнитном поле.
По параметрам отраженного оптического сигнала определяется вязкость жидкости, при этом вариантами изобретения предусмотрена возможность использования кантилевера на основе оптического волокна с волоконной брегговской решеткой (ВБР).
Общим недостатком датчиков вязкости вибрационного типа с электромагнитными и электронно-акустическими источниками колебаний является их ограниченный диапазон измеряемых вязкостей - до 20 Па⋅с, - обусловленный ростом рассеивания энергии колебаний в вязкопластичных средах, а также значительными габаритами чувствительных элементов.
Появление на рынке средств измерения малогабаритных, помехоустойчивых и безопасных оптических чувствительных элементов на основе ВБР расширило области измерения волоконно-оптическими датчиками (ВОД) широкого класса физических величин - силы, деформации, механического напряжения, перемещения, температуры, давления, скорости потока и уровня жидкости (см. например, Удд Э. Волоконно-оптические датчики. - М.: Техносфера, 2008. - 356 с., и Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - М.: Физматлит, 2010. - 488 с.).
Возможность использования ВОД, приведенных в указанных источниках, для непрерывного определения вязкости текучих сред не установлена.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа по числу совпадающих с изобретением функциональных и конструктивных признаков, является ВОД для измерения вязкости среды в потоке (см. Казанцев Е.И., Шелемба И.С. Датчик для измерения вязкости среды в потоке //Молодежь. Инновации. Технологии: сборник науч. трудов 1У Международ, науч.-технол. конфер. студентов и молодых ученых. - Новосибирск: изд-во НГУ, 2020. С. 164…165). Датчик содержит зонд, выполненный в виде капиллярной трубки из нержавеющей стали и скрепленный с размещенным внутри чувствительным элементом в виде оптического волокна с ВБР. Нагружение зонда растягивающим усилием, имитирующим обтекание высоковязкой средой, осуществлялось грузиками известного веса. Результатами экспериментов были подтверждены расчетные методики и работоспособность конструкции датчика.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции и недостаточная точность.
Задачей изобретения является упрощение конструкции датчика и повышение точности измерений.
Это достигается тем, что ВОД выполнен в виде общего оптического волокна с последовательно размещенными по его длине функционально- структурными составляющими средства измерения - контактирующим с текучей средой зондом, элементом силовой связи зонда с чувствительным элементом в виде ВБР, ВБР и элементом оптической связи ВБР с внешним регистрирующим прибором.
Вариантами исполнения составных частей датчика, для повышения его метрологических характеристик, предложено использовать волокно с ВБР, записанной при температуре измерения вязкости текучей среды; участок волокна с ВБР снабдить термостатом, поддерживающим температуру волокна на уровне температуры ее записи, выполнить зонд с удельным весом, равный удельному весу текучей среды, а также дополнить его насадкой с развитыми продольными осесимметричными плоскостями и дополнительной ВБР для компенсации влияния температуры.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 приведена структурная схема датчика, на фиг.  дан пример исполнения датчика для контроля потока жидкости в трубопроводе, на фиг. 3-разрез А - А на фиг. 2.
ВОД 1 (фиг. 1) состоит из погруженного в поток вязкой жидкости (на фиг. не показана) оптического волокна 2, на котором последовательно размещены функционально-структурные компоненты датчика - зонд 3 длиной L, на поверхности которого тангенциальное напряжение вязкостного трения создает растягивающую силу, передаваемую на ВБР 4 и преобразуемую в решетке деформацию волокна в изменение исходного оптического сигнала 5. Отраженный ВБР 4 поступает сигнал по участку информационной связи 6 волокна 2 во внешний, обычно многоканальный прибор обработки сигналов (интеррогатор) 7, откуда обработанный сигнал 8 передается на пульт оператора или систему автоматического управления технологическим процессом. Узел закрепления 9 волокна 2 предохраняет его сползание в измеряемую среду.
Поскольку спектральное смещение резонансной длины волны отраженного оптического сигнала волоконной решетки Брэгга зависит не только от деформации волокна от силового воздействия измеряемой вязкости, но и от температуры, то использование волокна с ВБР, записанной при температуре измеряемой среды, исключает или существенно уменьшает влияние температурного фактора на погрешность измерений.
Для работы ВОД в расширенном температурном диапазоне в оптоволокно зонда 3 предложено записывать дополнительную ВБР с жестким недеформируемым покрытием (на фиг. не показаны), позволяющую выделить из отраженного ВБР 4 сигнала температурную составляющую.
Исключение из конструкции ВОД капиллярных трубок и других корпусных деталей, скрепленных с ВБР и перераспределяющих осевую нагрузку от зонда, существенно повышает чувствительность датчика. Проведенными экспериментами на макетах ВОД без защитных капиллярных трубок показана возможность повышения чувствительности почти на порядок, при этом сама операция установки и вклеивания ВБР в трубку достаточно трудоемка.
На фиг. 2 показан вариант исполнения ВОД для контроля высокотемпературной текучей среды 10, подаваемой по трубопроводу 11. Зонд 3 датчика снабжен насадкой 12 в форме трех или более продольных осесимметричных поверхностей 13 (см. фиг. 3), существенно сокращающих длину L1 зонда и площадь его поперечного сечения. Для исключения искажения гидродинамики продольного обтекания зонда 3 горизонтальным потоком текучей среды 10 и изгибных деформаций на растягивающую нагрузку, зонд (с насадкой 12) имеет удельный вес, равный удельному весу текучей среды.
Участок 14 волокна 2, осуществляющий силовую связь зонда 3 с ВБР 4, экранирован от силового контакта с потоком текущей среды 10 капилляром 15, а температура зоны волокна с ВБР на уровне записи решетки поддерживается электротермостатом 16 - с резистивным полимерным элементом, нанесенным непосредственно на волокно или поверхность капилляра и используемым для нагревания, или термоэлектрическим элементом Пельте, используемым для охлаждения ВБР. Кольцевой зазор на выходе волокна 2 из капилляра 15 герметизирован клеевой пробкой 17.
Использование зонда с насадкой обеспечивает повышенную компактность и чувствительность датчика, а наличие термостата - его работоспособность в условиях работы с высокотемпературными средами типа стекольных и металлических расплавов.
Работа ВОД. При обтекании оптического волокна 2 датчика, показанного на фиг. 1, ламинарным потоком вязкой ньтоновской или псевдоньютоновской текучей среды на его поверхности развивается касательная сила внутреннего трения F, выражаемая формулой
где μ - динамическая вязкость (коэффициент внутреннего трения);
dv/dl - градиент скорости;
S - площадь контакта.
Сила, развиваемая на зонде 3, создает в ВБР 4 напряжение и деформацию 8 растяжения волокна, рассчитывается (после упрощений) по формуле
где L - длина зонда;
d - диаметр волокна;
Е - модуль упругости материала волокна;
которое вызывает пропорциональное изменение показателя преломления и период ВБР и смещение длины отраженного сигнала 5, предаваемого по участку информационной связи 6 волокна 2 на один из каналов многоканального внешнего прибора 7 обработки сигналов и далее, по каналу 8, на пульт управления оператора (на фиг. не показан).
При равенстве температур записи ВБР 4 и текучей среды компенсация влияния термооптического коэффициента и температурного коэффициента линейного расширения не требуется, что упрощает алгоритм обработки сигналов измерений и позволяет использовать формулу (2) в качестве модели измерений в данной конкретной измерительной задаче.
Измерение вязкости текучих сред в технологических трубопроводах серийного производства обычно предполагает наличие информации о значениях основных физических величин, входящих в модель измерения по формуле (2), или в модель более сложной реологической среды типа неньютоновской вязко-пластичной жидкости, теория подобия течения которой включает два критерия, характеризующих влияние структурной вязкости и так называемого «параметра пластичности», определяющего эффект пластичности жидкости.
Кроме этого, в серийном производстве широко используется возможность дифференциального метода измерений, при котором контролируется отклонение величины вязкости (или ее производной, например, силы внутреннего трения среды на зонде) от заданного технологическим регламентом нормативного значения комплекса «вязкость -температура».
Техническим результатом изобретения является экспериментально подтвержденное упрощение конструкции и повышение точности ВОД для непрерывного измерения вязкости текучей среды.