УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости.
Данная полезная модель представляет собой устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред. Устройство относится к точному приборостроению и может быть использовано для определения плотности и вязкости жидких сред в научных исследованиях, здравоохранении и различных отраслях промышленности.
В ходе выполнения ряда исследовательских работ возникает необходимость в одновременном измерении вязкости и плотности малых объемов жидкости с достаточно высокой точностью.
Известны устройства, сочетающие в себе возможность измерения плотности и вязкости за счет дополнительного вращения трубки с исследуемым образцом и измерения поперечных и вращательных колебаний. Патент Великобритании №GB 2456034, относится к устройству измерения плотности и/или вязкости стационарной или движущейся жидкости. Устройство обеспечивает возможность измерения резонансной частоты поперечных колебаний трубы для определения плотности, и также обеспечивает возможность измерения затухания вращательных, колебаний трубы для определения вязкости жидкости в трубе. С этой целью на трубе закреплен возбудитель колебаний, который выполнен с возможностью передавать поперечные и/или вращательные колебания к трубе [1]. Устройства данного типа разработаны для работы в скважинах не позволяют измерить значения плотности и вязкости образца в малых количествах с объемом около 1,5 мл. Модификация данного технического решения реализована в вискозиметре Штабингера SVM3000 (фирма Anton Paar) [2]. Однако, этот прибор требует замены измерительного блока прибора при измерении плотности.
Наиболее близкий аналог, по принципу измерения параметра вязкости, приведен в авторском свидетельстве №1104393 [3], в котором определение вязкости образца осуществляется путем вращения ротора в камере с исследуемой жидкостью на магнитном подвесе. Магнитный подвес ротора осуществляется регулировкой тока проходящего через катушку электромагнита, центральная ось которого совпадает с осью вращения ротора снабженного в верхней части магнитомягким материалом и обеспечивающим вертикальное положение ротора. Вертикальное положение ротора измеряется с помощью индуктивных датчиков, а вращение ротора обеспечивается вращением постоянных магнитов, которые расположены с внешней стороны камеры и управляются с помощью шагового двигателя. При этом ротор содержит оптическое отверстие для измерения частоты вращения ротора с помощью фотоэлемента. Для измерения вязкости жидкостей в этом приборе требуется около одного кубического сантиметра образца. Камеру с исследуемым образцом термостатируют, что позволяет выполнить измерения вязкости с достаточно высокой точностью. Однако данное устройство не предназначено для одновременного измерения двух параметров -вязкости и плотности. Кроме этого оно не обеспечивает измерения вязкости и плотности для непрозрачных или плохо прозрачных образцов исследуемой жидкости.
Технической задачей при разработке полезной модели является разработка устройства, которое позволяет одновременное измерение параметров вязкости и плотности исследуемых жидкостей в малых объемах.
Другой технической задачей является расширение арсенала устройств используемых для измерений параметров вязкости и плотности непрозрачных жидкостей.
Указанные технические задачи реализуются в конструкции устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей, которое содержит измерительную камеру с исследуемой жидкостью, ротор с сердечником, привод вращения ротора, усилитель сигнала с датчика вращения ротора, магнитодинамический подвес с катушкой электромагнита, катушки индуктивности датчика положения ротора, расположенные на внешней оболочке камеры, которые подключены ко входу дифференциального регулятора положения ротора выход которого связан с катушкой электромагнита. Устройство дополнительно содержит токовый шунт, который включен последовательно с катушкой электромагнита магнитодинамического подвеса, при этом обеспечивается возможность измерения плотности, которая пропорциональна току, проходящему через катушку электромагнита магнитодинамического подвеса.
Для обеспечения возможности измерения периода вращения ротора пропорционального вязкости исследуемой жидкости вход узла усилителя сигнала датчика вращения ротора подключен к датчику Холла, который регистрирует момент изменения магнитного поля от магнита, размещенного внутри ротора. Выход усилителя сигнала датчика вращения ротора подключен в первому входу блока связи с компьютером, второй вход которого подключен к выходу АЦП, а вход АЦП подключен к токовому шунту.
Полезная модель поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1. Блок-схема устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей.
Фиг. 2. представлен график калибровочной прямой для измерения вязкости.
Фиг. 3 представлена кривая ошибок измерения вязкости жидкостей.
Фиг. 4 представлен график калибровочной прямой для измерения плотности.
Фиг. 5 представлена кривая ошибок измерения плотности жидкостей.
Описание устройства
Предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять одновременное измерение вязкости и плотности жидкости в одной термостатированной камере при абсолютно одинаковых температурах рамках единой термостатированной измерительной камеры объемом до 1,5 мл., в диапазоне температур от 0 до 150°C.
Устройство состоит из измерительного узла и блока управления. Блок - схема устройства представлена на фиг. 1. В состав измерительного узла входит измерительная камера 1, ротор 2, постоянные магниты 3 закрепленные на вращающейся втулке 6, катушки индуктивности датчика положения 10 и 11, входной 12 и выходной 13 капилляры заполнения камеры, узел заполнения камеры 14, магнитодинамический подвес ротора с сердечником электромагнита 15 и катушкой электромагнита 16.
Блок управления обеспечивает регистрацию, усиление и преобразование выходных сигналов, снимаемых с датчиков, расположенных в измерительном узле, а также задание и поддержание температуры термостатирующего устройства. В состав блока управления входят: блок связи с компьютером 5, регулятор магнитодинамического подвеса ротора 17, усилитель сигнала датчика вращения ротора 19, блок управления 20 шаговым двигателем 21, резистор тока 22, АЦП 23, датчик Холла 24, термостат измерительного узла 18.
В ротационном вискозиметре/плотномере ротор 2 подвешен в исследуемой жидкости в камере 1 с помощью магнитодинамический подвеса, создаваемого соленоидом с сердечником 15 из магнитомягкого материала. Ротор 2 выполнен из цилиндрического стеклянного капилляра, в верхней внутренней части которого размещен магнитомягкий сердечник 8, например феррит, в центре внутреннего объема ротора закреплен постоянный магнит 7, в нижней внутренней части которого размещен цилиндр 9, выполненный из электопроводного материала, например алюминия.
Положение ротора 2, находящегося в поле электромагнита, устойчиво в вертикальном положении благодаря системе регулирования. Положение контролируется дифференциальным датчиком положения, состоящим из двух катушек индуктивности 10 и 11. Сигнал с катушек 10 и 11 поступает на пропорционально интегрально дифференциальный регулятор магнитодинамического подвеса ротора 17. Регулятор управляет током, который последовательно проходит через катушку 16 электромагнита и дополнительный включенный в схему токовый шунт 22 так, чтобы ротор 2 поддерживался в определенном положении. Токовый шунт 22 представляет собой низкоомный резистор.
Величина тока проходящего через катушку 16 электромагнита зависит от плотности жидкости заправленной в измерительную камеру. Напряжение с шунта 22 пропорциональное току через катушку 16 электромагнита, поступает на вход АЦП 23, с выхода которого цифрой сигнал, поступает на второй вход блока связи с компьютером 5, где сигнал преобразуется в стандарт RS - 232 и подается на вход компьютера.
Магнитное поле для вращения ротора 2 внутри камеры 1 создается вращением постоянных магнитов 3 вокруг оси ротора 2 [3]. Вращающееся магнитное поле возбуждает в стенках цилиндра 9 вихревые токи, благодаря чему ротор 2 приводится во вращение. Магниты 3 закреплены на вращающейся втулке 6, ось которой связана с двигателем 21, например, с шаговым электродвигателем. Ротор 2 вращается с постоянной угловой скоростью, если момент сил, действующий на ротор со стороны магнитов, уравновешивается моментом сил трения в исследуемой жидкости, предварительно залитой в камеру 1.
Для измерения вязкости исследуемой жидкости в камере 1 измеряют период Τ вращения ротора 2 в исследуемой жидкости. Для этого регистрируют изменение магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 7 установленным внутри ротора 2 по отношению к датчику вращения ротора. В качестве датчика используют датчик Холла 24. При вращении ротора 2 магнитное поле периодически прерывается, изменяя при этом амплитуду выходного напряжения с датчика Холла, которое поступает на вход усилителя 19 сигнала датчика вращения ротора. С выхода усилителя 19 сформированные импульсы поступают на вход частотного преобразователя размещенного в блоке связи с компьютером 5 и далее после обработки поступают через интерфейс RS - 232 в компьютер.
Смещение оси ротора 2 в горизонтальном направлении исключается расходящимся магнитным полем, создаваемым сердечником 15 электромагнита с конусной формой нижнего торца.
Камера 1 может быть выполнена из инертного металла или стекла. Стеклянная камера позволяет измерять вязкость и плотность химически активных жидкостей. Перед измерениями в любом режиме камеру 1 полностью заполняют исследуемой жидкостью через верхнее отверстие узла заполнения 14 по входному капилляру 12. При заполнении камеры воздух из камеры вытесняется по выходному капилляру 13 [4].
Конструкция камеры позволяет одновременно измерять вязкость и плотность жидкостей в проточном режиме за счет ввода исследуемой жидкости во входной капилляр заполнения камеры 12 и вывода образца через выходной капилляр заполнения камеры 13.
Температура исследуемой жидкости задается с помощью блока управления термостата 18. Камера 1 и термостат помещены в медный экран 4, что положительно сказывается на точности измерения. При работе в области высоких температур во внутренний объем рабочей камеры 3 через герметичный узел заполнения 14 подают избыточное давление для исключения кипения и образования пузырьков воздуха в исследуемой жидкости.
При постоянном заданном периоде вращения магнитов вязкость жидкости связана с периодом вращения ротора зависимостью [4].
η=A·T-B.
Коэффициенты A и B определяются по двум градуировочным жидкостям с известной вязкостью при заданной температуре.
Перед измерением проводят калибровку устройства по образцам с известными значениями параметров вязкости и плотности.
Для калибровки в режиме измерения вязкости используют следующие образцы: воздух, вода, РЭВ-2-ЭК и РЭВ-5 ЭК. Образцы РЭВ-2-ЭК и РЭВ-5 ЭК используют как стандартные образцы вязкости. На фиг. 2. представлен график калибровочной прямой для измерения вязкости.
Вязкость исследуемой жидкости можно рассчитать с усредненными коэффициентами по формуле:
η=0.0002·T-0.2175
Где η - вязкость в сантипуазах.
На фиг. 3 представлена кривая ошибок измерения вязкости жидкостей. Диапазон измерения вязкости составляет от 0 до 30 мПа*с
Плотность исследуемой жидкости определяется зависимостью:
1
1
p=-A·U+B.
Коэффициенты A1 и B1 определяются по двум градуировочным жидкостям с известной плотностью при заданной температуре.
Для калибровки прибора в режиме измерения плотности использовались следующие образцы: хлороформ, вода, РЭВ-2-ЭК, РЭВ-5 ЭК, ПЛ-810-ЭК, воздух.
Образцы РЭВ-2-ЭК РЭВ-5-ЭК и ПЛ-810-ЭК используются как стандартные образцы плотности жидкости. На фиг. 4 представлен график калибровочной прямой.
Усредненные коэффициенты A1 и B1 представлены в формуле:
p=-0.0056 U+3.6168
3
3
Где p - плотность в г/см. Диапазон измерения плотности от 0 до 2 г/см.
На фиг. 5 представлена кривая ошибок измерения плотности жидкостей.
Предложенная полезная модель для измерения плотности и измерения вязкости промышленно воспроизводима. Устройство позволяет работать с малым количеством исследуемого вещества и обеспечивать высокую воспроизводимость за счет термостатирования с высокой точностью.
Литература:
1. W.M. Cowsar et all. Using transverse and torsional oscillations of a pipe to determine fluid density and viscosity №GB 2456034 (2010-07-14).
2. Вискозиметр Штабингера SVM3000 (Anton Paar) http://granat-e.ru/svm3000.html
3. Межбурд Ε.В., Сенин Α.Α., Лаврентьев Ю.M. А.с. 1104393 СССР. // Б.И. 1984. №27. С. 117.
4. Абдурахманов Н.Н., Межбурд Е.В., Сенин А.А. Ротационный вискозиметр на магнитном подвесе ПТЭ №4, 1989 стр. 206-209.