NL9101288A - Viscositeitsmeter. - Google Patents

Description

Viscositeitsmeter.

De uitvinding heeft betrekking op een viscositeitsmeter voorzien van een transducent voor het omzetten van een viscositeits-grootheid van een fluïdum in een elektrisch signaal, omvattende een ondersteuningsorgaan, een oscillatie-inrichting, die aan een uiteinde vast is bevestigd aan het ondersteuningsorgaan en aan het andere vrije uiteinde een oscillatielichaam bezit, en een magnetische aandrijfspoel en detectiespoel voor het in oscillatie brengen en houden van de oscillatie-inrichting. Een dergelijke viscositeitsmeter is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.488.427.

Bij de bekende meter wordt het ondersteuningsorgaan gevormd door een blok of plaat waarin een gat is aangebracht. De oscillatie-inrichting bestaat uit een buis, waarvan de binnendiameter groter is dan die van het gat en waarvan één uiteinde coaxiaal met het gat aan het blok is bevestigd. Het andere uiteinde van de oscillatie-inrichting bezit een oscillatielichaam of -massa die de buis aldaar afsluit. De buis wordt in een torsiemode in oscillatie gebracht. Hiertoe is in de inwendige ruimte van de buis een stijve staaf met ruimte aangebracht, waarvan één uiteinde met het vrije uiteinde van de buis vast is verbonden, terwijl het vrije uiteinde van de stijve staaf via het gat in het ondersteuningsblok zich uitstrekt tot voorbij het ondersteuningsblok. Aan het vrije uiteinde van de stijve staaf is een dwarsstaaf bevestigd, die aan zijn vrije uiteinden magneten bezit die samenwerken met magnetische aandrijf- en detectiespoelen. Een tussen de genoemde spoelen geschakelde terugkoppelketen zorgt voor het in oscillatie brengen en houden van de oscillatie-inrichting via de stijve staaf.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een viscositeitsmeter van de in de aanhef genoemde soort, waarvan de constructie zo eenvoudig mogelijk is.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat het oscillatielichaam is voorzien van een magneet en dat de aandrijf- en detectiespoelen aan het oscillatielichaam grenzen.

Bij bekende systemen bevindt het excitatiesysteem voor het doen oscilleren van de oscillatie-inrichting, die in beginsel bestaat uit aandrijf- en detectiespoelen en de daarmee samenwerkende magneten altijd buiten de ruimte waarin het fluïdum zich bevindt, waarvan de viscositeit moet worden gemeten. In het algemeen ontstaan daardoor afdichtingsproblemen, of moet een indirecte aandrijving, bijvoorbeeld de stijve stang worden toegepast. Aangezien volgens de uitvinding de magneet in het oscillatielichaam is aangebracht, wordt het voordeel bereikt dat kan worden afgezien van afdichtingsmaat-regelen, terwijl een directe aandrijving mogelijk is waardoor de viscositeitsmeter volgens de uitvinding nauwkeuriger is.

Verdere uitvoeringsvormen en uitwerkingen van de uitvinding zijn in bijgaande volgconclusies beschreven.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen tonen:

Figuur 1 schematisch een uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Figuur 2 schematisch de positie van de spoelen en het oscillatielichaam van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding;

Figuur 3 een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm volgens de uitvinding;

Figuur 4 de basisplaat van de uitvoeringsvorm volgens figuur 3; Figuur 5 het elektrische schema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

De uitvinding is gebaseerd op het dempingseffekt van een fluïdum op een trillend oscillatie-orgaan dat daarin is ondergedompeld. Een terugkoppelsysteem wordt toegepast voor het in een mechanische trilling houden van het oscillatie-orgaan door toevoer van energie aan het systeem om viskeuze en andere inherente mechanische en elektrische verliezen te compenseren. Dit wordt bereikt door middel van een versterkingsketen in het terugkoppelsysteem. Bijvoorbeeld kan de complexe schuifviscositeit worden bepaald door het meten van de resonantiefrequentie van het oscillatie-orgaan en de demping daarvan.

Bij hierboven genoemd basisconcept is de viscositeitsmeter volgens de uitvinding als voorbeeld voorzien van een transducent volgens fig. 1 voor het omzetten van een viscositeitsgrootheid van een fluïdum in een elektrisch signaal. Deze transducent omvat een ondersteuningsorgaan of basisplaat 1, waardoor een oscillatie-inrichting wordt ondersteund. Deze oscillatie-inrichting bestaat uit een torsiestaaf 2 die stijf met de basisplaat 1 en loodrecht daarop is bevestigd en een oscillatielichaam dat wordt gevormd door een cilindrische massa 3 die op zijn beurt vast is verbonden met het vrije uiteinde van de torsiestaaf 2. De combinatie van torsiestaaf 2 en cilindrische massa 3 wordt in een torsiemode in trilling gebracht en gehouden. Hiertoe wordt een excitatiesysteem toegepast, dat een magneet 4 en een aandrijfspoel 5 omvat. Zoals uit figuur 1 blijkt, is de magneet 4 in de cilindrische massa 3 aangebracht. Bij voorkeur wordt een tweede aandrijfspoel 6 toegepast.. Van de oscillatie-inrichting is tenminste de cilindrische massa 3 ondergedompeld in een fluïdum of vloeistof 11, die is aangebracht in de ruimte 12 die wordt begrensd door de basisplaat 1, een bijvoorbeeld cilindrische wand 13 en een bodem 14. Wanneer de viscositeitsmeter als doorstroommeter moet worden toegepast, kan bijvoorbeeld de vloeistof door een opening in de wand 13 boven het oscillatielichaam worden ingevoerd en door een opening in de bodem 14 of het weglaten daarvan worden uitgevoerd of omgekeerd. Zoals uit figuur 1 blijkt, zijn de spoelen 5 en 6 aangrenzend aan de wand 13 en bij voorkeur buiten de ruimte 12 aangebracht.

De minimum afstand van het zijvlak van de cilindrische massa 3 tot de wand 13 van de monsterhouder wordt bepaald door de eis, dat de schuif golf nagenoeg moet zijn uitgestorven, wanneer deze de wand 13 bereikt. Voor een Newtonse vloeistof wordt de amplitude van de schuifgolf met een faktor 1000 verzwakt over een afstand van 2 mm bij een viscositeit van 100 Mpas en een frequentie van 400 Hz. In figuur 2 is een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van het excitatiesysteem en detectiesysteem volgens de uitvinding schematisch weergegeven. De cilindrische magneet 4 is als dipool N S getoond. In figuur 2 is de cilindrische massa waarin de magneet is aangebracht, niet getekend. Het excitatiesysteem omvat de aandrijf-spoelen 5 en 6 en het detectiesysteem omvat als voorkeursuitvoeringsvorm twee detectiespoelen 7 en 8. Deze detectiespoelen 7 en 8 staan loodrecht op de aandrijf spoelen 5 en 6. Voorts zijn nog ruisonderdrukkingsspoelen 9 en 10 in figuur 2 weergegeven. De cilindrische magneet is bij voorkeur diametraal gemagnetiseerd, zoals schematisch met de pijl S N in figuur 2 is geïllustreerd.

De magneet is dus tussen de aandrijf- en de detectiespoelen aangebracht. De trillingen van de oscillatie-inrichting in de torsiemode worden door middel van een magnetisch wisselveld tot stand gebracht, dat door middel van een aan de aandrijf spoelen toegevoerd excitatiesignaal wordt opgewekt. Dit excitatiesignaal kan worden opgewekt door een frequentiesynthesizer. De frequentie en grootte van het excitatiesignaal kunnen door middel van een microprocessor worden bestuurd.

De amplitude van de torsietrilling wordt door middel van de detectiespoelen gemeten. Het detectiesignaal uit deze detectiespoelen, dat bij een constant excitatiesignaal een maat is voor de viscositeit van de vloeistof waarin de cilindrische massa is ondergedompeld, kan worden versterkt, door middel van een bandfilter worden gefilterd en worden toegevoerd aan een voltmeter die door de microprocessor wordt uitgelezen.

Als alternatief kan echter een elektrische terugkoppelketen tussen de aandrijf spoelen en de detectiespoelen worden aangesloten, waardoor de oscillatie in de torsiemode van de oscillatie-inrichting wordt gehandhaafd, terwijl van de detectiespoelen het detectiesignaal kan worden afgenomen, waarbij de verhouding van detectiesignaal en excitatiesignaal door middel van een microprocessor kan worden bepaald als maat voor de viscositeit van het te meten fluïdum. Hierop wordt bij de bespreking van figuur 5 nog nader ingegaan.

Teneinde de mechanische koppeling tussen de torsiemassa en de basisplaat zo klein mogelijk te houden, wordt het traagheidsmoment van de basisplaat groot ten opzichte van het traagheidsmoment van de torsiemassa gekozen.

Het belangrijkste voordeel van het hierboven genoemde ontwerp van de transducent voor de viscositeitsmeter is de zeer geringe temperatuurafhankelijkheid van de resonantiefrequentie van de oscillatie-inrichting, zodat de temperatuursinvloed gemakkelijk kan worden gecompenseerd door middel van een microprocessor. De termatuurafhankelijkheid van de oscillatie-inrichting kan verder worden verminderd door toepassing van een temperatuur-onafhankeli jke nikkellegering voor de torsiestaaf. Bijvoorbeeld wordt een materiaal gekozen, dat bekend is onder de aanduiding "Thermelast 4290”, dat wordt geleverd door Vakuumschmelze GmbH. Teneinde de temperatuurafhankelijkheid van de resonantiefrequentie van de oscillatie-inrichting nog verder te verminderen kan nog een warmtebehandeling op de torsiestaaf worden uitgevoerd.

De cilindrische magneet is bijvoorbeeld vervaardigd uit een anisotroop magnetisch materiaal dat onder de aanduiding "VACOMAX 145" in de handel wordt gebracht.

Alle constructiematerialen nabij de magneet, zoals spoelhou-ders en ondersteuningen worden uit kunststof vervaardigd, bijvoor beeld een met vezels versterkte fenolformaldehyde. Dit materiaal verdient de voorkeur in verband met de stijfheid daarvan, de uitzettingscoëfficiënt daarvan, die heel dicht die van de koperspoe-len benadert en vanwege het niet-geleidende karakter daarvan. Geleidende materialen zouden de demping van de oscillatiemassa als gevolg van wervelstroomeffekten verminderen. In de oscillatiemassa 3 is een cilindrische magneet 4 aangebracht, die diametraal is gemagnetiseerd, zoals in figuur 2 met de pijl S N is aangegeven. Het excitatiesignaal wordt toegevoerd aan de parallel geschakelde aandrijf spoelen 5 en 6 die dezelfde wikkelrichting hebben. De richting van de magnetische dipool van de cilindrische magneet 4 ten opzichte van de detectiespoelen 7 en 8 is zodanig gekozen, dat de induktiespanning van de detectiespoel evenredig is aan de hoeksnel-heid van de magneet 4.

Hiervan uitgaande is de magnetische dipool naar de randen van de detectiespoelen 7 en 8 gericht, hetgeen blijkt uit figuur 2. Deze dipoolrichting heeft twee voordelen. Ten eerste is de induktiespanning evenredig aan de hoeksnelheid van de oscillatiemassa en ten tweede is de induktiespanning voor deze oriëntatie maximaal.

De ruisonderdrukkingsspoelen 9 en 10 zijn in serie geschakeld met de detectiespoelen 7 respectievelijk 8, echter is de wikkelrichting van de ruisonderdrukkingsspoelen 9 en 10 tegengesteld aan die van de detectiespoelen 7 respectievelijk 8. Door deze configuratie wordt de ruis, ook die veroorzaakt wordt door uitwendige velden tot een minimum gereduceerd.

Vanwege de symmetrische rangschikking van de spoelen is de overspraak tussen de aandrijf spoelen 5 en 6 en de detectiespoelen 7 en 8 zeer klein.

In figuur 3 is een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van een transducent van het doorstroomtype voor een viscositeits-meter getoond. De transducent bestaat uit een cilinder 15 met een boring 16 waardoor het fluïdum volgens de pijlen PI en P2 stroomt. De cilinder 15 is voorzien van een uitsparing 17 voor het onderbrengen van de niet-getoonde aandrijf-, detectie- en ruisonderdrukkingsspoelen. Deze spoelen zijn aangebracht op de spoellichamen 18-21 (zie fig. 4), die aan de basisplaat 22 zijn vastgeschroefd. Aan de basisplaat 22 is de staaf 23 bevestigd of vormt daarmee een geheel, waarmee de torsiestaaf 24 vast is verbonden. Aan het vrije uiteinde van de torsiestaaf 24 is de oscillatie-massa 25 bevestigd, waarin de magneet 26 zich bevindt. De oscillatie-massa 25 wordt door middel van het van de aandrijfspoelen afkomstige magnetische wisselveld en de magneet 26 in trilling gebracht volgens de pijl P3· De basisplaat 22 wordt na het daarop vastschroeven van de spoellichamen 18-21 met de daarop aangebrachte spoelen op de cilinder 15 geschroefd door middel van schroeven waarvan in figuur 3 slechts de schroef 27 zichtbaar is. De cilinder 15 is voorts nog voorzien van een temperatuursensor 29, waarvan het uitgangssignaal voor een tempera-tuurscompensatie wordt gebruikt.

De basisplaat is in figuur 4 apart getoond. Hieruit blijkt de positie van de spoellichamen 18-21. De basisplaat is voorts voorzien van gaten 30 voor het doorlaten van het fluïdum waarvan de viscosi-teitsgrootheid moet worden gemeten. Deze gaten zorgen voor een laminaire stroming langs de oscillatie-massa 25.

In figuur 5 is het bij de transducent volgens de figuren 3 en 4 behorende elektrische schema geïllustreerd.

Eenvoudigheidshalve zijn de aandrijf spoelen als één spoel SZ en de combinatie van de detectiespoelen en ruisonderdrukkingsspoelen als één spoel SD getekend. Tussen de spoelen SZ en SD is een terugkoppelketen T aangesloten, waarin achtereenvolgens de versterker V2 het filter F1 de automatische sterkteregelaar AGC en de versterker V3 zijn opgenomen. Het op de uitgang van het filter F1 verschijnende signaal en het signaal in het verbindingspunt van de versterker V3 en de automatische versterkingsregelaar AGC worden toegevoerd aan de ingangen 12 en 13 van de microprocessor μΡ, die op basis van de verhouding van de genoemde signalen een viscositeits-uitgangssignaal afleidt, dat op de uitgang 02 wordt afgegeven. Tussen het viscositeitssignaal op de uitgang 02 van de microprocessor μΡ en de daaraan toegevoerde signalen bestaat een verband, dat hetzij experimenteel kan worden bepaald of worden berekend. Het van de temperatuursensor 29 afkomstige signaal wordt toegevoerd aan de versterker VI, waarvan het uitgangssignaal aan de ingang II van de microprocessor μΡ wordt toegevoerd. Een temperatuursignaal verschijnt op de uitgang 01 van de microprocessor.

Het van de temperatuursensor 29 afkomstige signaal wordt via de versterker VI aan de microprocessor μΡ toegevoerd, die een temperatuurcompensatie uitvoert.

Bij experimenten die met de viscositeitsmeter volgens de uitvinding werden uitgevoerd, werd gevonden dat de temperatuur afhankelijkheid van de resonantiefrequentie minder dan 3 · 10~5%C~1 was. Het voordeel van deze geringe temperatuur-onafhankelijkheid van de resonantiefrequentie is dat compensatie door middel van de gemeten temperatuur met behulp van de microprocessor is uit te voeren.

Bovendien is het detectiesysteem van de viscositeitsmeter volgens de uitvinding zeer eenvoudig en bevat slechts een klein aantal onderdelen.

Claims (10)

1. Viscositeitsmeter voorzien van een transducent voor het omzetten van een viscositeitsgrootheid van een fluïdum in een elektrisch signaal, omvattende een ondersteuningsorgaan, een oscillatie-inrichting, die aan een uiteinde vast is bevestigd aan het ondersteuningsorgaan en aan het andere vrije uiteinde een oscillatielichaam bezit,en een magnetische aandrijfspoel en detectiespoel voor het in oscillatie brengen en houden van de oscillatie-inrichting, met het kenmerk, dat het oscillatielichaam is voorzien van een magneet en dat de aandrijf- en detectiespoelen aan het oscillatielichaam grenzen.

2. Viscositeitsmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het oscillatielichaam zich in een door een wand begrensde ruimte voor het opnemen van een fluïdum bevindt en de aandrijf- en detectiespoelen aangrenzend aan de wand buiten de ruimte zijn aangebracht.

3· Viscositeitsmeter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het vlak van de aandrijfspoel loodrecht op dat van de detectiespoel staat.

4. Viscositeitsmeter volgens conclusie 3. met het kenmerk, dat de aandrijf- en/of detectiespoelen elk worden gevormd door tegenover elkaar geplaatste spoelen.

5‘ Viscositeitsmeter volgens een van de conclusies 1-4, met kenmerk, dat de magneet cilindrisch is en diametraal gemagnetiseerd is.

6. Viscositeitsmeter volgens een van de conclusies 1-5, met het kenmerk ,dat de richting van de magnetische dipool van de magneet ten opzichte van de detectiespoel zodanig is gekozen, dat de induktiespanning van de detectiespoel evenredig is aan de hoeksnel-heid van de magneet.

7. Viscositeitsmeter volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de magnetische dipool naar de randen van de detectiespoel is gericht.

8. Viscositeitsmeter volgens een van de voorafgaande conclusies, waarbij de oscillatie-inrichting bestaat uit een met het oscillatielichaam verbonden torsiestaaf, met het kenmerk, dat de torsiestaaf bestaat uit een temperatuur-onafhankelijke nikkellege-ring.

9. Viscositeitsmeter volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat met tegengestelde wikkelrichting een ruisonderdrukkingsspoel in serie met de detectiespoel is geschakeld.

10. Viscositeitsmeter volgens een van de conclusies 2-9, met het kenmerk, dat de wand van de ruimte waarin zich het oscillatie-lichaam bevindt, zich tot het ondersteuningsorgaan uitstrekt en daarbij de ruimte voor een fluïdum begrenst en dat het ondersteuningsorgaan is voorzien van gaten voor het doorlaten van het fluïdum waarvan de viscositeiteitsgrootheid moet worden gemeten.