СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING VISCOSITY AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения, преимущественно автоматического, вязкости жидкостей, а также контроля готовности и качества полимерных и других растворов, например, при производстве полимерных волокон.
Известен способ измерения вязкости, реализованный в устройстве (см., например, авторское свидетельство СССР №489994, кл. G01N 11/14). Способ заключается в преобразовании вязкости контролируемой жидкости во вращающий момент с помощью вращающегося и воспринимающего элементов и последующего преобразования указанного момента в значение вязкости. Устройство содержит вращающийся и воспринимающий элементы, привод вращающегося элемента и измеритель вращающего момента, состоящий из упругого элемента и датчика угла поворота воспринимающего элемента.
Недостатком этих способа и устройства является большая погрешность измерения, обусловленная влиянием ее аддитивной составляющей, которая определяется качеством настройки, температурной и временной нестабильностью "нуля", влиянием возмущающих воздействий на измерительный механизм. Дополнительное движение контролируемой жидкости, например, при перемешивании в процессе приготовления раствора, воздействуя на воспринимающий элемент, создает дополнительную погрешность.
Наиболее близкими по сущности являются способ измерения вязкости с помощью ротационного вискозиметра и устройство для его реализации (см., например, Вискозиметры автоматические ротационные ВАР-5М. Руководство по эксплуатации 5Ж2.842.008 РЭ). Способ заключается в приведении во вращение с постоянной частотой вращения вращающегося элемента, отделенного от воспринимающего элемента слоем контролируемой жидкости, и измерении момента вращения, действующего на воспринимающий элемент. При этом о вязкости контролируемой жидкости судят по значению момента вращения, действующего на воспринимающий элемент. Устройство содержит привод с постоянной частотой вращения, укрепленный на его валу вращающийся элемент, воспринимающий элемент, который установлен на упругом элементе, и измерительный преобразователь угла поворота воспринимающего элемента.
Недостатком этих способа и устройства является большая погрешность измерения, обусловленная влиянием ее аддитивной составляющей, которая определяется качеством настройки, температурной и временной нестабильностью "нуля", влиянием возмущающих воздействий на измерительный механизм. При погружении устройства в контролируемую жидкость на выходной сигнал измерительного преобразователя влияет движение контролируемой жидкости в резервуаре, создавая дополнительную погрешность измерения. При использовании устройств для определения степени готовности растворов (в реакторах, мешалках) такое влияние может быть весьма существенным. При периодической чистке измерительных механизмов устройств от остатков контролируемых жидкостей происходит дополнительный "сдвиг нуля" передаточной характеристики, что требует частой и кропотливой подстройки.
Задачей изобретения является уменьшение погрешности измерения путем исключения влияния ее аддитивной составляющей и упрощение процесса настройки вискозиметров, реализующих предложенный способ.
Решение задачи достигается тем, что в способе измерения вязкости в одной точке кривой течения с помощью ротационных вискозиметров путем измерения момента вращения, действующего на воспринимающий элемент при вращении расположенного вблизи него вращающегося элемента, задают переменную частоту вращения вращающегося элемента, а о вязкости судят по изменению момента вращения, действующего на воспринимающий элемент. В устройство, реализующее этот способ и содержащее привод с укрепленным на его валу вращающимся элементом, а также воспринимающий элемент, укрепленный на упругом элементе, и измерительный преобразователь угла поворота воспринимающего элемента, введен блок определения изменения сигнала измерительного преобразователя угла поворота, подключенный к его выходу, а привод выполнен с изменяемой частотой вращения.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предложенный способ измерения вязкости. Устройство содержит привод 1 с укрепленным на его валу вращающимся элементом 2, воспринимающий элемент 3, укрепленный на упругом элементе 4 и связанный с измерительным преобразователем 5 угла поворота. Блок 6 определения изменения сигнала измерительного преобразователя 5 подключен к выходу последнего. Зазор между вращающимся 2 и воспринимающим 3 элементами заполнен контролируемой жидкостью. Вращающийся 2 и воспринимающий 3 элементы могут быть погружены в контролируемую жидкость. В приводе 1 для изменения частоты вращения могут быть использованы как электрические средства (регулируемый привод постоянного тока, частотный привод), так и механические (эллиптические шестерни, передача типа "мальтийский крест" и др.). Вращающийся и воспринимающий элементы могут быть выполнены по любой из измерительных систем: коаксиальные цилиндры, конус-конус, конус-плоскость.
0
Устройство работает следующим образом. При линейной передаточной характеристике упругого элемента 4 угол поворота воспринимающего элемента 3 пропорционален вязкости η контролируемой жидкости и скорости сдвига слоев жидкости, т.е. частоте вращения вращающегося элемента 2. Выходной сигнал U измерительного преобразователя 5 помимо полезной составляющей, пропорциональной углу поворота воспринимающего элемента 3, содержит аддитивную составляющую погрешности, не зависимую от угла поворота воспринимающего элемента - U,
,
где k - постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами устройства;
ω - частота вращения вращающегося элемента.
0
Составляющая U определяется точностью и стабильностью начальной настройки устройства, влиянием внешних потоков контролируемой жидкости, а также температуры элементов измерительного тракта, образованного вращающимися 2, воспринимающим 3 и упругим 4 элементами, измерительным преобразователем 5.
1
2
При изменении частоты вращения от ω до ω происходит соответствующее изменение сигнала U
;
.
1
2
Период изменения частоты вращения ω выбирается таким, чтобы сигналы U и U достигали своих установившихся значений.
В простейшем случае блок 6 определения изменения выходного сигнала измерительного преобразователя 5 вычисляет разность указанных значений сигнала U
,
вых
где U - выходной сигнал блока 6 определения изменения выходного сигнала измерительного преобразователя 5, т.е. выходной сигнал всего устройства.
Таким образом, результат измерения
не содержит аддитивной погрешности и является более точным.
1
2
2
2
1
1
2
Для ньютоновских жидкостей, а также не ньютоновских при измерениях на начальном (ньютоновском) участке кривой течения значения частот вращения ω и ω могут быть любыми. При измерениях на нелинейном участке кривой течения не ньютоновских жидкостей частота вращения ω должна быть равной нулю или менять свой знак: ω=-ω. Для измерения вязкости в другой точке кривой течения задают другие значения частоты вращения ω и ω.
Отсутствие в результате измерений аддитивной составляющей погрешности позволяет допустить более грубую, следовательно, более простую настройку устройства. Допустимая "расстройка нуля" не должна только выводить измерительный преобразователь 5 за пределы линейной зоны передаточной характеристики.
При известном и стабильном законе изменения частоты вращения для ньютоновских жидкостей, не обладающих упругостью и ползучестью, определение изменения момента вращения может осуществляться другими способами, например путем дифференцирования сигнала измерительного преобразователя 5.
Таким образом, предложенные способ и устройство, его реализующее, обеспечивают более точное измерение вязкости и упрощение процесса настройки.