Устройство для измерения параметров жидких сред

 

Изобретение относится к устройствам для исследования реологических характеристик текучих сред. Цель изобретения - повышение точности измерения вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей. Устройство содержит измерительный блок, блок управления, вычислительный блок и блок индикации. Измерительный блок содержит погруженный в исследуемую жидкость зонд, прикрепленный к вертикальному штоку с магнитным стержнем, левитирующим в магнитном поле соленоида. Блок управления устройства изменяет величину тока соленоида, в результате чего шток периодически из состояния левитации в нижней точке зависания на оси соленоида переходит в режим подъема в верхнюю точку зависания с последующим свободным падением из этой точки, при которой измеряется время равномерного снижения штока, зависящее от вязкости жидкости и возвращении в исходную нижнюю точку зависания в состоянии левитации, при котором измеряется величина тока соленоида, зависящего от плотности жидкости. Вычислительный блок по известным конструктивным параметрам устройства и измеренным значениям тока и времени ровного движения штока определяет искомые значения вязкости и плотности одновременно и независимо. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 11/10. \ с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4346084/31-25 (22) 18. 12.87 (46) 30.01.90. Бюл. № 4 (71) Азербайджанский политехнический институт им.Ч.Ильдрыма (72) З.N.Ñóëòàí-заде, А.М.Алиев и И.Е.Шахматов (53) 532.137 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1180700, кл. G 01 N 11/10, 1985.

Гладкйй В.Н. и др. Вибрационный вискозиметр. — Заводская лаборатория, 1984, № 7, с.34. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ Ж ЩКИХ СРЕД (57) Изобретение относится к устройствам для исследования реологических характеристик текучих сред. Цель изобретения — повьппение точности измерения вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей. Устройство содержит измерительньпi блок, блок управления, вычисли. тельный блок и блок индикации. ИзмеЙзобретение относится к измерению плотности, динамической и кинематической вязкости высокотемпературных и низкотемпературных жидкостей (расплавы металлов, стекла и пластмасс, смазочные масла, лаки, краски, кровь и др. жидкости) и может быть исполь-зовано в научных исследованиях, меди,1гинской практике и технологическом контроле процессов с участием жидких

„„SU„„1539592 А1

2 рительный блок содержит погруженньпг в исследуемую жидкость зонд, прикрепленный к вертикальному штоку с магнитны;г стержнегг, левитирующим в магнитном поле соленоида. Блок управления устройства изменяет величину тока соленоида, в результате чего

ыток периодически из состояния левитации в нижней точке зависания на оси соленоида переходит в режим подъема в верхнюю точку зависания с последуюцим свободным падением из этой точки, при которой измеряется время равномерного снижения штока, зависящее от вязкости жидкости и возвращении в исходную нижнюю точку зависания в состоянии левитации, при котором измеряется величина тока со» леноида, зависящего от плотности жидкости. Вычислительньпг блок по известным конструктивным параметрам устройства и измеренным значениям тока и времени, равного движения штока,определяет искомые значения вязкости и плотности одновременно и независи2 3 1I A JIbI 1 HJI . сред в металлургическом, стекольном, химическом, лакокрасочном и других производствах.

Цель изобретения — повышение точности измерения динамической вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей устройства.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

1539592

Устройство содержит измерительный блок 1, блок 2 управления, вычислительный блок 3 и блок 4 индикации измеряемых величин 5

Измерительный блок 1 содержит вертикальньоr осевой шток 5, состоящий из магнитного стержня 6, металлической втулки 7, выполнеиной из неферромагнитного материала, корпуса 8, 10 тонкого стержня 9 и цилиндрического зонда 10, цилиндрический измерительный сосуд 11 с исследуемой жидкостью

12, цилиндрический стакан 13 из теплоизоляционного токонепроводящего мате- 15 риала, связанный резьбовым соединением с сосудом 11 и имеющий на дне центральное отверстие 14, соленоид

15, три индукционные катушки 16-18, генератор 19 гармонических колебаний 20 повышенной частоты, два генератора

20 и 21 гармонических колебаний высо кой частоты, два преобразователя 22 и 23 ток-напряжение, аналоговый мультиплексор 24, транзистор 25, изме- 25 рительный резистор 26, резистор 27 формирования напряжения уставки максимального тока соленоида 15, элемент

НЕ 28, элемент И 29, счетчик 30 времени равномерного снижения штока 5 и 30 . аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 31.

Блок 2 управления содержит три элемента НЕ 32-34, четыре элемента

И 35-38, генератор 39 импульсов, два двоичных счетчика 40 и 41 к RS-триггер 42.

Вычислительный блок 3 содержит блок 43 умножения, два блока 44 и 45 масштабных коэффициентов, блок. 46 вычитания, блок 47 деления и задатчик

48 постоянного двоичного кода.

Блок 4 индикации содержит,элемент

49 индикации плотности, элемент 50 индикации динамической вязкости и элемент 51 индикации кинематической вязкости жидкости.

Измерительный блок 1 служит для формирования кода в интервале времени перемещения штока 5 между индукционными катупками 16 и 17 в режиме падения и кода тока соленоида 15 в режи-, ме магнитной левитации штока, передаваемых в вычислительный блок 3, а также для выработки сигналов о начале

I и окончании счета времени перемещения штока 5, передаваемых в блок 2 управления.

Блок 2 управления служит для Аормирования импульсов счета временных интервалов, выработки сигнала установки нуля счетчика времени равномерного снижения штока и сигнала переключения входов мультиплексора, передаваемых в измерительный блок, а также выработки сигнала пуска вычислительного блока.

Вычислительный блок 3 служит для выполнения математических операций с кодом интервала времени равномерного снижения штока 5 и кодом тока соленоида 15, поступающих из измерительного блока 1.

Блок 4 индикации регистрирует значение вычисленных блоком 3 измеряемых параметров потока текучей среды.

Устройство работает следующим образом.

При отключенном напряжении питания соленоид 15 обесточен и шток 5 находится в нижнем нерабочем положении, опираясь под действием собственного веса на дно стакана 13. При этом тело втулки 7 полностью заполняет рабочие зоны индукционных катушек 1618.

Зонд 10 погружен в измерительньп" сосуд 11, заполненный исследуемой жидкостью 12 до уровня, превышающего положение верхней кромки зонда 10 при зависании штока 5 в верхней точке на оси соленоида 15.

После включения питающего напряжения катушка 18 центрирования штока 5 запитывается током повышений частоты (- 1 кГц) от генератора 19, а катушки 16 и 17 измерения положения штока 5 запитываются током высокой частоты (- 1 1!Гц) от генераторов

20 и 21.

Сигналом начальной установки RSтриггер 42 устанавливается в единичное состояние. Напряжение "1" с выхода RS-триггера 42 поступает на адресный вход мультиплексора 24, благодаря чему его выход подключается к его первому информационному 0-входу, на-который через резистор 27 подается напряжение уставки максимального тока соленоида "5. Это напряжение поступает на базу транзистора 25, открывая его до величины максимального .тока, который, протекая по обмотке соленоида 15, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным стержнем 6, создает

1539592 максимальную направленную снизу вверх смолу, под действием которой шток втягивается в соленоид, начиная ре- жим подъема. При движении штока 5

:вверх втулка 7 последовательно выходит из рабочйх зон катушек 16 и 17.

После выхода нижней кромки втулки 7 из рабочей зоны катушки 17 напряжение на выходе преобразователя 23 снижается до нуля, в результате чего на выходе элемента HE 32 устанавливается напряжение "1", которое поступает на

R-вход сброса счетчика 40, положительным фронтом устанавливая его в нулевое состояние, и на первый вход элемента И 35, разрешая передачу импульсов с выхода генератора 39 на счетный С-вход счетчика 40, который по отрицательному фронту импульсов начинает счет времени выдержки штока

5- в верхней точке зависания в магнитном поле соленоида 15. Время, необ-. ходимое для полного успокоения (остановки) штока 5 в верхней точке зависания, устанавливается экспериментально. По истечении этого времени на выходе одного из разрядов счетчика 40 появляется напряжение "1", по.= ложительным фронтом которого RS-триггер 42 и счетчик 30 устанавливаются в нулевое состояние. Этим заканчивается режим подъема штока 5 в верхнюю зону его зависания перед началом выполнения измерений, В верхней точке зависания магнитная сила создается максимальным током соленоида 15. При этом коэффициент силового взаимодействия магнитных полей соленоида <5 и магнита стержня 6 устанавливается в зависимости от силы уравновешивания равнодействующей силы тяжести штока 5 и выталкивающей силы, действующей на зонд 10 со стороны исследуемой жидкости 12. Высоту втулки 7 выбирают такой, чтобы тело втулки 7 не выходило из зоны центрирующего действия катушки 18 на протяжении, всего хода штока 5. Поэтому в процессе перемещения штока 5 (как при подъеме, так и последующем опускании) его ось совпадает с осью катушки 18 и, следовательно, с осью измерительного сосуда 11.

Напряжение "0" с выхода RS-триггера 42 поступает на адресный вход мультиплексора 24, благодаря чему база транзистора 25 соединяется с выходом преобразователя 22, напряжение

55 на котором в этот момент равно нулю,:

Это приводит к сидению тока соленоида 15 с максимального значения до нулевого, B результате чего действие удерживающей магнитной силы исчезает и ыток 5 начинает свободно падать из верхней точки зависания, испытывая сопротивление вязкостной силы, действующей на зонд 10 со сто роны исследуемой жидкости 12. Режим свободного падения штока совершается в три этапа: разгона;

-.равномерного снижения; торможения.

На этапе разгона скорость свободного падения ытока 5 за время разгона возрастает от нуля до некоторой постоянной скорости равномерного.снижения, при которой сила вязкостного сопротивления, действующая на зонд

10 со стороны исследуемой жидкости

12, максимальная и полностью уравновешивает силу движения штока 5 вниз. При этом ыток 5, снижаясь, проходит некоторый путь разгона. Этап разгона должен завершиться до момента вхождения нижней кромки втулки 7 в рабочую зону верхней катушки 7. Нсходя нз этого, расстояние от нижней кромки втулки 7 при зависании штока

5 в верхней точке оси соленоида 15 до верхнего края рабочей зоны катушки 17 устанавливается по максимальному пути 1 „„, разгона, определяемому по нияйим пределам измерения вязкости и плотности исследуемой жилкости 12. По мере опускания штока 5 втулка 7 начинает входить в рабочую зону катушки 17. Переменное магнитное поле частоты, возбуждаемое катушкой 17, индуцирует в теле втулки

7 вихревые токи, магнитное поле которых индуцирует в катушке 17 противо-3РС которая. снижает амплитуду тока высокой частоты катушки 17, но увеличивает напряжение постоянного тока на выходе преобразователя 23.

Период разгона ытока 5- заканчивает-„ ся в тот момент, когда напряжение на выходе преобразователя 23 достигнет значения "1". К этому времени скорость снюкения штока 5 уже достигает постоянного значения, а шток 5 проходит путь 1 разгона.

Этап равномерного снижения начинается в тот момент, когда напряжение

"1" с выхода преобразователя 23 rinc1539592 тупает на второй вход элемента И 29, на первый вход которого в это время с выхода элемента НЕ 28 подается напряжение "1", благодаря чему импульсы с выхода генератора 39 через третий вход элемента П 29 поступают

)»a счетньп» вход счетчика 30, который г»ачинает счет времени равномерного

1нижения штока 5. Напряжение "1" с выхода преобразователя 23 поступает

1гакже на -вход элемента НЕ, 32 и формиует на его выходе напряжение "0", запрещая передачу импульсов с выхода ге»»ератора 39 на вход счетчика 40, »»оторьп» фиксирует при этом код обще1) го времени подъема и опускания штока от начала рабочей зоны катушки 17

1 »о верхней точки зависания штока 5 л обратно.

20 После прохождения штоком 5 некодорого пути 1 втулка 7 входит в рабочую зону катушки 16, увеличивая напряжение на выходе преобразователя 22, и, ка»» только оно достигнет уров- 25 ня "1", с выхода элемента НЕ 28 на первьпл вход элемента И 29 подается напряжение "0", которое запрещает передачу импульсов с выхода генерато ра 39 на вход счетчика 30, который

Э фиксирует в этот момент двоичньп» .код, соответству»ощий времени равно мерного снижения штока 5. Зтот код

l, содержит в себе инАормацию и значении динамической вязкости. э 5

Плотность исследуемой жидкости !2 определяется по величине тока соленоида 15 в состоянии магнитной левитации штока 5 после завершения этапа торможения штока.

Торможение штока 5 осуществляется магнитной силой соленоида 15, которая возникает в момент вхоядения нижней кромки втулки 7 в рабочую зону катушки 16. По мере погружения втулки 7 в рабочую зону катушки 16 напряжение

Я5 на выходе преобразователя 22 и, следовательно, на базе транзистора 25 возрастает, в результате чего, ток соленоида 15 растет и магнитная сила торможения увеличивается, причем чем,50

1 глубже втулка 7 погружается в рабочую зону катушки 16, тем больше становится магнитная сила торможения.

Нарастание силы торможения происходит до тех пор, пока она не уравно- 55 весит равнодействующую силы тяжести штока 5 и выталкивающей силы исследуемой жидкости 12, в результате чего шток 5 останавливается и переходит в состояние магнитной левитации в нижней точке зависания на оси соленоида

15. При этом величина его тока пропорциональна равноде»»ствующей силы тяжести штока 5 и выталкивающей силы исследуемой жидкости 12. В состоянии левитации магнитный стержень б погружен в обмотку соленоида 15 примерно на середину своей длины, что соответствует максимальному коэААициенту силового взаимодействия соленоида 15 с MarHHTHbM стержнем б. Ток соленоида при этом содержит в себе инАормацию о плотности исследуемой жидкости.

По известным конструктивным параметрам устройства, величинам тока соленоида 15 и времени равномерного движения штока 5 вычислительный блок

3 производит вычисление параметров жидких сред. При этом код величины плотности жидкости с выхода блока

46 вычитания поступает на вход элемента 49 индикации, код величины кинематической вязкости с выхода блока 47 деления поступает на вход элемента 50 индикапии, а код величины динамической вязкости с выхода блока 45 масштабного кбМААициента подается на вход элемента 51 инди- кациив

Благодаря возможности одновременного измерения комплекса реологических характеристик текучих сред, предлагаемое устройство позволяет заменить несколько самостоятельных приборов (вискозиметры динамической и кинематической вязкости и плотномер) одним прибором.

Устройство измеряет вязкость КНр кости независимо от ее плотности, что обуславливает высокую точность ее измерения.

1 1ногоцелевое назначение устройст" ва создает удобства его использования при научных исследованиях и технологическом контроле, так как позволяет с помощью одного устройства получать данные о нескольких характеристиках исследуемой жидкости одновременно.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров жидких сред, содержащее измерительный блок, блок управления, вы-. числительный блок и блок индикации, причем измерительный блок содержит

1539592 вертикальный шток, состоящий из магнитного стержня, теплоизолирующего корпуса, металлической втулки и зонда, погруженного в исследуемую жидкость,. соленоид, охватывающий маг5 нитный стержень, индукционную катуш- ку центрирования штока с осью соленоида, индукционную катушку измерения положения штока по вертикали, соединенную электрически посредством первого преобразователя ток-напряжение с входом цепи регулирования тока соленоида, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения вязкости при одновременном расширении функциональных возможностей, в измерительный блок устройства введены дополнительная индукционная катушка измерения положения штока по вертикали, соединенная с вторым преобразователем ток-капряжение, аналоговый мультиплексор, элемент НЕ, элемент И, первый счетчик, транзистор, аналого-цифровой пре- 25 образователь, причем первый вход ана- логового мультиплексора подключен через резистор к источнику питания соленоида, а второй вход и вход элемента

НЕ соединены с выходом первого преоб- 3р разователя ток-напряжение, первый вход элемента И и второй вход блока управления соединены с Выходом элемента HF., второй вход элемента И и первый вход блока управления соедине.35 ны с выходом второго преобразователя ток-напряжение, третий вход элемента

И соединен с первым выходом блока управления, выход аналогового мультиплексора соединен с входом транэис- 4О тора, выход которого через аналогоцифровой преобразователь соединен с вторым входом вычислительного блока, выход элемента И соединен с первым входом первого счетчика, выход кото- 45 рого соединен с первым входом вычислительного блока, второй вход счетчика — с вторым выходом блока управления, третий вход аналогового мультиплексора соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход блока управления соедиЖН с третьим входом вычислительного блока.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит три элемента HF. четы- 55 ре элемента И, генератор импульсов, два дополнительных счетчика, триггер, причем вход первого элемента HF является первым входом блока управ. пт— ния, вход второго элемента НР являе ся вторым входом блока управления, первый вход первого элемента И и Второй вход второго дополнительного счетчика соединены с выходом первого элемента НЕ, первый вход второго элемента И и второй вход третьего дополнительного счетчика соединены с выходом второго элемента НЕ, вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом генератора импульсов и являются первым выходом блока управления, первые входы второго и третьего дополнительных счетчиков соединены соответственно с выходом первого и второго элементов

И ВыхОД втОрОГО ДОпОлнительнОГО счев чика соединен с первым Входом триггера и является вторым выходом блока управления, первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с первым выходом третьего дополнительного счетчика, второй вход третьего элемента И и Вход третьего элемента

НЕ соединены с вторым выходом третьего дополнительного счетчика, выход третьего элемента И соединен с вторым Входом триггера, выход которого является третьим Выходом блока управления, Выход третьего элемента НГ соединен с Вторым входом четвертого элемента И, выход которого является четвертым выходои блока управления.

3. Устройство по П.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что Вычислительный блок содержит блок умножения, два блока масштабных коэфтттициентов, блок деления, блок вычитания и задатчик постоянного двоичного кода, причем первый вход блока умножения является первым входом вычислительного блока, второй вход блока умножения и первый Вход Второго блока масштабного коэффициента объединены и являются вторым входом вычислительного блока, третий вход блока умножения и второй вход второго блока масытабного коэЫ:ициента объединены и являются третьим входом вычислительного блока, выход блока умножения соединен с входом первого блока масштабного коэффициента, первый вход блока деления соединен с выходом первого блока масштабного коэффициента, первый вход блока вычитания соединен с выходом задатчика постоянного двоичного кода, второй вход блока вычи12

1539592 тания соединен с выходом второго блока масштабного коэффициента, выход блока вычитания соединен с вторым входом блока деления, выход первого блока масштабного коэййициента соединен с входом элемента индикации диI

1

1

Редактор A.Ðåâèí

Заказ 211 Тираж 481 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101!

1

t

1

1 !

I

I ! ( (1

1 !

1

1

1

I намической вязкости, выход блока деления соединен с входом элемента индикации кинематической вязкости, вы5 ход блока вычитания соединен с входом элемента индикации плотности ис- следуемой жидкости.

Составитель Я.Уасильев

Техред Л.Олийнык Корректор И.Кучерявая