PL167948B1 - Sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy - Google Patents

Abstract

1. Sposób pomiaru lepkości cieczy, polegający na pomiarze szybkości zaniku drgań przetwornika zanurzonego w badanej cieczy, w którym sygnał ten poddaje się przetworzeniu na napięcie stałe, a następnie całkowaniu, znamienny tym, że z sygnału przetwornika, stanowiącego sondę pomiarową (S) wydziela się składową aperiodyczną, którą następnie całkuje się w dwu kolejnych przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio po sobie. 2. Układ do pomiaru lepkości cieczy, zawierający przetwornik badanej cieczy na wejściu którego włączony jest generator wzbudzenia przetwornika, zaś wyjście jest połączone poprzez wtórnik ze wzmacniaczem, wyjście którego jest połączone poprzez detektor napięcia z przetwornikiem napięcie - częstotliwość z kompensacją ładunku oraz zawierający klucze analogowe i blok sterujący, znamienny tym, że wyjście generatora (G)jest połączone poprzez pierwszy klucz analogowy (K1) z wtórnikiem (WT) oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę pomiarową (S), zaś wyjście wtórnika (WT) jest połączone poprzez drugi klucz analogowy (K2) ze wzmacniaczem pasmowo - przepustowym (W) oraz poprzez trzeci klucz analogowy (K3) z masą układu pomiarowego, ponadto wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość (P) jest połączone z. wejściem bloku sterowania (BS), zaś wyjścia sterujące (Wy1, Wy2, Wy3) bloku sterowania (BS) są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych (K1, K2, K3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy, zwłaszcza do pomiaru lepkości płynów biologicznych.

Znany sposób pomiaru lepkości krwi polega na pomiarze szybkości zanikania drgań przetwornika magnetostrykcyjnego zawierającego rdzeń ferrytowy umieszczony w polu magnetycznym cewki. Cewka zasilana jest z generatora obcowzbudnego, który wymusza powstanie pola magnetycznego powodując drgania rdzenia ferrytowego. Drgania te poprzez pręt kwarcowy przenoszone są do czujnika zanurzonego w cieczy. Pomiar lepkości cieczy polega na pomiarze sygnału elektrycznego tłumienia wnoszonego przez badaną ciecz i porównaniu z sygnałem tłumienia w stanie swobodnym drgań. Sygnały te są następnie całkowane i przetwarzane na napięcie stałe, które jest mierzone za pomocą elektrycznego przyrządu wychyłowego.

Wadą takiego sposobu pomiaru lepkości oraz układu pomiarowego jest to, że ze względu na słabe sprzężenie magnetyczne rdzenia ferrytowego z cewką, niemożliwe jest zbudowanie generatora o częstotliwości drgań własnych przetwornika, ponieważ sygnał zwrotny z przetwornika jest zbyt słaby. Ponadto niedogodnością jest zależność wartości napięcia od wartości początkowej amplitudy drgań, niestabilności termicznych układu i czasu całkowania.

Znane jest z książki pt. „Miernictwo elektroniczne aut. Zdzisław Karkowski, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1981, rozwiązanie przetwornika AC z całkowaniem podwójnym w którym, w pierwszym okresie całkowany jest sygnał mierzony, natomiast w drugim okresie (o równym bądź różnym czasie trwania) całkowany jest sygnał odniesienia, a następnie porównywane są czasy całkowania, na podstawie których wnioskuje się o wartości sygnału wejściowego. W rozwiązaniu tym, przez podwójne całkowanie eliminowane są błędy integratora takie jak nieliniowość układu oraz inne zakłócenia, zaś efektem końcowym jest wartość (amplituda) sygnału wejściowego.

Znane są również układy elektroniczne wyposażone w klucze analogowe i bloki sterujące.

167 948

Sposób wedhig wynalazku polega na tym, że z sygnału przetwornika zanurzonego w badanej cieczy, który stanowi sondę pomiarową wydziela się składową aperiodyczną, którą następnie całkuje się w dwu kolejnych przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio po sobie.

Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że wyjście generatora jest połączone poprzez pierwszy klucz analogowy z wtórnikiem oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę pomiarową, zaś wyjście wtórnika jest połączone poprzez drugi klucz analogowy ze wzmacniaczem pasmowo - przepustowym oraz poprzez trzeci klucz analogowy z masą układu pomiarowego. Wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość jest połączone z wejściem bloku sterowania, którego wyjścia sterujące są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych.

Korzystne jest jeśli blok sterujący wyposażony jest w licznik i procesor oraz połączony jest z wyświetlaczem oraz klawiaturą.

Zgodnie ze sposobem poprzez dwukrotne całkowanie sygnału wejściowego uniezależniono wynik pomiaru od ampiltudy drgań sondy, wzmocnienia toru pomiarowego, wartości współczynnika przetwarzania przetwornika napięcie częstotliwość.

W układzie według wynalazku, pobudzenie sondy do drgań na własnej częstotliwości rezonansowej pozwala uzyskać dużą dobroć sondy.

Przykład stosowania sposobu jest objaśniony w oparciu o przykład wykonania układu, przedstawiony na rysunku w ujęciu blokowym.

Sposób pomiaru lepkości cieczy, polega na pomiarze tłumienia drgań sondy pomiarowej S. Szybkość zaniku drgań sondy S wyznacza się na podstawie zmiany amplitudy sygnału elektrycznego z przetwornika napięcie-częstotliwośćP.

Sygnał elektryczny sondy S opisany jest wzorem:

U = Uosin(27rft)e^ gdzie:

Uo - amplituda początkowa sygnału, f - częstotliwość drgań sondy, a - dekrement tłumienia, t-czas.

Po detekcji sygnału z sondy S w detektorze napięcia D, z którego otrzymywany jest sygnał napięcia stałego, zanika czynnik zależny od częstotliwości. Sygnałem poddanym dalszemu przetworzeniu jest:

Ui=U_oAe^ gdzie:

to + T

z. tt 1 . tt -2t 3waniu w przedziale czasu (AUoe ^z)dt = -_ A-Uo-e* to

Si = _H£_ e^^,a .(1-e-Ą-e-^-A a

= e^^,a .(1-e-Ą-e-^-A a

a następnie drugiemu całkowaniu w przedziale czasu (to + T, to + 2T)

5₂ = ^U°- e ^,a1-(l-e ^T)-e ^T-A a

gdzie:

- całkowana wartość sygnału napięciowego z przetwornika zanurzonego w badanej cieczy w przedziale czasu (to + T).

5₂ - całkowana wartość sygnału napięciowego z przetwornika zanurzonego w badanej cieczy w przedziale czasu (to + T, to + 2T) wówczas stosunek dwóch wartości całkowanych Si do S₂ jest równy e”^^T i nie zależy od amplitudy sygnału napięciowego, ani wzmocnienia toru pomiarowego, lecz tylko od szybkości zaniku drgań sondy S. Nie zależy również od momentu rozpoczęcia

A - wzmocnienie toru Otrzymywany sygnał (to, to+T), a więc:

stąd

167 948 pomiaru. Czynnikiem wpływającym na pomiar jest dokładność czasu całkowania. Całkowanie sygnału napięcia stałego prowadzi się w przetworniku P z kompensacją ładunku (przetwornik sigma - delta) i w postaci ciągu impulsów podaje się na wejście WE bloku sterującego BS wyposażonego w licznik, w którym się je zlicza. Dalsze przetwarzanie sygnału prowadzi się w procesorze bloku sterowania BS w postaci cyfrowej.

Układ do pomiaru lepkości cieczy posiada wyjście generatora G połączone poprzez pierwszy klucz analogowy K1 z wtórnikiem WT oraz sondą pomiarową S, zaś wyjście wtórnika WT ma połączone poprzez drugi klucz analogowy K2 ze wzmacniaczem pasmowo - przepustowym W oraz poprzez trzeci klucz analogowy K3 z masą układu pomiarowego. Wyjście wzmacniacza pasmowo -przepustowego W jest połączone poprzez detektor napięcia D z przetwornikiem napięcie - częstotliwość P, którego wyjście jest połączone z wejściem WE bloku sterowania BS, zaś wyjścia sterujące Wy1, Wy2, Wy3 bloku sterowania BS są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych K1, K2, K3 ponadto z blokiem sterowania BS są połączone klawiatura K1 oraz wyświetlacz WS.

Układ działa w sposób niżej opisany. Układ składa się z części nadawczej i odbiorczej, pracujących naprzemiennie. Wspólne są tylko sonda S i blok sterowania BS. Część nadawczą tworzą generator G wraz z sondą S. W czasie pracy nadawczej klucze K1, K3 są zwarte, zaś klucz K2 rozwarty. Zwarcie klucza K1 powoduje połączenie sondy S z generatorem G. Sonda S stanowiąca element rezonansowy generatora G zostaje pobudzona do drgań na własnej częstotliwości rezonansowej. Amplituda drgań sondy S jest stabilizowana przez blok automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW) generatora G. Po rozwarciu klucza K1 praca generatora G ustaje. W czasie pracy odbiorczej klucze K1, K3 są rozwarte, zaś klucz K2 zwarty. Sonda S pobudzona do drgań, drga nadal z wykładniczo malejącą amplitudą. Zadaniem części odbiorczej jest takie przetworzenie sygnału z sondy S aby można było wyznaczyć szybkość zaniku drgań. Sygnał z sondy S zostaje podany na wejście wtórnika WT. Wtórnik WT jest układem separującym sondę od kluczy K2, K3. Wzmacniacz pasmowo - przepustowy W eliminuje sygnały zakłócające, zwłaszcza pochodzące od sieci energetycznej i wzmacnia sygnał sondy S. Detektor D zamienia sygnał zmienny z sondy S na równoważny mu sygnał stały, ponieważ składowa stała sygnału na wyjściu detektora D jest proporcjonalna do amplitudy sygnału zmiennego na wejściu. Przetwornik napięcie - częstotliwość P przetwarza sygnał stały z detektora D na sygnał impulsowy. Na wejście WE bloku sterowania BS podawane są impulsy, których chwilowa częstotliwość jest proporcjonalna do chwilowej wartości amplitudy drgań sondy S. Liczba impulsów przetwornika P w dowolnym przedziale czasu jest proporcjonalna do całki pod obwiednią sygnału sondy S w tym czasie. Jeżeli zostanie zcałkowany sygnał z sondy S w dwóch następujących bezpośrednio po sobie przedziałach czasowych to, to + T = to + T, to + 2T, to stosunek dwóch wartości całkowanych S1 i S2 będzie zależał wyłącznie od szybkości zaniku drgań sondy S. Otrzymany wynik jest niezależny od amplitudy sygnału z sondy S, wzmocnienia toru pomiarowego, wartości współczynnika przetwarzania przetwornika napięcie - częstotliwość P. Blok sterowania BS, spełnia dwie podstawowe funkcje, a mianowicie, obsługuje proces pomiarowy i oblicza wyniki oraz umożliwia współpracę z użytkownikiem. Obsługa procesu pomiarowego polega na włączaniu i wyłączaniu kluczy K1, K2, K3 według określonego algorytmu oraz zliczaniu w określonych przedziałach czasowych impulsów z przetwornika P. Po zakończeniu pomiaru następuje obliczanie wyniku i jego wyświetlenie na wyświetlaczu WS. Dodatkowo blok sterowania BS umożliwia zaprogramowanie parametrów pomiaru.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1.50 zł

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru lepkości cieczy, polegający na pomiarze szybkości zaniku drgań przetwornika zanurzonego w badanej cieczy, w którym sygnał ten poddaje się przetworzeniu na napięcie stałe, a następnie całkowaniu, znamienny tym, że z sygnału przetwornika, stanowiącego sondę pomiarową (S) wydziela się składową aperiodyczną, którą następnie całkuje się w dwu kolejnych przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio po sobie.
2. 2. Układ do pomiaru lepkości cieczy, zawierający przetwornik badanej cieczy na wejściu którego włączony jest generator wzbudzenia przetwornika, zaś wyjście jest połączone poprzez wtórnik ze wzmacniaczem, wyjście którego jest połączone poprzez detektor napięcia z przetwornikiem napięcie - częstotliwość z kompensacją ładunku oraz zawierający klucze analogowe i blok sterujący, znamienny tym, że wyjście generatora (G) jest połączone poprzez pierwszy klucz analogowy (K1) z wtórnikiem (WT) oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę pomiarową (S), zaś wyjście wtórnika (WT) jest połączone poprzez drugi klucz analogowy (K2) ze wzmacniaczem pasmowo-przepustowym (W) oraz poprzez trzeci klucz analogowy (K3) z masą układu pomiarowego, ponadto wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość (P) jest połączone z wejściem bloku sterowania (BS), zaś wyjścia sterujące (Wy1, Wy2, Wy3) bloku sterowania (BS) są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych (K1, K2, K3).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że blok sterujący (BS) wyposażony jest w licznik i procesor oraz połączony jest z wyświetlaczem (WS) i klawiaturą (KL).