Вібраційний віскозиметр

1. Вібраційний віскозиметр, який містить корпус із закріпленим у ньому датчиком в'язкості, джерело живлення, генератор звукових коливань і схему виміру вихідного сигналу датчика, який відрізняється тим, що він додатково містить не менше ніж два електровібратори, виконаних у вигляді котушок збудження, симетрично закріплених усередині корпусу на відстані між собою, не менше ніж два підшипники ковзання, виконаних симетрично закріпленими в отворі електровібраторів, діафрагму, яка виконана з можливістю герметизації внутрішньої порожнини корпусу, магнітний якір, виконаний розміщеним в отворі електровібраторів з можливістю поздовжнього переміщення відносно подовжньої осі електровібратора та зазначених підшипників ковзання, постійний магніт, закріплений жорстко на торцях зазначеного магнітного якоря, індукційні датчики, закріплені на стінці корпусу, кожний з яких виконано симетрично розміщеним із зазором щодо постійного магніту, датчик A (54) ВІБРАЦІЙНИЙ ВІСКОЗИМЕТР 38940 Недоліками відомого вібраційного віскозиметра, який обрано як прототип, є низька чутливість приладу і низька точність одержуваних результатів вимірів параметрів коливань і, як наслідок, реологічних властивостей досліджуваного матеріалу (речовини). В основу винаходу поставлено задачу шляхом підвищення чутливості приладу забезпечити підвищення точності вимірювань. Суттю винаходу у вібраційному віскозиметрі, який містить корпус із закріпленим у ньому датчиком в'язкості, джерело живлення, генератор звукових коливань і схему вимірювань вихідного сигналу да тчика, є додаткове розміщення усередині корпусу не менше ніж двох електровібраторів, виконаних у вигляді котушок збудження, симетрично закріплених усередині корпусу на відстані між собою, не менше ніж двох підшипників ковзання, виконаних симетрично закріпленими в отворі електровібраторів, діафрагм, які виконано з можливістю герметизації внутрішньої порожнини корпусу, магнітного якоря, виконаного розміщеним в отворі електровібраторів з можливістю поздовжнього переміщення відносно подовжньої осі електровібратора та зазначених підшипників ковзання, постійного магніту, закріпленого жорстко на торцях зазначеного магнітного якоря, індукційних датчиків, закріплених на стінці корпусу, розміщення кожного з датчиків симетрично з зазором щодо постійного магніту, датчика в'язкості, виконаного розміщеним у геометричній середині магнітного якоря, пружин, виконаних розміщеними між датчиком в'язкості і торцем електровібраторів, виконання на корпусі отворів, виконання генератора звукових коливань у ви гляді підсилювача збудження низької частоти, виконання датчика в'язкості у вигляді диска і закріпленим на магнітному якорі перпендикулярно його поздовжньої осі, виконання пружин контактуючими з торцевою стінкою електровібраторів і датчика в'язкості, виконання схеми виміру вихідного сигналу датчика такою, що містить частотомір та реєстратор контрольованих параметрів, виконання виходів індукційних датчиків сполученими з підсилювачем збудження низької частоти, а виходів останнього - із електровібраторами через фазоінвертор, виконання торцевих стінок корпусу з можливістю переміщення відносно поздовжньої осі корпусу та магнітного якоря, виконання виходів джерела живлення сполученими з входами підсилювача збудження низької частоти, частотоміра та реєстратора контрольованих параметрів, оснащення магнітного якоря втулкою, виконання втулки з полірованою поверхнею та жорстко закріпленою на зазначеному магнітному якорі в районі, який контактує з підшипниками ковзання. Порівняльний аналіз технічного рішення з прототипом доводить, що вібраційний віскозиметр, що заявляється, відрізняється тим, що він додатково містить не менше ніж два електровібратори, виконаних у вигляді котушок збудження, симетрично закріплених усередині корпусу на відстані між собою, не менше ніж два підшипники ковзання, виконаних симетрично закріпленими в отворі електровібраторів, діафрагму, яка виконана з можливістю герметизації внутрішньої порожнини корпусу, магнітний якір, виконаний розміщеним в отворі елект ровібраторів з можливістю поздовжнього переміщення відносно подовжньої осі електровібратора та зазначених підшипників ковзання, постійний магніт, закріплений жорстко на торцях зазначеного магнітного якоря, індукційні датчики, закріплені на стінці корпусу, кожний з яких виконано симетрично розміщеним із зазором щодо постійного магніту, датчик в'язкості, виконаний розміщеним у геометричній середині магнітного якоря, пружини, які розміщені між датчиком в'язкості і торцями електровібраторів, при цьому на корпусі виконано отвори, генератор звукових коливань виконано у вигляді підсилювача збудження низької частоти, датчик в'язкості виконано у вигляді диска і закріпленим на магнітному якорі перпендикулярно його поздовжньої осі, пружини виконано контактуючими з торцевою стінкою електровібраторів і датчика в'язкості, схема виміру вихідного сигналу да тчика виконана такою, що містить частотомір та реєстратор контрольованих параметрів, виходи індукційних датчиків виконано сполученими з підсилювачем збудження низької частоти, виходи підсилювача збудження низької частоти виконано сполученими із електровібраторами через фазоінвертор, торцеві стінки корпусу виконано з можливістю переміщення відносно поздовжньої осі корпусу та магнітного якоря, виходи джерела живлення виконано сполученими зі входами підсилювача збудження низької частоти, частотоміра та реєстратора контрольованих параметрів, а магнітний якір оснащено втулкою, яка виконана з полірованою поверхнею та жорстко закріпленою на зазначеному магнітному якорі в місці, що контактує з підшипниками ковзання. Таким чином, вібраційний віскозиметр, що заявляється, відповідає критерію винаходу ''новизна''. Суть винаходу пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 1 наведена конструктивнокомпонувальна схема вібраційного віскозиметра, на фіг. 2 наведена схема роботи вібраційного віскозиметра у перший півперіод коливань, на фіг. 3 наведена схема роботи вібраційного віскозиметра у др угий півперіод коливань, на фіг. 4 наведена схема вібраційного віскозиметра, яка пояснює його роботу і конструкцію, на фіг. 5 наведена блоксхема вібраційного віскозиметра, яка пояснює його роботу і взаємодію конструктивних елементів, на фіг. 6 надана схема розміщення пристрою у ємкості з досліджуваним матеріалом, на фіг, 7 наведений загальний вигляд магнітного якоря з розміщеним на ньому датчиком в'язкості та схема розміщення індукційних датчиків і постійних магнітів, на фіг. 8 наведений графік залежності частоти f власних коливань датчика в'язкості від в'язкості n досліджуваного матеріалу (речовини). Вібраційний віскозиметр, як варіант конструкції (див. фіг. 1 та фіг. 4-5), містить корпус 1 з торцевими стінками 2. Усередині корпусу 1 встановлено (жорстко закріплено) електровібратори 3, які виконані, наприклад, у вигляді електромагнітних котушок. При цьому електровібратори 3 конструктивно встановлені усередині корпусу 1 так, щоб між ними був зазор. Усередині котушок (електровібраторів 3) жорстко закріплено не менше ніж два підшипники ковзання 4, які виконані, наприклад, з фторопласту (матеріалу, що характеризується одним з 2 38940 найменших коефіцієнтів тертя). Усередині котушок (електровібраторів 3) та підшипників ковзання 4 проходить магнітний якір 5. На торцях зазначеного магнітного якоря 5 встановлено з натягом втулки 6. При цьому втулки 6 виконано з полірованою поверхнею. Як матеріал втулок 6 використовується бронза, при цьому зовнішня поверхня втулок 6 виконується полірованою для зменшення коефіцієнту тертя між підшипниками ковзання 4 та поверхнею втулок 6. У геометричній середині магнітного якоря 5 закріплено жорстко датчик в'язкості 7. Як варіант конструктивного виконання, датчик в'язкості 7 виконано у вигляді диску, який закріплено перпендикулярно поздовжній осі магнітного якоря 4. На кожному з торців магнітного якоря 5 жорстко закріплено постійний магніт 8 (N/S). При цьому магнітний якір 5 виконано з можливістю поздовжнього переміщення відносно подовжньої осі електровібратора 3 та зазначених підшипників ковзання 4. Між торцем електровібратора 3 і торцевою стінкою 9 датчика в'язкості 7 розміщені пружини 10, при цьому пружини 10 виконано контактуючими з торцевою стінкою електровібратора 3 і торцевою стінкою 9 датчика в'язкості 7. Генератор звукових коливань 11 виконано у вигляді підсилювача збудження низької частоти, а схема виміру вихідного сигналу датчика в'язкості 7 виконана такою, що містить частотомір 12 та реєстратор 13 контрольованих параметрів (Е*). На торцевих стінках 2 корпусу 1 встановлено індукційні датчики 14. Зазначені індукційні датчики 14 встановлені з можливістю переміщення відносно постійного магніту 8 (N/S). При цьому конструктивно кожний з датчиків 14 виконано розміщеним із зазором щодо постійного магніту 8. Виходи індукційних датчиків 14 виконано сполученими з підсилювачем збудження 11 низької частоти, а виходи підсилювача збудження 11 низької частоти виконано сполученими з електровібраторами 3 через фазоінвертор 15. Фазоінвертор 15 служить для подачі посиленого сигналу з підсилювача збудження 11 низької частоти почергово на кожний з двох електровібраторів 3 для приведення у дію магнітного якоря 5. На корпусі 1 виконано, відповідно, отвори 16 і 17, при цьому кількість отворів 16 і 17 з однієї частини корпусу 1 повинна дорівнювати кількості отворів 16 і 17 з другої частини корпусу 1. С умарна поверхня отворів 16 і 17 з однієї частини корпусу 1 повинна дорівнювати сумарній поверхні отворів 16 і 17 з другої частини корпусу 1. Стінки 2 корпусу 1, на яких встановлено індукційні датчики 14, виконані з можливістю переміщення відносно поздовжньої осі корпусу 1 та магнітного якоря 5. Виходи джерела живлення 18 виконано сполученими з входами підсилювача збудження 11 низької частоти, частотоміра 12 та реєстратора 13 контрольованих параметрів (Е*) за допомогою електричних ланцюгів 19. За зовнішніми торцями електровібраторів встановлено діафрагму 20, яка виконана з можливістю герметизації внутрішньої порожнини корпусу 1 за допомогою герметизувальної вставки 21. Додатковим обладнанням для проведення технологічних операцій щодо визначення фізичних властивостей речовин, наприклад, в'язкості n, шляхом виміру параметрів коливань динамічної системи (частоти f власних коливань), що взаємодіє з досліджуваним матеріалом 22 (речовиною), є ємкість 23. При контрольних дослідженнях у ємкість 23 наливають рідку речовину 22 і розміщують прилад (вібраційний віскозиметр). Переміщення індукційних датчиків 14 відносно постійного магніту 8 провадиться за допомогою регулювальних (торцевих) стінок 2 корпусу 1, які (як варіант конструктивного виконання) виконано у вигляді кришок з можливістю повертання відносно осі корпусу 1 по різьбі 24 на зазначеному корпусі 1. Збудження коливань датчика в'язкості 7 провадиться за допомогою подачі живлення з генератора звукових коливань (підсилювача збудження 11 низької частоти) на електровібратори 3. Вібраційний віскозиметр працює наступним чином. Попередньо проводять тарування вібраційного віскозиметра за еталонними значеннями величин в'язкості n досліджуваного матеріалу (речовини) 22, що отримані за допомогою інших відомих методів контролю, описаних, наприклад, у [4]. Для цього збуджують коливання датчика в'язкості 7 з власною (авторезонансною) частотою і приводять до відповідності частоту власних коливань f датчика в'язкості 7 з в'язкістю n досліджуваного матеріалу (речовини) 22 для кожного з численних досліджуваних матеріалів (речовин) 22. За одержаними унаслідок контролю значеннями частоти f власних коливань і відомих величин в'язкості n матеріалу (речовини) 22 будують графік залежності частоти f власних коливань датчика в'язкості 7 від в'язкості n матеріалу (речовини) 22 (див. фіг. 8). Відповідно до графіка залежності f=f(n), кожному із значень f частоти власних коливань датчика в'язкості 7 буде відповідати визначене значення n в'язкості матеріалу (речовини) 22. Маючи тарувальний графік залежності частоти f власних коливань датчика в'язкості 7 від в'язкості n досліджуваного матеріалу (речовини) 22 (див. фіг. 8), приступають до досліджень. Перед початком досліджень заповнюють ємкість 23 досліджуваним матеріалом (речовиною) 22 до визначеного рівня (див. фіг. 6). Після цього вібраційний віскозиметр занурюють у ємкість 23 з досліджуваним матеріалом (речовиною) 22, так, щоб корпус 1 приладу був повністю зануреним у досліджуваний матеріал 22 (на глибину не менше двох величин корпусів) (див. фіг. 6). Електричні ланцюги 19 від індукційних датчиків 14 і електровібраторів 3 вібраційного віскозиметра з'єднують з входами, відповідно, підсилювача збудження 11 низької частоти (генератора звукових коливань) і частотоміра 12 (приладу, який реєструє). Ви ходи підсилювача збудження 11 низької частоти і приладу, який реєструє (частотоміра 12), з'єднують електричним ланцюгом 19 з входом джерела живлення 18 (див. фіг. 4, 5). Проводять перевірку занурення пристрою у досліджуваний матеріал (речовину) 22 і проникнення досліджуваного матеріалу (речовини) 22 у порожнини корпусу 1 приладу. Робочий орган (диск) датчика в'язкості 7 повинен бути цілком зануреним у згаданий досліджуваний матеріал (речовину) 22, а порожнини корпусу 1 повністю заповненими досліджуваним матеріалом 22 (див. фіг. 6). 3 38940 Вмикають джерело живлення 18 і подають живлення на підсилювач збудження 11 низької частоти і прилад, який реєструє (частотомір 12). При взаємодії магнітного поля постійного магніту 8 (N/S) з індукційними датчиками 14 в одному з них (наприклад, лівому - відповідно до фіг. 1, 2, 4) буде вироблятися сигнал у вигляді електрорушійної сили (е. р. с.) індукції. З цього індукційного датчика 14 сигнал у вигляді е. р. с. індукції буде подаватися на підсилювач збудження 11 і з останнього, вже підсилений (I1), - через фазоінвертор 15 на обмотки котушки електровібратора 3 (наприклад, лівої - відповідно до фіг. 1 та фіг. 2) і на вхід приладу, який реєструє (частотомір І2). При цьому обмотки котушки електровібратора 3 утворюють електромагнітне поле. Під дією електромагнітного поля, яке утворено обмотками котушки електровібратора 3, рухомий магнітний якір 5 буде виштовхува тися зі згаданої котушки 3 у напрямку іншої котушки 3 (правої - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 2), яка не працює у перший півперіод коливань. Рухомий магнітний якір 5, що спирається на підшипники ковзання 4, буде ковзати по них практично без тертя (у зв'язку з тим, що матеріал для підшипників ковзання 4 вибирається з мінімальним коефіцієнтом тертя, наприклад, фторопласт, а визначені підшипники ковзання 4 додатково контактують з полірованою поверхнею втулки 6 рухомого магнітного якоря 5). Переміщення рухомого магнітного якоря 5 буде викликати стиск пружини 10 (правої - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 2). При цьому досліджуваний матеріал 22 буде всмоктуватися крізь отвори 16, які виконано на лівій частині корпусу 1 (згідно із схемою на фіг. 1 та фіг. 2), в порожнину, яка створена зазначеною стінкою 9 датчика в'язкості 7, внутрішньою стінкою корпусу 1 та зовнішньою поверхнею електровібратора 3 (лівого - за схемою на фіг. 2), і одночасно виштовхува тися з порожнини, яка створена торцем електровібратора 3 (правого - за схемою на фіг. 2), стінкою 9 датчика в'язкості 7 та внутрішньою стінкою корпусу 1 крізь отвори 17 на корпусі 1. При переміщенні магнітного якоря 5 (вправо - за схемою на фіг. 2), зазначена пружина 10 (права - за схемою на фіг. 2) при своєму стиску буде накопичувати енергію. Наприкінці переміщення рухомого магнітного якоря 5, коли буде досягнуто рівноважне положення (коли сила впливу електромагнітного поля на магнітний якір 5 буде дорівнювати силі затягування пружини 10), згаданий магнітний якір 5 зупиниться. У цей момент індукційний датчик 14 (лівий - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 2) припинить виробляти сигнал у вигляді е. р. с. індукції (сигнал стане дорівнювати ''нулю''), а задіяний електровібратор 3 знеструмиться. Рухомий магнітний якір 5 під дією пружини 10 (правої - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 2), яка є упертою одним кінцем у рухливу стінку 9 датчика в'язкості 7, а другим - у торцеву стінку електровібратора 3, почне переміщатися в обернену сторону (див. фіг. 3). При цьому постійний магніт 8 (N/S) почне взаємодіяти з іншим індукційним датчиком 14 (правим відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 3). Визначений датчик 14 почне виробляти сигнал у вигляді е. р. с. індукції і по вищевказаній схемі подавати його на підсилювач збудження 11 низької частоти (генератор звукових коливань), а потім, вже підсиле ний (12), на котушку електровібратора 3 (праву відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 3) через фазоінвертор 15, яка буде працювати у др угий півперіод коливань, і на вхід приладу, який реєструє (на вхід частотоміра 12). Під дією електромагнітного поля зазначеної котушки 3 (правої - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 3) р ухомий магнітний якір 5 почне переміщатися убік іншої котушки 3 (лівої відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 3), стискаючи пружину 10 (ліву - відповідно до схеми на фіг. 1 та фіг. 3). При цьому досліджуваний матеріал 22 буде всмоктуватися крізь отвори 17 на правій частині корпусу 1 (згідно за схемою на фіг. 1 та фіг. 3) у порожнину, яка створена внутрішньою стінкою корпусу 1, стінкою 9 датчика в'язкості 7 та торцевою поверхнею електровібратора 3, і одночасно виштовхуватися з порожнини, яка створена поверхнею стінки 9 датчика в'язкості 7, внутрішньою стінкою корпусу 1 та торцем електровібратора 3 крізь отвори 16 на корпусі 1 (див. фіг. 3). Таким чином, виникають незатухаючі у часі механічні коливання динамічної системи ''магнітний якір 5 - пружина 10'' і пов'язаного з нею датчика в'язкості 7, що занурений у досліджуваний матеріал (речовину) 22. Залежно від в'язкості n досліджуваного матеріалу (речовини) 22 частота прокачування рідини 22 крізь отвори 16 та 17 буде різноманітною. При цьому і частота f власних коливань зазначеної динамічної системи буде різноманітною за усі інші рівні умови (сили попереднього затягування пружин 10, визначеному вигляду датчика в'язкості 7, відстані між індукційними датчиками 14 і постійним магнітом 8, параметрами котушки 3, сумарної площі отворів (позиції 16 та 17) в обох частинах корпусу 1 приладу). При дотриманні усіх ви щевказаних умов частота f власних коливань динамічної системи ''магнітний якір 5 - пружина 10'' і пов'язаного з нею датчика в'язкості 7 буде відповідати визначеній величині в'язкості n досліджуваного матеріалу (речовини) 22. За допомогою приладу, який реєструє (наприклад, електронно-обчислювального частотоміра 12), визначають фактичну частоту f 1 власних коливань датчика в'язкості 7, що буде відповідати фактичному значенню в'язкості n 1 досліджуваного матеріалу (речовини) 22. Для цього на графіку залежності f=f(n) (див. фіг. 8) на осі f вибирають фактичне значення частоти f1 власних коливань, проводять перпендикуляр до перетину з графіком і з точки перетину з графіком опускають перпендикуляр на вісь n. Отримане значення в'язкості n 1 буде відповідати фактичній в'язкості n 1 досліджуваного матеріалу (речовини) 22 (див. фіг. 8). Для спрощення операції з визначення фактичної величини в'язкості n, прилад, який реєструє (частотомір 12), може бути проградуйованим за величиною показника в'язкості. З метою підвищення чутливості динамічної системи ''магнітний якір 5 - пружина 10'' і з'єднаного з нею датчика в'язкості 7 (що необхідно при досліджуванні матеріалу з великою в'язкістю, наприклад, смоли, фарби) передбачене регулювання (затягування) пружин 10 шляхом завертання/вивертання торцевих стінок 2 корпусу 1 по різьбі 24 на корпусі 1. При збільшенні ступеня затягування пружин 10 підвищується чутливість вищезгаданої динамічної системи вібраційного віскози 4 38940 метра при досліджуванні речовин, що мають велику в'язкість n. Зближення за допомогою рухомих стінок 2 (як варіант конструктивного виконання) пружин 10 призводить до підвищення жорсткості динамічної системи ''магнітний якір 5 - пружина 10'' і з'єднаного з нею датчика в'язкості 7, та, у свою чергу, до посилення сигналу, що виробляється згаданими індукційними датчиками 14. Внаслідок цього відбувається збільшення величини сигналу (І1) з підсилювача збудження низької частоти 11, що подається на електровібратор 3. Це призводить до зростання величини електромагнітного поля, яке буде впливати на магнітний якір 5. При цьому провадиться визначене коригування у приладі (у часто томірі 12), який реєструє. Герметичність зовнішніх порожнин корпусу 1 (лівої та правої, створених торцевою стінкою 2, внутрішньою стінкою корпусу 1 та діафрагмою 20 див. фіг. 1, фіг. 2 та фіг. 3), забезпечується герметизувальною вставкою 21. Підвищення ефективності застосування вібраційного віскозиметра, що заявляється, порівняно з прототипом, досягається за рахунок підвищення точності визначення частоти коливань магнітного якоря із закріпленим на ньому датчиком в'язкості, який є зануреним у досліджуване середовище (речовину), а саме за рахунок використання авторезонансних режимів коливань динамічної системи, що найбільш точно відображають зміну впливу на згадану динамічну систему. Використовується коливальна система самоналагоджувального типу, динамічні характеристики якої залежать тільки від жорсткості вмонтованих пружних елементів (пружин) і від реологічних характеристик досліджуваного середовища, зокрема, від в'язкості. Джерела інформації 1. А.с. СРСР № 1242763, 1985 р., МПК G01N11/16 - аналог. 2. А.с. СРСР № 1043525, 1983 p., МПК G01N11/16 - аналог. 3. А.с. СРСР № 685957, 1979 p., МПК G01N11/16 - прототип. 4. Орел Н.И., Губачек Э.В., Березин Б.И., Водолазская В.М. Справочник технолога-полиграфиста. – Ч. 5. Печатные краски. - М.: Книга, 1988. - С. 188-202, § 4.3. Реологические свойства красок для издательских целей. Фіг. 1 Фіг. 2 5 38940 Фіг. 3 Фіг. 4 6 38940 Фіг. 5 Фіг. 6 7 38940 Фіг. 7 Фіг. 8 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8