Коливальний віскозиметр

Коливальний віскозиметр, що містить корпус, контур збудження коливань, що містить спарений електромагніт, який відрізняється тим, що він додатково оснащений підсилювачем збудження низької частоти, блоком керування, електромагнітами блока керування, фазоінвертором, другим контуром збудження коливань, частотновибірковою ланкою, яка містить два двоконсольних вали з жорстко закріпленим на торці однієї з його консолей конусом, пружинами, вузлами настроювання жорсткості динамічної системи, індукційними датчиками, постійними магнітами, джерелом живлення, частотоміром і реєстратором контрольованих параметрів, усередині корпусу розміщено дві перегородки, в кожній із зазначених перегородок встановлено підшипники ковзання, на U 2 36889 1 3 36889 нього і нижнього неоднорідних стержнів, розділених мембраною, блок живлення механотрона, систему збудження маятникових коливань зонда, генератор звукових коливань, систему вимірювання вихідного сигналу да тчика [2]. Коливання зонда забезпечуються системою генерації, яка дозволяє плавно змінювати частоту коливань. При цьому амплітуда маятникових коливань зонда, яка пропорційна частоті коливань і в'язкості матеріалу, що досліджується, реєструється пристроєм вимірювальної системи. Недоліком відомого віскозиметра є недостатня чутливість і низька ймовірність отриманих результатів контролю через недостатню точність вимірювання. Це пояснюється тим, що система збудження маятникових коливань збуджує зонд з частотою змушених (які задаються) коливань. Крім того, відомий механотронний віскозиметр може бути використаний тільки для виявлення в'язкості рідких матеріалів. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним за прототип, є коливальний віскозиметр, який містить корпус, контур збудження коливань, що містить спарений електромагніт [3]. Недоліком коливального віскозиметра, обраним за прототип, є недостатня точність вимірювання і, як наслідок, збільшення похибки при визначенні величини в'язкості досліджуваного середовища (матеріалу). В основу корисної моделі поставлена задача шляхом усунення недоліків прототипу забезпечити підвищення точності вимірювання величини в'язкості досліджуваного середовища. Суть корисної моделі в коливальному віскозиметрі, який містить корпус, контур збудження коливань, що містить спарений електромагніт, досягається тим, що він додатково оснащений підсилювачем збудження коливань низької частоти, блоком керування, електромагнітами блока керування, фазоінвертором, другим контуром збудження коливань, частотно-вибірковою ланкою, яка містить два двоконсольних вала з жорстко закріпленим на торці однієї з його консолей конусом, пружинами, вузлами настроювання жорсткості динамічної системи, індукційними датчиками, постійними магнітами, джерелом живлення, частотоміром і реєстратором контрольованих параметрів. Суть корисної моделі досягається також і тим, що у середині корпусу розміщено дві перегородки, в кожній із зазначених перегородок встановлено підшипники ковзання, на стінці корпусу між перегородками виконано отвір, який закривається кришкою, в кожний контур збудження коливань уведена додаткова пара електромагнітів, частотноколивальна ланка зв'язана з контуром збудження коливань через силопередавальні феромагнітні пластини, жорстко і симетрично закріплені на другій консолі вала у площині його осі, вал виконано таким, що проходить крізь підшипники ковзання, усередині електромагнітів блока керування встановлено пружини, кожна з яких контактує з торцевою стінкою корпуса і з торцевою частиною двоконсольного вала, блок керування виконано зв'язаним з електромагнітами блока керування, виходи індукційних датчиків виконані сполученими 4 з електромагнітами послідовно через підсилювач збудження коливань низької частоти і фазоінвертор, а ви ходи джерела живлення виконані сполученими з електромагнітами блока керування через зазначений блок керування, частотоміром і реєстратором контрольованих параметрів. Суттю корисної моделі є й те, що до вільного кінця одного вала конус закріплений за вершину, а на другому валу конус закріплений до консолі зазначеного вала у своїй порожнині, конуси виконані такими, що входять один у другий, зазначені конуси виконані такими, що контактують між собою відповідно внутрішньою та зовнішньою поверхнями, а порожнина між перегородками корпусу виконана герметичною. Порівняльний аналіз технічного рішення з прототипом показує, що коливальний віскозиметр, що заявляється,відрізняється тим, що він додатково оснащений підсилювачем збудження низької частоти, блоком керування, електромагнітами блока керування, фазоінвертором, другим контуром збудження коливань, частотно-вибірковою ланкою, яка містить два двоконсольних вала з жорстко закріпленим на торці однієї з його консолей конусом, пружинами, вузлами настроювання жорсткості динамічної системи, індукційними датчиками, постійними магнітами, джерелом живлення, частотоміром і реєстратором контрольованих параметрів, усередині корпусу розміщено дві перегородки, в кожній із зазначених перегородок встановлено підшипники ковзання, на стінці корпусу між перегородками виконано отвір, який закривається кришкою, в кожний контур збудження коливань введена додаткова пара електромагнітів, частотноколивальна ланка зв'язана з контуром збудження коливань через силопередавальні феромагнітні пластини, жорстко і симетрично закріплені на другій консолі вала у площині його осі, вал виконано таким, що проходить крізь підшипники ковзання, усередині електромагнітів блоку керування встановлено пружини, які контактують кожна як з торцевою стінкою корпусу, так і з торцевою частиною двоконсольного вала, блок керування виконаний зв'язаним з електромагнітами блока керування, виходи індукційних датчиків виконані сполученими з електромагнітами послідовно через підсилювач збудження коливань низької частоти і фазоінвертор, виходи джерела живлення виконані сполученими з електромагнітами блока керування через зазначений блок керування, частотоміром і реєстратором контрольованих параметрів, при цьому до вільного кінця одного вала конус закріплений за вершину, а на другому валу конус закріплений до консолі зазначеного вала у своїй порожнині, конуси виконано такими, що входять один у другий, зазначені конуси виконані такими, що контактують між собою відповідно внутрішньою та зовнішньою поверхнями, а порожнина між перегородками корпусу виконана герметичною. Таким чином, коливальний віскозиметр, що заявляється, відповідає критерію "новизна". Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 надана конструктивнокомпонувальна схема коливального віскозиметра з розтинами для пояснення конструкції, на Фіг.2 5 36889 надана схема коливального віскозиметра у розтині А-А, на Фіг.3 надана схема коливального віскозиметра у розтині Б-Б, на Фіг.4 надано розміщення обладнання у середині корпусу, на Фіг.5-6 надані схеми збудження крутильних коливань обох валів з конусами, відповідно, у перший та другий напівперіоди коливань, на Фіг.7 надана схема розміщення конусів між собою, на Фіг.8 представлена блок-схема коливального віскозиметра, яка пояснює його роботу, на Фіг.9 показано номограму залежності частоти авторезонансних коливань f від в'язкості n досліджуваного матеріалу та температури t навколишнього середовища. Коливальний віскозиметр (див. Фіг.1) містить корпус 1, усередині якого розміщено дві перегородки 2. У кожній із зазначених перегородок 2 встановлено підшипники ковзання 3. Отвори підшипників ковзання 3 розміщені осесиметрично один до одного. Порожнина 4 між перегородками 2 представляє собою ємкість для досліджуваного середовища і виконана герметичною. На верхній стінці корпусу 1 (між двома зазначеними перегородками 2) виконаний отвір 5, який закривається кришкою 6. Крізь отвір 5 у зазначену ємкість заливається досліджуване середовище. Усередині корпусу 1 розміщено контур збудження коливань, що містить спарений електромагніт 7 (електровібратор), і частотно-вибіркову ланку, яка містить два двоконсольних вала 8 з жорстко закріпленим на торці однієї з його консолей конусом 9. Конструктивно до вільного кінця одного вала 8 конус 9 закріплений вершиною, а на другому валу 8 конус 9 закріплений до консолі зазначеного вала 8 у своїй порожнині (див. Фіг.7). Конуси 9 конструктивно розміщені так, що вони входять один у др угий, при цьому конуси 9 виконано такими, що контактують між собою відповідно внутрішньою та зовнішньою поверхнями (див. Фіг.1 та Фіг.7), які конструктивно виконують полірованими. Електромагніти 7 розміщені попарно один до іншого в блоках із зазором між собою, симетрично і попарно співвісно. Кожний з двоконсольних валів 8 виконано встановленим у отвір підшипника ковзання 3, при цьому вал 8 першої частотно-коливальної ланки розміщено по відношенню до вала 8 другої частотно-вибіркової ланки так, що їх осі співпадають. Вільний кінець кожного з валів 8 виконано таким, що входить в отвір електромагніту 10 блоку керування 11. Електромагніт 10 блоку керування 11 жорстко закріплено на торцевій стінці 12 корпусу 1, при цьому отвори в електромагнітах 10 і підшипниках ковзання 3 розміщено осесиметрично один до одного. У внутрішній порожнині отвору електромагніту 10 встановлено пружину 13, яка контактує одним своїм кінцем з елементами регулювання 14 жорсткості динамічної системи, які розміщені на торцевій стінці 12 корпусу 1, а др угим кінцем - з торцевою частиною двоконсольного вала 8. На вільному кінці вала 8 жорстко і симетрично закріплені силопередавальні феромагнітні пластини 15, при цьому зазначені пластини 15 закріплені у площині осі вала 8. Пластини 15 виконані розташованими в одній площині, що проходить крізь вісь вала 8 (див. Фіг.4). На пластини 15 опираються пружини 16, а на пластинах 15 закріплені постійні магніти 17 (N/S), при 6 цьому пружини 16 опираються одним кінцем на пластини 15, а другим - на стінку корпусу 1, наприклад, на верхню (як варіант конструктивного виконання). Зазначені магніти 17 (N/S) розміщені в зазорі між індукційними датчиками 18 (див. Фіг.2 та Фіг.4). Електромагніти 10 блока керування 11 виконані зв'язаними із зазначеним блоком керування 11. Виходи індукційних датчиків 18 виконані сполученими з електромагнітами 7 послідовно через підсилювач збудження коливань низької частоти 19 і фазоінвертор 20, а виходи джерела живлення 21 виконані сполученими з електромагнітами 10 блоку керування 11 через зазначений блок керування 11, з входами частотоміра 22 і реєстратора 23 контрольованих параметрів. На корпусі 1 встановлено вузол 24 настроювання динамічної системи частотно-вибіркової ланки, який регулює положення індукційних датчиків 18 відносно жорстко закріплених на феромагнітній пластині 15 постійних магнітів 17 (N/S). Частотно-вибіркова ланка зв'язана з контуром збудження коливань через силопередавальні феромагнітні пластини 15. Вузол 24 настроювання динамічної системи частотно-вибіркової ланки (як варіант конструктивного виконання) містить регулювальний гвинт 25, який виконаний механічно зв'язаним з пристосуванням 26. На зазначеному пристосуванні 26 жорстко закріплений індукційний датчик 18. Коливальний віскозиметр працює наступним чином. По-перше, в ємкість (поз. 4) між перегородками 2 заливається досліджуване середовище (позиція 27). Для цього відкривається кришка 6 отвору 5 на корпусі 1 і ємкість 4 заповнюється на величину, щоб конуси 9 були зануреними у досліджуване середовище 27 повністю. Після наповнення ємкості 4 досліджуваним середовищем 27 отвір 5 герметично закривається кришкою 6. При підключенні джерела живлення 21 до блоку керування 11 пристрій (коливальний віскозиметр) готовий до першого етапу роботи. Перший етап роботи починається тим, що з блоку керування 11 подається сигнал (електричний струм) на електромагніти 10. Спрацьовують електромагніти 10, які починають виробляти електромагнітне поле. Під дією зазначеного електромагнітного поля вал 8 (кожної частотноколивальної ланки) буде втягуватися всередину порожнини (позиція 28, див. Фіг.1) електромагніту 10, стискаючи пружину 13. Конуси 9 кожної частотно-вибіркової ланки відходять один від одного, при цьому простір між ними заповнюється досліджуваним середовищем 27. У такому стані конуси 9 витримуються протягом не менше 10-20 с (для заповнення простору між конусами 9 досліджуваним середовищем 27). Після зазначеного часу з блока керування 11 на електромагніти 10 подається інший сигнал, при якому котушки електромагнітів 10 знеструмляться. Під дією сил розтискування пружин 13 вали 8 почнуть переміщуватись назустріч один до одного (переміщуючись у підшипниках ковзання 3, які закріплені на перегородках 2 корпусу 1, до контакту поверхнями конусів 9 між собою (відповідно зовнішньою та внутрішньою). При цьо 7 36889 му в зазорі між конусами 9 буде знаходитись досліджуване середовище 27. При вимиканні джерела живлення 21 від блоку керування 11 та підключенні джерела живлення 21 до підсилювача збудження коливань низької частоти 19 і частотоміра 22, пристрій (коливальний віскозиметр) готовий до другого етап у роботи безпосереднього вимірювання в'язкості v досліджуваного середовища 27. При цьому в індукційному датчику 18, який знаходиться в магнітному полі (N/S) постійного магніту 17, відпрацьовується сигнал у вигляді електрорушійної сили (ЕРС) індукції. При цьому індукційні датчики 18 і постійні магніти 17 встановлені так, що ЕРС відпрацьовується тільки в одному з датчиків 18 кожного з контурів збудження коливань. Сигнал з цього датчика 18 (кожного контуру збудження коливань) подається на підсилювач збудження коливань 19, де здійснюється його підсилювання, і далі, через фазоінвертор 20, на діагонально-протилежні магніти 7 (див. Фіг.5) блоків електровібраторів. Електромагніти 7 (до яких підведено підсилений сигнал) починають діяти на силопередавальну феромагнітну пластину 15 парою сил F відносно осі оберту вала 8. При цьому вал 8 буде провертатися у підшипниках ковзання 3 у напрямку моменту М, створеного парою сил F від електромагнітів 7 (див. Фіг.5). При цьому моменти М у перший напівперіод коливань вала 8 з конусом 9 будуть направлені в протилежні сторони. Діагональне протилежні (відносно працюючих електромагнітів 7) пружини 15 (див. Фіг.4) почнуть стискуватися, накопичуючи енергію. При досягненні положення рівноваги, при якому сила F від електромагнітів 7 буде дорівнювати силі затягування пружини 16, сигнал на працюючому індукційному датчику 18 буде дорівнювати "нулю", а тому і "нулю" на електромагнітах 7. Не отримуючи протидії з боку електромагнітів 7 (задіяних у перший напівперіод коливань - див. Фіг.5), пружини 13 почнуть розтискуватися, намагаючись вернутися до положення рівноваги. Вал 8 з конусом 9 почне повертатися у зворотний бік. У другий період коливань до роботи вступає інший індукційний датчик 18 (конструктивно розташований симетрично відносно осі вала 8 другий індукційний датчик 18 показаний на Фіг.3 та Фіг.4 ), си гнал з якого, після підсилення у підсилювачі збудження коливань 19, буде надходити на два інших діагональне протилежних електромагніти 7 (електровібратори), які впливають парою сил F (іншого знаку) на силопередавальну феромагнітну пластину 15, при цьому вони будуть надавати їй безконтактне додатковий рух у зворотний бік від першого напівперіоду коливань (з моментом М іншого, відносно першого напівперіоду коливань, знаку) (див. Фіг.6). Таким чином, виникають механічні коливання системи "вал 8 - конус 9 - пружини 13", що не затухають, і синфазні з ними електричні коливання в системі "датчик 18 - підсилювач збудження коливань 19 - електромагніти 7", частота яких точно дорівнює частоті власних коливань системи "вал 8 з конусом 9 - досліджуване середовище 27". Вимірювання частоти f власних коливань вала 8 з конусом 9 здійснюється за допомогою електронно 8 рахувального частотоміра 22. Для автоматичного визначення величини фактичної в'язкості v досліджуваного середовища 27 сигнал з електроннорахувального частотоміра 22 подається на вхід реєстратора 23 контрольованих параметрів, який переводить електричні величини у розмірність в'язкості. Фізична суть процесу визначення в'язкості досліджуваного середовища полягає в наступному. Залежно від в'язкості v досліджуваного середовища 27, тертя конусів 9 кожної частотновибіркової ланки, які є зануреними у досліджуване середовище 27, щодо зазначеного середовища 27 (що заходиться між зазначеними конусами 9), буде різним. Наскільки середовище 27 буде близьким до рідкого становища, настільки сила тертя між конусами 9 буде меншою, а частота f власних крутильних коливань більшою. І навпаки, у середовищі 27 більшої щільності, сили зчеплення середовища 27 і конусів 9 між собою можуть бути настільки значними, що при певній (початковій) жорсткості динамічної системи, зусиль від електромагнітів 7 не вистачить, щоб їх подолати. В цьому випадку, за допомогою регулювального гвинта 25 вузла 24 настроювання динамічної системи, індукційний датчик 18, жорстко закріплений на пристосуванні 26, переміщується у бік постійного магніту 17. Зменшення зазору між індукційним датчиком 18 і постійним магнітом 17 призводить до того, що збільшується величина сигналу, що виробляється індукційним датчиком 18, у вигляді ЕРС індукції і, як наслідок, збільшується потужність сигналу, який надходить від підсилювача збудження коливань 19 на електромагніти 7. Водночас, шляхом стиснення за допомогою елементів 14 пружин 13 електромагнітів 10, досягають деякого збільшення частоти обертання вала 8 і, як наслідок, зменшення амплітуди коливань (кута повороту а - див. Фіг.5 і Фі г.6) зазначеного вала 8. Зменшення кута повороту а вала 8 з конусом 9 буде сприяти зменшенню сили тертя між середовищем 27 і конусом 9 та підвищить чутливість частотновибіркової ланки. При виконанні контрольного заміру параметрів в'язкості досліджуваного середовища 27, яким можуть бути, наприклад, фарба, нафта, бензин, керосин, спирт та Інші речовини, заміряють частоту f авторезонансних (власних) коливань частотновибіркової ланки. Тертя конусів 9 щодо досліджуваного матеріалу 27 призведе до виникнення дисипативних сил тертя і, як наслідок, до зменшення частоти f авторезонансних коливань системи "вал 8 з конусом 9 - досліджуване середовище 27". Знаючи виміряні раніше еталонні частоти коливань f частотно-вибіркової ланки в ємкості 4 з досліджуваним матеріалом 27, параметри якого перевірені іншими методами контролю, наприклад, що надані в [4], і порівнюючи їх з показниками частотоміра 22 при контрольному вимірюванні, отримують за номограмою залежності частоти f власних (авторезонансних) коливань системи "вал з конусом - досліджуваний матеріал" від в'язкості v досліджуваного матеріалу 27 та температури t навколишнього середовища, величину в'язкості n досліджуваного середовища 27 (див. номограму 9 36889 на Фіг.9). Наприклад, при контрольному вимірюванні в'язкості n досліджуваного середовища 27 (матеріалу) була отримана частота f1 власних авторезонансних коливань. Згідно з номограмою, на осі f знаходять величину f 1, проводять перпендикуляр до графіків t (на Фіг.9 - зазначено t1, t2 , t 3 та t4), відповідно до температури t2 (як приклад), переходять паралельно базовій осі до графіка зміни в'язкості n і, опускаючи перпендикуляр з точки перетину графіка зміни в'язкості n на вісь n, отримують величину фактичної в'язкості n 1 досліджуваного матеріалу (поз. 27). Використання як показника в'язкості досліджуваної речовини частоти власних (авторезонансних) коливань зонда (який виконано у вигляді вала з диском), дозволить підвищити точність визначення в'язкості досліджуваного середовища, розширити функціональні можливості пристрою шляхом вимірювання в'язкості не тільки рідких середовищ, але й середовищ, які мають велику в'язкість та щільність. Використання пристрою, який заявляється, можливе не тільки у виробничих умовах, але й у польових. Коливальний віскозиметр, що заявляється, може бути розташованим у конструкції баків для зберігання різноманітних речовин, наприклад, фарби, бензину, нафти, а також в баках для пального літальних апаратів, в ємкостях для зберігання пального на автозаправних станціях, в ємкостях для перевезення молока, друкарської фарби та інше. Контроль за вимірюванням фізико-хімічних властивостей вищезазна 10 чених речовин в цьому випадку може вестись дистанційно. Підвищення ефективності застосування коливального віскозиметра, що заявляється, у порівнянні з прототипом досягається за рахунок підвищення точності визначення частоти коливань рухомого вала із закріпленим на ньому датчиком в'язкості (конусом), 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 характеристик досліджуваного середовища. 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. A.c. СРСР№ 717625, 1980р., МПК G01N11/16 - аналог. 2. A.c. СРСР№ 238875, 1966p., МПК G01N11/16 - аналог. 3. А.с. СРСР№ 789704, 1980р., МПК G01N11/16 - прототип. 4. Н.И. Орел, Э.В. Губачек, Б.Й. Березин, В.М. Водолазская «Справочник технологаполиграфиста», часть 5, Печатные краски, М., «Книга», 1988г., стр.188-202, § 4.3 «Реологические свойства красок для издательских целей». 11 36889 12 13 36889 14 15 36889 16 17 Комп’ютерна в ерстка О. Рябко 36889 Підписне 18 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601