RU2109266C1

RU2109266C1 - Rotational viscosimeter

Info

Publication number: RU2109266C1
Application number: RU94036368A
Authority: RU
Inventors: А.М. Грузнов; В.Э. Дрейзин
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1998-04-20
Also published as: RU94036368A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: rotational viscosimeter has cylindrical chamber rigidly fixed and filled with analyzed liquid into which sensing element made fast to squirrel-cage rotor of asynchronous motor is submerged and system measuring rotational period. Rotor and sensing element are anchored with the help of electromagnetic suspension which core has conical butt part. Rotor is manufactured in the form of thin-wall cylinder from conductive nonferromagnetic material. Technical result of invention lies in increased accuracy and sensitivity while investigating both Newtonian and non-Newtonian fluids, in widened range of measured viscosities and in design of devices for both continuous action and for laboratory investigations. EFFECT: improved operational characteristics of viscosimeter. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной и аналитической технике и предназначено для измерения вязкости и исследования реологических свойств жидкостей. The invention relates to a control and measuring and analytical technique and is intended for measuring viscosity and studying the rheological properties of liquids.

Известны ротационные вискозиметры [1, 2], содержащие камеру, заполняемую исследуемой жидкостью, с погруженными в нее подвижным и неподвижным воспринимающими элементами в виде тел вращения (цилиндры, диски, конусы, сферы и т. д. ), между поверхностями которых оставлен зазор, заполненный исследуемой жидкостью, а также электродвигатель, вращающий подвижный воспринимающий элемент, и устройство, измеряющее момент сопротивления, возникающий за счет сил внутреннего трения слоев жидкостей, движущихся о равной скоростью в зазоре между поверхностями подвижного и неподвижного воспринимающих элементов. При условии ламинарности течения жидкости в зазоре данный момент будет пропорционален динамической вязкости жидкости в точке кривой течения, соответствующей данному значению установившегося градиента скорости между слоями жидкости. Момент сопротивления измеряется обычно на неподвижном воспринимающем элементе, в качестве которого чаще всего используется сама камера. Применяются и обращенные конструкции, когда во вращение приводится камера с анализируемой жидкостью, а момент измеряется на погруженном в эту жидкость неподвижном воспринимающем элементе. Known rotational viscometers [1, 2], containing a chamber filled with the test fluid, immersed in it with movable and stationary sensing elements in the form of bodies of revolution (cylinders, discs, cones, spheres, etc.), between which surfaces a gap is left, filled with the fluid under study, as well as an electric motor rotating the movable sensing element, and a device that measures the moment of resistance arising due to the forces of internal friction of the layers of liquids moving at an equal speed in the gap between the surfaces movable and stationary sensing elements. Under the condition of laminar fluid flow in the gap, this moment will be proportional to the dynamic viscosity of the fluid at the point of the flow curve corresponding to a given value of the steady-state velocity gradient between the fluid layers. The moment of resistance is usually measured on a stationary sensing element, which is most often used by the camera itself. Inverted constructions are also applied when the chamber with the analyzed liquid is brought into rotation, and the moment is measured on a stationary receiving element immersed in this liquid.

Общим недостатком указанных конструкций является необходимость измерений при фиксированной скорости вращения ротора, поскольку возникающий момент сопротивления будет зависеть и от скорости вращения подвижного воспринимающего элемента (как правило, это условие обеспечивается путем использования синхронного электродвигателя переменного тока). Это ограничивает область применения таких вискозиметров только для исследования ньютоновских жидкостей, для которых кривая течения линейна и поэтому при любой скорости вращения, при которой сохраняется ламинарность течения, измеренное значение вязкости будет постоянно, а также ограничивает диапазон измеряемых вязкостей. Кроме того, невозможность жесткого закрепления неподвижного воспринимающего элемента (камеры), поскольку на нем измеряется возникающий момент сопротивления, существенно усложняет конструкцию вискозиметра и затрудняет его эксплуатацию. A common drawback of these designs is the need for measurements at a fixed rotor speed, since the resulting moment of resistance will also depend on the rotation speed of the moving sensing element (as a rule, this condition is provided by using a synchronous AC electric motor). This limits the scope of such viscometers only for the study of Newtonian fluids for which the flow curve is linear and therefore for any rotation speed at which the flow laminarity is maintained, the measured viscosity value will be constant, and also limits the range of measured viscosities. In addition, the impossibility of rigidly fixing the stationary receiving element (camera), since the measured moment of resistance is measured on it, significantly complicates the design of the viscometer and complicates its operation.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ротационный вискозиметр, описанный в [3]. Он содержит асинхронный двигатель, на оси которого закреплены воспринимающий элемент, погруженный в исследуемую жидкость, и диск с прорезями, который совместно с оптопарой является датчиком скорости вращения ротора. Обмотка возбуждения двигателя питается от стабилизированного источника питания, а обмотка управления от управляемого источника, входящего в систему автоматического регулирования скорости вращения ротора электродвигателя, обеспечивающую установление задаваемой с помощью задающего устройства скорости вращения ротора. При достижении заданной скорости вращения ротора ток обмотки управления электродвигателя оказывается пропорциональным моменту сопротивления, который, в свою очередь, пропорционален вязкости анализируемой жидкости. Таким образом, измеритель тока (или напряжения) в управляющей обмотке электродвигателя в установившемся режиме можно проградуировать в единицах вязкости. The closest in technical essence and the achieved result is a rotational viscometer described in [3]. It contains an asynchronous motor, on the axis of which there is a receiving element immersed in the test liquid, and a slotted disk, which together with the optocoupler is a rotor speed sensor. The excitation winding of the motor is powered by a stabilized power source, and the control winding is from a controlled source included in the automatic control system of the rotor speed of the electric motor rotor, which ensures the setting of the rotor rotational speed set with the help of a driver. Upon reaching the specified rotor speed, the current of the motor control winding is proportional to the moment of resistance, which, in turn, is proportional to the viscosity of the analyzed fluid. Thus, the current (or voltage) meter in the control winding of the electric motor in the steady state can be calibrated in units of viscosity.

Основными недостатками данного вискозиметра являются недостаточная чувствительность и точность, обусловленные наличием непостоянного паразитного момента трения ротора в опорах и низкой крутизной нагрузочной характеристики асинхронного электродвигателя с ферромагнитным ротором. The main disadvantages of this viscometer are insufficient sensitivity and accuracy, due to the presence of an unstable parasitic moment of friction of the rotor in the bearings and the low slope of the load characteristic of an asynchronous electric motor with a ferromagnetic rotor.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение точности и чувствительности измерений при возможности исследования как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей, расширение диапазона измеряемых вязкостей и обеспечение возможности создания приборов как непрерывного действия (для контроля технологических процессов), так и для лабораторных исследований. The technical problems to which the invention is directed are to increase the accuracy and sensitivity of measurements, with the possibility of studying both Newtonian and non-Newtonian liquids, expanding the range of measured viscosities and making it possible to create devices both for continuous operation (for monitoring technological processes) and for laboratory research.

Решение указанных задач достигается тем, что в ротационном вискозиметре, содержащем жестко закрепленную цилиндрическую камеру, заполняемую анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент в виде тела вращения, приводимый во вращение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, а также систему измерения периода вращения ротора, используется магнитный подвес всей вращающейся части вискозиметра, а ротор асинхронного электродвигателя выполняется в виде тонкостенного полого цилиндра из неферромагнитного проводящего материала. The solution of these problems is achieved by the fact that in a rotational viscometer containing a rigidly mounted cylindrical chamber filled with the analyzed fluid, into which a movable sensing element in the form of a body of revolution is immersed, driven by an asynchronous motor with a squirrel-cage rotor, and a system for measuring the period of rotation of the rotor is used magnetic suspension of the entire rotating part of the viscometer, and the rotor of the asynchronous electric motor is made in the form of a thin-walled hollow cylinder made of neferro magnetic conductive material.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: использование в качестве ротора электродвигателя тонкостенного полого цилиндра из неферромагнитного проводящего материала и магнитный подвес вращающийся части вискозиметра, позволяющий исключить подшипники, что отсутствует у прототипа и аналогов и чем удовлетворяется критерий "новизны". Significant distinguishing features of the proposed device are: the use of a thin-walled hollow cylinder of a non-ferromagnetic conductive material as a rotor and a magnetic suspension of the rotating parts of the viscometer, which allows to exclude bearings, which is absent in the prototype and analogues and which satisfies the criterion of "novelty".

На чертеже показано устройство вискозиметра. Вискозиметр состоит из жестко закрепленной цилиндрической камеры 1, заполняемой анализируемой жидкостью, в которую погружен подвижный воспринимающий элемент 3 в виде тела вращения, жестко соединенный с ротором 4 асинхронного двухфазного электродвигателя, который выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра из неферромагнитного проводящего материала и удерживается вместе с воспринимающим элементом с помощью магнитного подвеса, состоящего из цилиндрического якоря 5 из ферромагнитного материала, жестко соединенного с ротором электродвигателя, электромагнита, состоящего из ферромагнитного сердечника 6 с конической торцевой частью, обмотки 7 и фотоэлектронного блока 8, бесконтактной системы 9 измерения периода вращения и источника 10 двухфазного напряжения, питающего статорные обмотки 11 электродвигателя. The drawing shows the device of the viscometer. The viscometer consists of a rigidly fixed cylindrical chamber 1, filled with the analyzed liquid, into which the movable sensing element 3 is immersed in the form of a body of revolution, rigidly connected to the rotor 4 of the asynchronous two-phase electric motor, which is made in the form of a hollow thin-walled cylinder of non-ferromagnetic conductive material and is held together with the receptor element using a magnetic suspension, consisting of a cylindrical armature 5 of ferromagnetic material, rigidly connected to the rotor of the electric vigatelya, an electromagnet consisting of a ferromagnetic core 6 with a tapered end portion, coil 7 and the photomultiplier unit 8, the contactless measuring system 9 and the rotation period of the two-phase voltage source 10 supplying the stator windings 11 of the motor.

Вискозиметр работает следующим образом. Камера 1 заполняется анализируемой жидкостью. С помощью генератора 10 двухфазного напряжения устанавливаются желаемое значение напряжения и частоты питания статора электродвигателя. (Генератор может быть реализован в виде двухфазного генератора прямоугольных симметричных импульсов, амплитуда и частота которых регулируется дискретно и может задаваться с высокой точностью). Электромагнитный подвес использует фотоэлектронную систему автоматического регулирования. При включении питания электромагнита он старается притянуть к себе ферромагнитный якорь 5, жестко соединенный с ротором 4 электродвигателя и воспринимающим элементом 3, но при этом якорь частично перекрывает световой поток от осветителя к фотоприемнику системы автоматического регулирования тока электромагнита. Ток при этом уменьшается и под действием собственной тяжести якорь стремиться опуститься. Благодаря инерции вертикальные колебания якоря и всей подвижной части гасятся и он устанавливается в некотором устойчивом положении, зависящем от веса подвижной части. Благодаря наличию конической части сердечника электромагнита исключаются поперечные смещения якоря, так как при такой форме сердечника поле рассеяния ниже торцевого среза максимально вдоль оси и резко ослабляется при смещении от нее. Под действием вращающего магнитного поля, создаваемого статором электродвигателя в проводящем роторе возникает вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем статора, создаст вращающий момент, который приводит его во вращение. Скорость вращения ротора возрастает до тех пор, пока вращающий момент не сравняется с моментом сопротивления, возникающего из-за внутреннего трения между слоями жидкости при вращении в ней воспринимающего элемента 3, который зависит от скорости вращения. Таким образом, при установившейся скорости вращения длительность периода будет пропорциональна вязкости анализируемой жидкости. Период вращения измеряется с помощью бесконтактной (например, фотоэлектронной) системы 9 измерения периода вращения (система измерения периода вращения не должна создавать дополнительных моментов на вращающейся части вискозиметра). Тарирование и поверка вискозиметра должна производиться по образцовым жидкостям с известной вязкостью. Для точных измерений камера должна помещаться в термостат для поддержания определенной температуры жидкости. Постоянная градуировка в единицах вязкости может быть обеспечена лишь для ньютоновских жидкостей, для которых кривая течения линейна и динамическая вязкость не зависит от скорости вращения (пока сохраняется ламинарность течения). Для неньютоновских жидкостей их реологические свойства наиболее полно определяются кривой течения, снимаемой при возрастании и убывании скорости вращения (т.к. некоторые ив них помимо нелинейности имеют еще и гистерезис). Данный прибор легко позволяет снимать кривые течения путем регулирования напряжения питания асинхронного двигателя (при каждом напряжении питания регистрируется свое установившееся значение периода вращения, соответствующее некоторой фиксированной точке кривой течения). Кроме того, дискретное изменение амплитуды и частоты напряжения питания электродвигателя позволяет изменять диапазон измеряемых вязкостей при исследовании ньютоновских жидкостей. Вторая возможность расширения диапазона измеряемых вязкостей заключается в возможности замены подвижного и неподвижного воспринимающих элементов вискозиметра (т.е. камеры и вращающегося в ней тела). The viscometer operates as follows. The chamber 1 is filled with the analyzed liquid. Using the generator 10 two-phase voltage sets the desired value of the voltage and frequency of the power supply of the stator of the electric motor. (The generator can be implemented as a two-phase generator of rectangular symmetrical pulses, the amplitude and frequency of which is controlled discretely and can be set with high accuracy). The electromagnetic suspension uses a photoelectronic automatic control system. When you turn on the power of the electromagnet, he tries to attract a ferromagnetic armature 5, rigidly connected to the rotor 4 of the electric motor and the receiving element 3, but the armature partially blocks the light flux from the illuminator to the photodetector of the automatic control system of the electromagnet current. The current decreases and under the influence of its own gravity the anchor tends to lower. Due to inertia, the vertical vibrations of the armature and the entire moving part are damped and it is set in a certain stable position, depending on the weight of the moving part. Due to the conical part of the core of the electromagnet, transverse displacements of the armature are excluded, since with such a shape of the core, the scattering field below the end cut is maximally along the axis and sharply weakened when displaced from it. Under the influence of a rotating magnetic field created by the stator of the electric motor in the conductive rotor, eddy currents arise, which, interacting with the stator field, will create a torque that drives it. The rotor rotation speed increases until the torque is equal to the moment of resistance arising due to internal friction between the fluid layers when the receiving element 3 rotates in it, which depends on the rotation speed. Thus, at a steady rotation speed, the duration of the period will be proportional to the viscosity of the analyzed fluid. The rotation period is measured using a non-contact (for example, photoelectronic) system 9 for measuring the rotation period (the system for measuring the rotation period should not create additional moments on the rotating part of the viscometer). Calibration and calibration of the viscometer shall be carried out on reference liquids with known viscosity. For accurate measurements, the camera should be placed in a thermostat to maintain a certain temperature of the liquid. A constant calibration in units of viscosity can be provided only for Newtonian fluids, for which the flow curve is linear and the dynamic viscosity does not depend on the rotation speed (as long as the laminarity of the flow remains). For non-Newtonian fluids, their rheological properties are most fully determined by the flow curve, taken with increasing and decreasing rotation speed (because some of them, in addition to non-linearity, also have hysteresis). This device easily allows you to take flow curves by adjusting the supply voltage of an induction motor (at each supply voltage, its steady-state value of the rotation period is recorded, which corresponds to a certain fixed point in the flow curve). In addition, a discrete change in the amplitude and frequency of the electric motor supply voltage allows you to change the range of measured viscosities in the study of Newtonian fluids. The second possibility of expanding the range of measured viscosities is the possibility of replacing the movable and stationary receiving elements of the viscometer (i.e., the camera and the body rotating in it).

Таким образом, в качестве лабораторного прибора данный вискозиметр получается весьма гибким, универсальным и очень удобным в эксплуатации. По точности же и чувствительности он намного превосходит лучшие ив существующих вискозиметров. Thus, as a laboratory device, this viscometer is very flexible, versatile and very convenient to use. In accuracy and sensitivity, it far exceeds the best willows of existing viscometers.

Помимо лабораторного применения по данной схеме может быть построен и вискозиметр непрерывного действия с погружной камерой для контроля производственных процессов, который будет обладать теми же преимуществами (по сравнению с вышеописанным прототипом). In addition to laboratory applications, a continuous viscometer with an immersion chamber can be built according to this scheme to control production processes, which will have the same advantages (compared to the prototype described above).

Claims

A rotational viscometer containing a rigidly mounted cylindrical chamber filled with an analyzed liquid, into which a sensing element is rigidly connected to the squirrel-cage rotor of the induction motor, and a rotation period measuring system, characterized in that the rotor and the sensing element are secured with an electromagnetic suspension, the core of which has a conical end part, and the rotor is made in the form of a thin-walled cylinder of conductive non-ferromagnetic material.