RU2057320C1

RU2057320C1 - Viscosimeter

Info

Publication number: RU2057320C1
Authority: RU
Inventors: Анатолий Илларионович Петренко; Александр Васильевич Махоткин
Original assignee: Анатолий Илларионович Петренко; Александр Васильевич Махоткин
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: measurement of rheological characteristics of liquid media. SUBSTANCE: viscosimeter has restoring hollow rod through which rigid shaft is passed uniaxially connected to vibration lock on one side and member of case which is axially symmetric on the other side. Rigid shaft is linked to spider located inside axially symmetric member of case together with exciter of torsional vibrations. Exciter of torsional vibrations is connected to unit of torsional vibrations. Vibration probe is linked to unit for registration of vibrations. Vibration probe and axially symmetric member of case are manufactured in the form of hollow cylinder of equal diameter and height. EFFECT: improved authenticity of measurements. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерению реологических характеристик жидких сред с использованием колебательного вискозиметра. Преимущественная область использования измерение вязкости жидких сред в труднодоступных местах. The invention relates to the measurement of the rheological characteristics of liquid media using an oscillatory viscometer. The preferred area of use is the measurement of the viscosity of liquid media in hard-to-reach places.

Наиболее близким к изобретению является колебательный вискозиметр, состоящий из колебательного зонда, средств для возбуждения крутильных колебаний и средств для их регистрации. Зонд представляет собой полый наконечник, укрепленный на конце упругого полого тонкостенного торсиона. Возмущающая сила передается от силовозбудителей, жестко закрепленных на корпусе, через жесткий центральный стержень на зонд, который совершает крутильные колебания относительно корпуса [1]
Недостатком является то, что зонд совершает колебания относительно неподвижного массивного корпуса вискозиметра, что приводит к утечке энергии в корпус, которая может быть по величине соизмерима с рассеянием энергии вибрирующего зонда в жидкости. Из-за этого существенно снижается точность определения вязкости жидкости. Кроме того, данный вискозиметр имеет большие габариты и его невозможно использовать для измерения вязкости жидкости в труднодоступных местах.Closest to the invention is an oscillating viscometer, consisting of an oscillating probe, means for exciting torsional vibrations and means for registering them. The probe is a hollow tip mounted on the end of an elastic hollow thin-walled torsion bar. The perturbing force is transmitted from the exciters, rigidly fixed to the housing, through a rigid central rod to the probe, which performs torsional vibrations relative to the housing [1]
The disadvantage is that the probe oscillates with respect to the stationary massive body of the viscometer, which leads to energy leakage into the body, which can be comparable in magnitude with the energy dissipation of the vibrating probe in the liquid. Because of this, the accuracy of determining the viscosity of a liquid is significantly reduced. In addition, this viscometer is large and cannot be used to measure the viscosity of a liquid in hard to reach places.

Данное изобретение направлено на повышение точности определения вязкости жидкости и обеспечение возможности ее измерения в труднодоступных местах. This invention is aimed at improving the accuracy of determining the viscosity of a liquid and making it possible to measure it in hard-to-reach places.

Для этого колебательный зонд и элемент корпуса выполнены в виде полых герметичных цилиндров с одинаковыми наружным диаметром и высотой, возбудитель крутильных колебаний выполнен в виде электромагнитов и полюсных наконечников, которые установлены соответственно в элементе корпуса и на концах крестовины диаметрально противоположно и попарно друг против друга, причем моменты инерции полых цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами одинаковы, а к наружной поверхности элемента корпуса в точке пересечения его с осью вала прикреплена гибкая нерастяжимая нить. Кроме того, в полости одного из цилиндров размещен регулятор величины момента инерции цилиндра относительно его оси, выполненный в виде двух одинаковых подвижно установленных масс, размещенных диаметрально противоположно. For this, the oscillating probe and the housing element are made in the form of hollow sealed cylinders with the same outer diameter and height, the torsional vibration exciter is made in the form of electromagnets and pole tips, which are installed respectively in the housing element and at the ends of the crosspiece diametrically opposite and pairwise against each other, the moments of inertia of the hollow cylinders together with the masses rigidly connected with them are the same, and to the outer surface of the housing element at the point of intersection with the axis of the shaft Flexible inextensible thread is insulated. In addition, in the cavity of one of the cylinders there is a regulator of the moment of inertia of the cylinder relative to its axis, made in the form of two identical movably installed masses placed diametrically opposite.

На фиг.1 схематически изображен продольный разрез вискозиметра; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1. Figure 1 schematically shows a longitudinal section of a viscometer; figure 2 section aa in figure 1; figure 3 section BB in figure 1.

Вискозиметр состоит из двух полых цилиндров 1 и 2, герметично закрытых крышками 3 и 4 с прокладками 5 и 6. Цилиндры соосно соединены упругим полым тонкостенным стержнем 7, образуя тем самым крутильный маятник. К наружной поверхности крышки 3 в точке, совпадающей с осью цилиндра, прикреплена гибкая нерастяжимая нить (трос) 8. В полом цилиндре 1 на внутренней его стенке жестко и диаметрально противоположно укреплены электромагниты 9 и 10, напротив которых находятся полюсные наконечники (ферромагнитные массы) 11 и 12, установленные на концах крестовины 13. Крестовина 13 соединена с жестким валом 14, проходящим через упругий полый стержень 7 и скрепленным соосно с полым цилиндром 2. Электромагниты 9 и 10 связаны с блоком 15 возбуждения колебаний, а на упругий полый тонкостенный стержень 7 с внутренней стороны наклеен тензорезистор 16, связанный с блоком 17 регистрации колебаний, состоящим, например, из двухлучевого осциллографа и частотомера. Наружный диаметр и высота обоих полых герметичных цилиндров 1 и 2 одинаковы. В полости одного из герметичных цилиндров (в полости цилиндра 2) размещен регулятор 18 величины момента инерции цилиндра относительно его оси, выполненный, например, в виде двух одинаковых подвижно установленных масс, размещенных диаметрально противоположно. Моменты инерции обоих полых цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами относительно их общей оси одинаковы. На крышке 3 в зоне крепления нити 8 установлены проходные герметические электроизоляторы (не показаны), через которые выведены электрические провода как от тензорезистора, так и от электромагнитов. The viscometer consists of two hollow cylinders 1 and 2, hermetically sealed with caps 3 and 4 with gaskets 5 and 6. The cylinders are coaxially connected by an elastic hollow thin-walled rod 7, thereby forming a torsion pendulum. A flexible inextensible thread (cable) is attached to the outer surface of the cover 3 at a point coinciding with the axis of the cylinder 8. Electromagnets 9 and 10 are rigidly and diametrically opposed to the hollow cylinder 1 on its inner wall, opposite which are the pole pieces (ferromagnetic masses) 11 and 12 mounted at the ends of the spider 13. The spider 13 is connected to a rigid shaft 14 passing through an elastic hollow rod 7 and fastened coaxially with the hollow cylinder 2. The electromagnets 9 and 10 are connected to the oscillation excitation unit 15, and to the elastic floor a thin-walled rod 7 is glued on the inside with a strain gauge 16 connected to an oscillation registration unit 17, consisting, for example, of a two-beam oscilloscope and a frequency meter. The outer diameter and height of both hollow sealed cylinders 1 and 2 are the same. In the cavity of one of the sealed cylinders (in the cavity of the cylinder 2) is placed a regulator 18 of the moment of inertia of the cylinder about its axis, made, for example, in the form of two identical movably installed masses placed diametrically opposite. The moments of inertia of both hollow cylinders are identical with the masses rigidly connected with them relative to their common axis. On the lid 3 in the zone of attachment of the thread 8 there are installed hermetic electrical insulators (not shown) through which the electric wires from the strain gauge and from the electromagnets are removed.

Вискозиметр работает следующим образом. The viscometer operates as follows.

Крутильный маятник вискозиметра подвешивают на нити 8. От блока 15 возбуждения управляющий сигнал с требуемой частотой подают поочередно на каждый электромагнит, т.е. в противофазе. Благодаря направлению возникающего силового воздействия между электромагнитами и полюсными наконечниками на полый упругий стержень 7 передается знакопеременный крутящий момент и в вискозиметре возбуждаются крутильные колебания. Определяют собственную частоту ω_o колебаний крутильного маятника на воздухе по наибольшей амплитуде колебаний при фиксированном уровне подводимой мощности к электромагнитам (или по затухающим колебаниям), а также положение узла колебаний (неподвижного сечения) на упругом полом стержне 7. Если узел колебаний не находится в среднем по высоте поперечном сечении стержня 7, то, смещая и фиксируя массы регулятора 18 величины момента инерции, добиваются равенства моментов инерции обоих полых герметичных цилиндров совместно с жестко связанными с ними массами, при котором узел колебаний будет находиться в среднем по высоте поперечном сечении стержня 7. Далее крутильный маятник вискозиметра на нити 8 полностью погружают в жидкость на заданную глубину. Малые габариты крутильного маятника и соответственно зонда, любая требуемая длина нити позволяют опустить его в труднодоступное место, притом на требуемую глубину. С помощью блока 17 регистрации колебаний производят синхронную запись осциллограмм колебательного процесса и возбуждающей силы, определяют резонансную частоту ω колебаний крутильного маятника (зонда) в жидкости, при которой сдвиг фаз между возбуждающей силой и колебательной скоростью равен нулю, а динамическую вязкость жидкости определяют по формуле, которая для цилиндрического зонда, колеблющегося вокруг своей оси, имеет вид [2]
η

(1) где η динамическая вязкость жидкости;
I момент инерции герметичного полого цилиндра совместно с жестко связанными с ним массами относительно его оси;
ω_o- собственная частота колебаний крутильного маятника на воздухе;
ρ- плотность жидкости;
ν_р=

ω резонансная частота колебаний крутильного маятника в жидкости, при которой сдвиг фаз между возбуждающей силой и колебательной скоростью равен нулю;
h πR³(2H+R);
R наружный радиус полого герметичного цилиндра;
Н высота полого герметичного цилиндра.The torsion pendulum of the viscometer is suspended on the strand 8. From the excitation unit 15, a control signal with the required frequency is supplied alternately to each electromagnet, i.e. in antiphase. Due to the direction of the arising force action between the electromagnets and the pole pieces, alternating torque is transmitted to the hollow elastic rod 7 and torsional vibrations are excited in the viscometer. Determine the natural frequency ω _{o of} oscillations of the torsion pendulum in air by the largest amplitude of oscillations at a fixed level of input power to electromagnets (or by damped oscillations), as well as the position of the oscillation node (fixed section) on the elastic hollow rod 7. If the vibration node is not on average along the height of the cross section of the rod 7, then, shifting and fixing the mass of the regulator 18 of the moment of inertia, they achieve the equality of the moments of inertia of both hollow sealed cylinders together with rigidly connected with them in masses, at which the oscillation node will be in the average height of the cross section of the rod 7. Next, the torsion pendulum of the viscometer on thread 8 is completely immersed in the liquid to a predetermined depth. The small dimensions of the torsion pendulum and, accordingly, the probe, any required length of the thread allow it to be lowered into an inaccessible place, moreover, to the required depth. Using the oscillation registration unit 17, the oscillograms of the oscillatory process and the exciting force are synchronously recorded, the resonant frequency ω of the torsion pendulum (probe) oscillations in the fluid is determined at which the phase shift between the exciting force and the vibrational velocity is zero, and the dynamic viscosity of the fluid is determined by the formula, which for a cylindrical probe oscillating around its axis has the form [2]
η

(1) where η is the dynamic viscosity of the fluid;
I moment of inertia of a sealed hollow cylinder together with masses rigidly connected with it relative to its axis;
ω _o is the natural frequency of vibration of the torsion pendulum in air;
ρ is the fluid density;
ν _p =

ω is the resonant frequency of oscillations of the torsion pendulum in a liquid at which the phase shift between the exciting force and the vibrational velocity is zero;
h πR ³ (2H + R);
R is the outer radius of the hollow sealed cylinder;
N the height of the hollow sealed cylinder.

Динамическую вязкость жидкости можно определить и по формуле, в которую входит логарифмический декремент δ свободных колебаний [3]
η

-

, (2) где δ

ln

n число циклов колебаний рассматриваемого участка виброграммы;
a_i- амплитуда колебаний в начале участка виброграммы;
a_i+n- амплитуда колебаний в конце участка виброграммы;
γ- тангенс угла механических потерь в упругом полом тонкостенном стержне, определяемый по регистрации колебаний на воздухе.The dynamic viscosity of the liquid can also be determined by the formula, which includes the logarithmic decrement δ of free vibrations [3]
η

-

, (2) where δ

ln

n is the number of oscillation cycles of the considered section of the vibrogram;
a _i is the amplitude of oscillations at the beginning of the section of the vibrogram;
a _{i + n} is the amplitude of the oscillations at the end of the section of the vibrogram;
γ-tangent of the angle of mechanical losses in an elastic hollow thin-walled rod, determined by recording vibrations in air.

Остальные обозначения соответствуют таковым в предыдущей формуле (1). Таким образом, благодаря автономному силовозбуждению зонда, закреплению упругого элемента зонда в узловом сечении, подвеске его на нерастяжимой нити (тросе) не происходит паразитная утечка энергии при колебаниях зонда. Это повышает точность определения вязкости жидкости, позволяет сделать вискозиметр малогабаритным и использовать его в труднодоступных местах. The remaining notation corresponds to those in the previous formula (1). Thus, due to the autonomous force excitation of the probe, fixing of the probe elastic element in the nodal section, and its suspension on an inextensible thread (cable), parasitic energy leakage does not occur during probe vibrations. This increases the accuracy of determining the viscosity of the liquid, allows you to make the viscometer small-sized and use it in hard to reach places.

Claims

1. A viscometer containing an elastic hollow rod and a rigid shaft passing through it, coaxially connected on one side with an oscillating probe, and on the other hand, an elastic hollow rod connected to an axisymmetric shaft by a housing element, and a rigid shaft with a cross located inside the housing element, a torsional vibration exciter of the probe located in the housing element and connected to the vibration excitation unit, and the vibration registration unit, characterized in that the vibration probe and the housing element are made in the form of a hollow tidal cylinders with the same outer diameter and height, the torsional vibration exciter is made in the form of electromagnets and pole tips, which are installed respectively in the housing element and at the ends of the crosspiece are diametrically opposite and pairwise opposite to each other, and the moments of inertia of the hollow cylinders together with the masses rigidly connected to them are the same, and a flexible inextensible thread is attached to the outer surface of the housing element at the point of intersection with the axis of the shaft.

2. The viscometer according to claim 1, characterized in that a regulator of the moment of inertia of the cylinder relative to its axis is placed in the cavity of one of the cylinders.

3. The viscometer according to claim 2, characterized in that the regulator of the moment of inertia relative to the axis of the cylinder is made in the form of two identical movable installation masses placed diametrically opposite.