ВИБРОВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
VIBRATION VISCOSIMETER SENSOR

Изобретение относится к области определения вибрационным методом сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры.
Прототипом изобретения является устройство для исследования теплофизических свойств жидкости по патенту РФ № 2263305.
Известный вибровискозиметр, представленный на фиг. 1, состоит из металлического внутреннего корпуса, в котором смонтированы возбудитель колебаний механической колебательной системы и индуктивный датчик текущего пространственного положения колебательной системы. С якорем колебательной системы соединен капилляр, например, из стекла или керамики, который служит проводником механического воздействия от якоря к шарику-зонду, погружаемому в исследуемую жидкость и жестко закрепленному на конце указанного капилляра. Металлические проводники термопары, встроенной в зонд, пропущены через капилляр и выведены за пределы колебательной системы. Упругими элементами колебательной системы являются струны, жестко закрепленные на внутреннем корпусе. Вибровискозиметр имеет систему термостатирования внутреннего корпуса, позволяющую поддерживать постоянную температуру элементов колебательной системы вне зависимости от температуры окружающей среды и температуры исследуемой жидкости. Термостатируемые элементы вибровискозиметра окружены термоизоляцией, которая одновременно обеспечивает виброизоляцию и демпфирование колебаний внутреннего корпуса вибровискозиметра. Окруженный слоем термоизоляции внутренний корпус помещен в наружный корпус (не показан). Наружный корпус закрепляется на устройстве позиционирования, обеспечивающем возможность периодического размещения шарикового зонда внутри кюветы. Электронный блок вибровискозиметра обеспечивает возбуждение колебательной системы на ее резонансной частоте и задает амплитуду вынуждающей силы. При этом имеется возможность устанавливать амплитуду вынуждающей силы, не зависящей от амплитуды колебаний зонда вибровискозиметра.
Описанный датчик за счет малого диаметра сферического зонда, изготовленного из металла с высокой теплопроводностью, обеспечивает высокую пространственную локальность измерения текущей сдвиговой вязкости и температуры жидкости, обладает малой тепловой инерцией.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность вибровискозиметрического датчика к малым текущим изменениям вязкости исследуемой жидкости. В первую очередь это связано с малой площадью поверхности зонда и со значительной колеблющейся массой колебательной системы, включающей в себя помимо зонда малого диаметра такие обременяющие элементы, как якорь устройства возбуждения, якорь датчика положения зонда, шток-капилляр с проводниками термопары. Масса этих дополнительных элементов, обременяющих зонд, во много раз превосходит массу зонда.
Покажем влияние диаметра зонда устройства-прототипа с обремененной колебательной системой на чувствительность датчика к вязкости исследуемой жидкости.
T
<mover accent="true"><mi>v</mi><mo>¯</mo></mover>
Пусть масса миниатюрного зонда равна m, а масса дополнительного обременения колебательной системы равна М, при этом М>>m. Сферический зонд колеблется в жидкости вязкостью η на резонансной частоте f с амплитудой А. В соответствии с уравнением Стокса сила вязкостного трения F для шарика диаметром d, движущегося со средней скоростью
в жидкости, будет равна:
<mover accent="true"><mi>v</mi><mo>¯</mo></mover>
Значение
за период колебаний Т будет равно:
здесь ω - угловая частота, равная ω=2πf.
T
Энергия E, переданная зондом в жидкость за время Т на вязкое трение с учетом (1), (2), будет равна:
кс
max
Энергия Е, запасенная в колебательной системе за период Т, будет равна максимальной кинетической энергии движущейся общей массы (М+m) колебательной системы с максимальной скоростью V. Она определяется выражением:
max
При гармоническом движении зонда V равна:
Из (4) и (5) следует:
п
T
кс
Коэффициент влияния К размеров зонда на чувствительность вибровискозиметрического датчика можно задать как отношение энергий E и Е:
Выражение (7) показывает, что чувствительность вибровискозиметрического датчика с обремененным сферическим зондом малого диаметра почти прямо пропорциональна диаметру зонда, что определяет главный недостаток прототипа.
Технической задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости путем разработки вибровискозиметрического датчика с необремененной колебательной системой.
Заявляется вибровискозиметрический датчик, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы.
В отличие от прототипа, на основании жестко закреплены две жесткие металлические электрически изолированные от основания стойки и миниатюрный индуктивный датчик пространственного положения зонда, а механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленные на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенные вместе и жестко закрепленные на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры зонда. Возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибровискозиметрического датчика (далее вибродатчика) и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием; при этом с внешней стороны металлические стойки электрически соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры вибродатчика.
Предпочтительными конструктивными решениями являются:
- выполнение возбудителя колебаний в виде телефонного капсюля;
- выполнение зонда из никеля или железа;
- выполнение упругих проводников как элементов колебательной системы и как элементов термопары в сочетании железа и константана;
- наличие защитного пленочного покрытия для погружаемых в исследуемую жидкость частей вибровискозиметрического датчика. По крайней мере, эта рекомендация касается упругих проводников и сферического зонда. На применение пленочного покрытия указано также и в прототипе. Но ввиду применения в вибродатчике иных, чем в прототипе, материалов, ввиду увеличения числа элементов, погружаемых в жидкость, указание на защитное пленочное покрытие обеспечивает сохранность погружаемых элементов вибродатчика и его длительную надежную работу.
На чертежах представлены: на фиг. 1 - устройство колебательной системы прототипа; на фиг. 2 - схема заявляемого вибродатчика.
Жесткое, керамическое или текстолитовое, изоляционное основание 1 вибродатчика выполнено, например, в виде диска. С основанием 1 жестко соединены две жесткие металлические (проводящие) электрически изолированные от основания (с обеспечением электробезопасности) стойки с выступающей вниз частью 2. При проведении исследования жидкости выступающие стойки задают глубину погружения вибродатчика в кювету 3 с жидкостью 4. Упругие проводники 5 и 6 из разнородного материала одновременно являются термопарным измерителем температуры зонда, а также являются составной частью механической колебательной системы вибродатчика, которая также включает зонд 7, основание 1 и стойки 2. Измерительный спай 8 двух проводников 5 и 6 соединен с сферическим зондом 7 диаметром 2-3 мм, а опорные спаи проводников 5 и 6 соединены электрически и механически жестко с соответствующими стойками 2. Электрические выводы 9 и 10 обеих стоек 2 служат для измерения сигнала термопары, соответствующего температуре зонда в локальной области жидкости. Выводы 9, 10 вынесены за пределы датчика и находится во внешнем термостате.
Сферический металлический зонд 7 выполняют из никеля или железа. Сочетание пары гибких проводников из железа и константана целесообразно ввиду того, что эти материалы обеспечивают хорошие механические свойства упругих элементов и высокую термоэлектрическую чувствительность.
Индуктивный датчик 11 пространственного положения зонда в виде миниатюрного незамкнутого ферритового сердечника с обмоткой 12 изолированным проводом жестко закреплен на основании 1 и расположен над зондом 7 с обеспечением измерительного зазора δ, который периодически изменяется при колебаниях зонда в вертикальной плоскости. Изменение величины зазора изменяет индуктивность обмотки 12, что позволяет определять изменение текущего пространственного положения зонда 7 относительно его исходного положения. Сигналы с выводов обмотки 12 индуктивного датчика и выводов 9, 10 термопары измеряются и преобразовываются с помощью устройства регистрации с использованием микроконтроллера (на фигуре не показано как общеизвестное и не влияющее на функционирование собственно датчика). Для повышения чувствительности индуктивного датчика 11 целесообразно зонд 7 выполнять из ферромагнитного металла, например никеля или железа.
Для защиты элементов 5, 6, и 7 от возможного химического воздействия на них исследуемой жидкости предлагается использовать защитное пленочное покрытие этих элементов.
Возбудитель колебаний 13 механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического широкополосного миниатюрного вибратора. Широкополосный вибратор позволяет изменять частоту колебаний и использовать его для обеспечения резонансной частоты колебаний при изменении состава или температуры исследуемой жидкости. Например, вибратор выполняют в виде телефонного капсюля, вынесенного за пределы вибродатчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием 1- на фигуре показана условная акустическая связь 14.
Верхняя часть основания 1 имеет термо- и виброизоляцию 15. Нижняя часть основания вибродатчика в режиме измерения вязкости исследуемой жидкости погружается в кювету 3 с внутренним диаметром, чуть превышающим размер основания 1 на величину зазора свободного погружения вибродатчика. В режиме измерения зонд и проводники 5, 6 полностью погружены в жидкость, что обеспечивается надлежащим размером стоек 2.
Механические колебания заданной частоты и амплитуды передаются от электромеханического вибратора 13 через акустическую связь 14 на основание 1 и вызывают в исследуемой жидкости колебания измерительного зонда 7 с амплитудой А и заданной частотой ω.
з
Коэффициент влияния К предложенного зонда на чувствительность датчика по сравнению с прототипом существенно возрастает. В этом случае масса дополнительного обременения колебательной системы М<<m, и из (7)следует:
Сохраняя значения η, d, ω и m, получим значение относительного выигрыша D по чувствительности заявляемого датчика:
При использовании измерительного зонда диаметром 2-3 миллиметра величина D может составлять несколько десятков, что подтверждает существенное повышение чувствительности заявляемого вибровискозиметрического датчика по сравнению с прототипом.
Предлагаемый вибровискозиметрический датчик, обеспечивая высокую чувствительность к текущим изменениям вязкости жидкости, а также измерение текущей температуры жидкости в локальной зоне измерения вязкости при работе с пробами жидкости малого объема, может успешно использоваться как в переносных компактных вибровискозиметрах, так и, в первую очередь, при инженерной реализации устройства-прототипа по патенту 2263305.