Устройство для определения вязкости жидкости

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах измерения динамической вязкости жидкостей.
Определенная систематизация методов и средств измерения вязкости жидкостей приведена в монографии - Измерения массы, плотности и вязкости / Под. ред. Ю.В. Тарбеева-М.: изд-во стандартов, 1988. - 176 с. В книге приведены расчетные соотношения, которые необходимы при проектировании измерительных установок.
Находят применение капиллярные методы. В устройстве для измерения вязкости и плотности жидкости (патент RU 147292 U1, опубл. 10.11.2014) капилляр используется в режиме колебаний. Используют зондирование потока жидкости импульсами ультразвуковых колебаний (патент RU 2112231 С1, опубл. 27.05.1998). Поскольку хорошо разработана теория взаимодействия шарика с жидкостью, широко применяются шариковые методы. По способу измерения характеристик жидких сред, а именно объемного расхода и вязкости, и устройство для его реализации (патент RU 2379632 С1, опубл. 20.01.2010) применяют шарик в кольцевом потоке. Измерение вязкости в потоке жидкости используется в способе определения вязкости жидкости по патенту RU 2051372 С1, опубл. 27.12.1995. В этом варианте шарик закреплен на конце упругого рычага. Возможно формирование шарика в виде газового пузырька (патент RU 2390757 С1, опубл. 27.05.2010). Наиболее перспективным представляется автоколебательное движение шарика (патент RU 2373516 С2, опубл. 20.11.2009).
Известным устройством для измерения вязкости жидкостей свойственен общий недостаток - они, как правило, конструктивно и технологически сложны, что предполагает высокие трудозатраты как на этапе производства, так и при эксплуатации.
В качестве прототипа принято устройство для определения вязкости жидкости по патенту RU 2263892 С2 МПК G01N 11/10, опубл. 10.11.2005 Бюл. №31. В описании изобретения к патенту конструкция устройства показана схематично. Имеется емкость 3 для исследуемой жидкости, с которой может взаимодействовать зонд (рабочее тело) 11. Привод перемещения зонда потенциального типа - используется ускорение сводного падения. В состав привода зонда входят шток 13 и экран 12. Управление приводом осуществляется посредством электромагнита 14. Регистратор параметров движения зонда представлен светодиодами 9,10. Предусмотрена система подогрева исследуемой жидкости. Выходным информационным параметром является время движения зонда на базовом участке. О свойствах жидкости судят по калибровочным графикам.
Устройству-прототипу свойственны те же недостатки, что и аналогам.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструктивной и технологической сложности устройства для определения вязкости жидкости.
Решаются задачи:
1. Разработка конструкции установки для определения вязкости жидкости, обеспечивающей низкие трудозатраты на этапах изготовления и эксплуатации.
2. Конструкция установки должна быть простой и технологичной.
3. Обоснование принимаемых технических решений.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для определения вязкости жидкости, содержащей емкость для исследуемой жидкости, зонд, взаимодействующий с измеряемой жидкостью, привод перемещения зонда и регистратор параметров движения зонда, зонд выполнен в виде тонкостенных секторов цилиндрической формы, привод перемещения зонда выполнен в виде вращательного колебательного звена баланс-упругий подвес с магнитоэлектрической системой возбуждения автоколебаний, содержащей схему формирования импульсов привода, при этом зонд закреплен соосно на балансе в его нижней части.
Конструкция установки для определения вязкости жидкости поясняется чертежами:
Фиг. 1. Общий вид;
Фиг. 2. Осевой разрез датчика;
Фиг. 3. Разрез А-А по фиг. 2;
Фиг. 4. Разрез Б-Б по фиг. 2;
Фиг. 5. Схема для расчета угла импульса;
Фиг. 6. Схема формирования импульсов привода.
Принятые обозначения
1. Основание.
2. Емкость для исследуемой жидкости.
3. Датчик.
4. Зонд.
5. Кронштейн датчика.
6. Винты крепления датчика.
7. Винты крепления кронштейна 5.
8. Корпус датчика.
9. Баланс - инерционное тело колебательного звена.
10. Втулка баланса.
11. Верхнее крыло баланса.
12. Нижнее крыло баланса.
13. Цанговый зажим баланса.
14. Упругий подвес.
15. Цанговый зажим корпуса.
16. Постоянные магниты.
17. 18. Электрические катушки.
19. Кронштейн системы возбуждения автоколебаний.
20. 21. Накладки катушек.
22. Винты накладок.
23. Электрический разъем.
24. Винты крепления кронштейна 19.
25. Подшипник.
26. Кронштейн подшипника.
27. Винты кронштейна 26.
28. Защитный кожух.
Монтажной основой установки является основание 1, в небольшом углублении которого установлена емкость 2 для исследуемой жидкости. Емкость может иметь метку уровня. Над емкостью расположен датчик 3 с выступающим из его корпуса зондом 4. Зонд имеет метку (на чертеже не показано) глубины погружения . Пространственное положение датчика реализуется посредством кронштейна 5. Крепление датчика осуществляется винтами 6, а крепление кронштейна - винтами 7.
Датчик выполнен в виде отдельной сборочной единицы, все его элементы смонтированы на корпусе 8 прямоугольного сечения Г-образной формы. Привод перемещения зонда 4 выполнен на основе вращательного колебательного звена баланс-упругий подвес. Сборочная единица баланс (инерционное тело) 9 содержит центральную магнитоприводную втулку 10, к которой прикреплены верхнее магнитоприводное крыло 11 в форме круга, нижнее магнитоприводное крыло 12 в форме перевернутой чаши и цанговый зажим 13 для крепления нижнего конца упругого подвеса 14. Упругий подвес представляет собой отрезок проволоки круглого сечения из материала с малым внутренним трением (узкой петлей механического гистерезиса). Верхний конец упругого подвеса закреплен в цанговом зажиме 15 корпуса датчика. Цанговые зажимы являются стандартными элементами, поэтому на фиг. 2 они показаны условно.
u
о
и
Имеется магнитоэлектрическая система возбуждения автоколебаний баланса. К ней относятся диаметрально закрепленные с помощью клея на крыльях баланса две пары постоянных магнитов 16 осевой намагниченности. В целом баланс осеуравновешен. В магнитных зазорах баланса установлены бескаркасные плоские электрические катушки 17, 18. Катушки имеют одинаковые внешние диаметры. Одна катушка намотана бифилярно (в два провода) и содержит секцию W и секцию W, а вторая - только секцию W. Катушки входят в схему формирования импульсов привода (СФИП) - фиг. 6. Пространственное положение катушек обеспечивается с помощью кронштейна из электроизоляционного материала 19 - см. фиг. 3. Этот кронштейн совместно с другими элементами образует отдельную сборочную единицу. Катушки 17, 18 размещены в расточках концевых участков кронштейна и поджаты накладками 20, 21 с помощью винтов 22. Методом навесного монтажа на кронштейне установлены транзистор VT и конденсатор С СФИП. Внешнее электрическое соединение реализуется с помощью разъема 23. Кронштейн 19 крепится к корпусу 8 датчика винтами 24.
При проектировании зонда необходимо иметь в виду обеспечение касательных напряжений в исследуемой жидкости. На фиг. 4 показано сечение зонда. Он представляет собой два сектора тонкостенной цилиндрической оболочки с высотой, превышающей расчетную глубину погружения . Кромки секторов притуплены. Зонд соединен с приводом перемещения, а именно с балансом. Учитывая форму этих элементов, зонд и нижнее крыло баланса следует выполнять в виде единой детали. К расчетным параметрам зонда относятся:
R - радиус оболочки;
α - угол сектора;
h - толщина оболочки;
- глубина погружения;
S - общая площадь взаимодействия с измеряемой жидкостью.
Учитывая, что R>>h
В датчике предусмотрена блокировка возможных по причине внешних возмущений маятниковых колебаний баланса, соответственно зонда. В нижней части упругого подвеса установлена втулка (подшипник) 25. Втулка представляет собой стандартную и широко распространенную в приборостроении опору из искусственных минералов (рубин, лейкосапфир) с оливированным отверстием. Втулка запрессована в отверстие кронштейна 26, который винтами 27 присоединен к корпусу 8 датчика.
После монтажа функциональных элементов датчика устанавливается защитный кожух 28 из листового материала П-образной формы. Из соображений наглядности на фиг. 3 он показан условно пунктирной линией.
Расчетная стационарная амплитуда автоколебаний баланса, следовательно, зонда, реализуется уровнем электропитания Е схемы формирования импульсов привода (СФИП) - фиг. 6. При движении баланса по направлению ω (фиг. 5) в пределах угла импульса λ в обмотках катушек 17, 18 индуцируется ЭДС.
о
ЭДС обмотки освобождения W в векторной форме
где  - магнитная индукция в зазоре;
- направление витка;
- линейная скорость.
о
о
u1
u2
Концы обмотки W подключены так, что е в пределах λ положительна. После прохождения положения равновесия изменяется направление  витка и ЭДС меняет знак. Для транзистора VT принятий проводимости (n-р-n) положительная полуволна ЭДС открывает транзистор и по обмоткам импульса W и W проходит импульс тока, обеспечивающий подкачку энергии к колебательному звену. Катушки включены последовательно (фиг. 6), токи в них равны, следовательно, образуется пара сил, что исключает появление поперечной (маятниковой) силы. Возможный диапазон амплитуд φ автоколебаний
ст
Для определенности примем значение стационарной амплитуды φ=1 рад.
Поясним принцип выявления искомого параметра (динамической вязкости жидкости). Рассмотрим свойства системы.
Первым параметром колебательного звена является собственная частота f
где Т - период колебаний;
ω - циклическая частота,
здесь D - крутильная жесткость подвеса;
J - момент инерции баланса.
Энергетические свойства колебательного звена характеризуются величиной добротности Q
где
- колебательная энергия при амплитуде φ;
пот
Е - энергия потерь за один период Т.
u
Вместо величины добротности пользуются значением интегрального коэффициента трения h
u
о
о
о
Значения величин h или Q определяют экспериментально (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учеб. Пособие. - Владимир: изд. Атлас, 2016. - 205 с. ISBN 978-5-903087-53-2). Для этого получают функцию выбега φ=f(t). Применительно к рассматриваемой установке регистрируют импульсы ЭДС е обмотки W СФИП при отключенном электропитании Е. Из формулы (2) следует, что пиковое значение е пропорционально амплитуде φ
поскольку
max
б
V=ωφr,
б
ст
где r - межосевое смещение магнитов 16. Значение коэффициента K - формула (9) - находят при φ=φ.
ст
о
о
Формула (9) показывает, что в процессе эксплуатации установки при установлении нужного значения амплитуды автоколебаний баланса φ следует измерять максимальное значение ЭДС освобождения е. Поскольку положительная полуволна e несколько уменьшается за счет тока базы транзистора VT, предпочтительно пользоваться отрицательной полуволной.
ст
1
ст
N
ст
На функции выбега в окрестностях стационарной амплитуды φ берут два значения φ>φ и φ<φ и вычисляют значение добротности
1
N
где N - количество периодов Т за время движения от амплитуды φ до амплитуды φ.
пот
В соответствии с формулой (6) энергия потерь E за один период Т колебаний составит
За это время от источника энергии Е системы возбуждения передана энергия
ср
где I - средний ток источника Е.
Учитывая, что в исходном положении транзистор VT за счет нулевого смещения находится в режиме отсечки, то при больших значениях коэффициента передачи тока β транзистора форма импульсов тока близка к прямоугольной, тогда
т
где I - амплитуда тока в импульсе;
u
t - длительность импульса.
В соответствии с формулами (11), (12) коэффициент полезного действия  равен
пот
ср
Из формулы (13), (14) следует, что аттестовав значение коэффициента полезного действия  достаточно при нахождении энергии потерь E в процессе эксплуатации установки измерить среднее значение потребляемого тока I
ст
0
По результатам метрологической аттестации фиксируют основные параметры установки - J, D, ω, Т, , K, φ, , Q, , . Параметрам, которые изменяются при измерении вязкости жидкости, присвоен верхний индекс 0. В спецификацию установки входят: измеритель среднего значения импульсного тока, источник регулируемого постоянного электропитания, измеритель ЭДС.
Пользуются установкой следующим образом:
1. Наполняют емкость 2 исследуемой жидкостью, выдерживая уровень погружения  зонда 4.
ст
о
2. Регулировкой уровня электропитания Е устанавливают значение стационарной амплитуды автоколебаний φ баланса. Контроль ведут по величине е (отрицательная полуволна).
ср
3. Измеряют среднее значение тока I.
пот
u
4. По разности  вычисляют E, h и находят величины их увеличения
Энергия  равна работе сил вязкого трения в исследуемой жидкости.
5. Принимают модель жидкости и находят динамическую вязкость η. В монографии, цитируемой на с. 1 данного описания - см. с. 163 - для ньютоновской жидкости при колебательном методе измерения получено выражение для нахождения динамической вязкости η
где ρ - плотность жидкости;
S - площадь зонда - см. формулу (1).
Таким образом, предлагаемая установка для определения вязкости жидкости за счет блочного исполнения конструктивно проста и высокотехнологична, что предполагает низкие трудозатраты при освоении в производстве. Процедура выявления параметров вязкого трения исследуемой жидкости не требует высокой квалификации оператора.
Устройство для определения вязкости жидкости, содержащее основание, на котором установлена ёмкость для исследуемой жидкости, зонд, взаимодействующий с исследуемой жидкостью, привод перемещения зонда и регистратор параметров движения зонда, отличается тем, что зонд выполнен в виде тонкостенных секторов цилиндрической формы, привод перемещения зонда выполнен в виде вращательного колебательного звена баланс-упругий подвес с магнитоэлектрической системой возбуждения автоколебаний, содержащей схему формирования импульсов привода, при этом зонд закреплен соосно на балансе в его нижней части, а регистратор параметров движения зонда выполнен в виде измерителя параметров электропитания схемы формирования импульсов привода.