RU2257566C2 - Viscosity detector - Google Patents

Viscosity detector Download PDF

Info

Publication number
RU2257566C2
RU2257566C2 RU2003128631/28A RU2003128631A RU2257566C2 RU 2257566 C2 RU2257566 C2 RU 2257566C2 RU 2003128631/28 A RU2003128631/28 A RU 2003128631/28A RU 2003128631 A RU2003128631 A RU 2003128631A RU 2257566 C2 RU2257566 C2 RU 2257566C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tuning fork
axial rod
legs
counterweights
counterweight
Prior art date
Application number
RU2003128631/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003128631A (en
Inventor
А.В. Богословский (RU)
А.В. Богословский
А.Н. Алексеев (RU)
А.Н. Алексеев
М.А. Полуэктов (RU)
М.А. Полуэктов
Л.К. Алтунина (RU)
Л.К. Алтунина
Original Assignee
Институт химии нефти СО РАН (ИХН СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт химии нефти СО РАН (ИХН СО РАН) filed Critical Институт химии нефти СО РАН (ИХН СО РАН)
Priority to RU2003128631/28A priority Critical patent/RU2257566C2/en
Publication of RU2003128631A publication Critical patent/RU2003128631A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2257566C2 publication Critical patent/RU2257566C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: inspection of technological fluids.
SUBSTANCE: detector has tuning fork. Axial rod of tuning fork passes through base of the tuning fork. Piezoelectric converters and counterweights are mounted at each foot of tuning fork at parting line. Tuning fork is disposed vertically and is suspended at string stretchers by axial rod. Counterweights are shifted relatively parting lines at opposite directions in such a way that at reciprocal oscillations of feet of tuning fork the periodic torque generates relatively vertical axis and sample body disposed at the end of axial rod makes torsional vibrations.
EFFECT: improved precision of measurement.
3 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно к устройству погружных датчиков камертонного типа, предназначенных для использования в исследовательских лабораториях, в медицине, для контроля технологических жидкостей.The invention relates to a technique for measuring viscosity, and more particularly to a device for submersible tuning-fork type sensors intended for use in research laboratories, in medicine, for monitoring process liquids.

Известны камертонные вискозиметры, например вискозиметр А.А.Степичева, содержащий две ножки и корпус, одна из сторон которого выполнена в виде пластины, в которую вварены ножки-стержни. Основания ножек, расположенные внутри корпуса, снабжены жесткими Т-образными кронштейнами с пьезоэлементами, зажатыми между кронштейнами [А.А.Степичев, а.с. 329445, опубликован 09.11.1972 г., Бюлл. №7]. В этой конструкции узловая точка камертона расположена в плоскости, несущей стержни пластины, а пьезоэлементы, которые зажаты между кронштейнами внутри корпуса (за пластиной), создают дополнительную сильную механическую связь между ножками, смещенную относительно узловой точки, что ограничивает наибольшую возможную добротность конструкции и, соответственно, максимальную возможную чувствительность.Known tuning fork viscometers, for example A. A. Stepichev viscometer, containing two legs and a housing, one of the sides of which is made in the form of a plate into which the legs-rods are welded. The base of the legs located inside the housing is equipped with rigid T-shaped brackets with piezoelectric elements sandwiched between the brackets [A.A. Stepichev, A.S. 329445, published November 11, 1972, Bull. No. 7]. In this design, the nodal point of the tuning fork is located in the plane carrying the rods of the plate, and the piezoelectric elements that are sandwiched between the brackets inside the housing (behind the plate) create an additional strong mechanical connection between the legs, offset from the nodal point, which limits the highest possible quality factor of the structure and, accordingly , maximum sensitivity possible.

Недостатком также является относительно сложная форма близко расположенных обтекаемых поверхностей, что может привести к забиванию двухкомпонентного зонда коагулюмом (в случае коагулирующих жидкостей).The disadvantage is the relatively complex shape of closely spaced streamlined surfaces, which can lead to clogging of the two-component probe with coagulum (in the case of coagulating liquids).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является камертонный датчик со смежным зондом. [А.В.Богословский, М.А.Полуэктов// Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988. - с.34-38]. Датчик представляет собой камертон "классической" формы, закрепленный за узловую точку между ножками в опоре. На ножки наклеены два пьезоэлемента и установлены два одинаковых зонда - измерительный, на одной ножке, и противовес, на другой. Измерительный зонд направлен к исследуемой жидкости вниз. Противовес направлен в противоположную сторону. При измерениях жидкость нагружает только одну из ножек. Возможность повышения чувствительности такого устройства путем увеличения размеров пробного тела ограничена, так как при этом возрастает присоединенная масса жидкости и, соответственно, асимметрия нагрузки ножек, изменяется положение узловой точки (где амплитуда колебаний равна нулю и находится крепление камертона к опоре), увеличивается отток энергии по элементам крепления. При больших нагрузках (жидкости с большим значением вязкости, гели, студни) разбаланс симметрии нагрузки становится заметным и ограничивает динамический диапазон измерений.Closest to the proposed invention in technical essence is a tuning fork sensor with an adjacent probe. [A.V. Bogoslovsky, M.A. Poluektov // Physical and chemical properties of disperse systems and their application. - Tomsk, 1988. - p. 34-38]. The sensor is a tuning fork of a "classical" shape, fixed to a nodal point between the legs in the support. Two piezoelectric elements are glued to the legs and two identical probes are installed - a measuring one on one leg, and a counterweight on the other. The measuring probe points down to the test fluid. The counterweight is directed in the opposite direction. During measurements, the fluid loads only one of the legs. The possibility of increasing the sensitivity of such a device by increasing the size of the test body is limited, since the attached mass of the liquid increases and, accordingly, the asymmetry of the load of the legs, the position of the nodal point changes (where the vibration amplitude is zero and the tuning fork is attached to the support), the outflow of energy increases fasteners. At high loads (liquids with a high viscosity, gels, jellies), the imbalance in load symmetry becomes noticeable and limits the dynamic range of measurements.

Недостатком является также поступательный характер движения пробного тела, это приводит к появлению лобового сопротивления и создаваемая деформация исследуемой части не имеет чисто сдвигового характера, что может оказывать влияние на результаты измерений вязкоупругих объектов.The disadvantage is the progressive nature of the motion of the test body, this leads to the appearance of frontal resistance and the created deformation of the investigated part does not have a purely shear character, which can affect the measurement results of viscoelastic objects.

Задача изобретения - устранение асимметрии механической нагрузки и исключение "лобовой" составляющей механического сопротивления.The objective of the invention is to eliminate the asymmetry of the mechanical load and the exclusion of the "frontal" component of mechanical resistance.

Технический результат достигается тем, что датчик вязкости содержит вертикальный камертон, на каждой ножке которого расположен пьезоэлектрический преобразователь. К концам ножек присоединены или изготовлены заодно с ними два одинаковых противовеса таким образом, что их центры тяжести смещены в разные стороны относительно оси камертона и средней линии каждой ножки, а зонд - пробное тело в виде тела вращения закреплен на конце вертикальной оси. Ось - осевой стержень проходит насквозь через основание камертона, который подвешен на струнных растяжных за две точки на нем.The technical result is achieved by the fact that the viscosity sensor contains a vertical tuning fork, on each leg of which a piezoelectric transducer is located. Two identical counterweights are attached to or attached to the ends of the legs in such a way that their centers of gravity are displaced in opposite directions relative to the axis of the tuning fork and the midline of each leg, and the probe — a test body in the form of a body of revolution — is fixed at the end of the vertical axis. Axis - an axial rod passes through the base of the tuning fork, which is suspended on a string tensile for two points on it.

На фиг.1 изображен традиционный датчик. Пьезоэлектрические преобразователи 4, противовес 8 и пробное тело 1 с помощью крепежных винтов 6 и клея установлены на каждой из ножек камертона по средней линии последних. Пробное тело и противовес находятся на одной вертикальной оси, вдоль которой происходит возвратно-поступательное колебание пробного тела. Осевой стержень 2 соединен с основанием камертона и используется для его крепления в опоре (не показаны).Figure 1 shows a traditional sensor. Piezoelectric transducers 4, a counterweight 8 and a test body 1 with the help of fixing screws 6 and glue are installed on each of the legs of the tuning fork in the midline of the latter. The test body and the counterweight are on the same vertical axis, along which the reciprocating oscillation of the test body occurs. The axial rod 2 is connected to the base of the tuning fork and is used to mount it in a support (not shown).

На фиг.2 изображен предлагаемый датчик. Пьезоэлектрические преобразователи 4 и противовесы 8 с помощью крепежных винтов 6, уголков 5 и клея установлены на каждой из ножек камертона 3. Пьезопреобразователи установлены на средних линиях последних. Противовесы находятся по разные стороны соответствующих средних линий, они смещены в противоположные стороны с помощью уголков 5. Осевой стержень 2 соединен с основанием камертона и проходит сквозь него. На стержне, по разные стороны от основания, находятся точки подвеса 7, за которые он удерживается противоположными растяжками 9 внутри цилиндрической обечайки 10.Figure 2 shows the proposed sensor. Piezoelectric transducers 4 and counterweights 8 with mounting screws 6, angles 5 and glue are installed on each of the legs of the tuning fork 3. Piezoelectric transducers are installed on the middle lines of the latter. The counterweights are located on opposite sides of the respective midlines, they are offset in opposite directions by the angles 5. The axial rod 2 is connected to the base of the tuning fork and passes through it. On the rod, on different sides of the base, there are suspension points 7, for which it is held by opposite extensions 9 inside the cylindrical shell 10.

Так как противовесы вынесены из плоскости, в которой происходит возвратно-поступательное движение центров тяжести ножек камертона, при их колебаниях создается периодический вращающий момент. Пробное тело в виде тела вращения находится на конце осевого стержня и совершает крутильные колебания.Since the balances are taken out of the plane in which the reciprocating motion of the centers of gravity of the tuning fork legs occurs, a periodic torque is created during their oscillations. A test body in the form of a body of revolution is located at the end of the axial rod and performs torsional vibrations.

Для проведения измерений датчик может быть включен в цепь обратной связи автогенератора, обеспечивающего работу на частоте механического резонанса. При этом на один из пьезоэлементов подается возбуждающее напряжение UF, с другого снижают напряжение Uξ, пропорциональное амплитуде колебаний. При погружении колеблющегося зонда в жидкость трение между ними и жидкостью вызовет дополнительное, по сравнению с потерями при движении на воздухе, рассеяние энергии. Для достижения той же амплитуды крутильных колебаний понадобится большее UF.For measurements, the sensor can be included in the feedback circuit of the oscillator, providing operation at a frequency of mechanical resonance. In this case, an exciting voltage U F is applied to one of the piezoelectric elements, and the voltage Uξ, which is proportional to the oscillation amplitude, is reduced from the other. When an oscillating probe is immersed in a liquid, the friction between them and the liquid will cause additional energy dissipation compared to losses when moving in air. To achieve the same torsional vibration amplitude, a larger U F is needed.

Для ньютоновских жидкостей трение между колеблющимся по гармоническому закону телом и окружающей средой описывается формулойFor Newtonian fluids, the friction between a body oscillating in harmonic law and the environment is described by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где Zж - механическое сопротивление жидкости;where Z W - mechanical resistance of the liquid;

F - сила, вызывающая движение;F is the force causing the movement;

ξ - амплитуда колебаний;ξ is the amplitude of the oscillations;

ξ′ - амплитуда скорости колебаний;ξ ′ is the amplitude of the oscillation velocity;

ρ - плотность жидкости;ρ is the fluid density;

η - вязкость жидкости;η is the viscosity of the liquid;

А, В, С, К - коэффициенты пропорциональности.A, B, C, K - proportionality coefficients.

Реально, кроме сопротивления жидкости присутствует также

Figure 00000003
- сопротивление, обусловленное внутренним трением измерительной установки, и общее наблюдаемое сопротивлениеIn reality, in addition to fluid resistance, there is also
Figure 00000003
- resistance due to internal friction of the measuring unit and the total observed resistance

Figure 00000004
Figure 00000004

где UF0 - возбуждающее напряжение при колебаниях пробного тела на воздухе;where U F0 is the exciting voltage during oscillations of the test body in air;

Uξ - напряжение, пропорциональное амплитуде при колебаниях пробного тела на воздухе.Uξ is the voltage proportional to the amplitude during oscillations of the test body in air.

При стабилизированном UξWith stabilized Uξ

Figure 00000005
Figure 00000005

Измерения проводят следующим образом. Находят UF0 при колебании зонда на воздухе. Находят UFK при колебаниях зонда в калибровочной жидкости с известными значениями

Figure 00000006
Определяют коэффициент по формулеThe measurements are carried out as follows. Find U F0 when the probe oscillates in air. Find U FK when the probe oscillates in a calibration fluid with known values
Figure 00000006
The coefficient is determined by the formula

Figure 00000007
Figure 00000007

Далее, при неизменном Uξ определяют U при колебании зонда в исследуемой жидкости. Находят искомое значение

Figure 00000008
по формулеFurther, at constant U is determined Uξ Fzh of oscillation of the probe in the sample liquid. Find the desired value
Figure 00000008
according to the formula

Figure 00000009
Figure 00000009

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Камертон 3 из латуни с частотой резонанса

Figure 00000010
укреплен в обечайке 10. Концы его ножек имеют противовесы из латуни на уголках, привинченные винтами М6. Масса противовеса с уголком и винтами крепления 30 г. Ширина ножек камертона 20 мм. Диаметр оси 5 мм.Brass tuning fork 3 with resonance frequency
Figure 00000010
mounted in a shell 10. The ends of its legs have brass counterweights at the corners screwed with M6 screws. The mass of the counterweight with a corner and screws 30 g. The width of the legs of a tuning fork 20 mm The diameter of the axis is 5 mm.

При испытаниях датчика пьезоэлементы включались в цепь обратной связи автогенератора. Величина Uξ поддерживалась постоянной, равной 1B. UF измеряли с помощью цифрового вольтметра. Погружаемое в жидкость пробное тело представляло собой пустотелый цилиндр с заостренными концами диаметром 2 см, длиной 4 см.When testing the sensor, the piezoelectric elements were included in the feedback circuit of the oscillator. The value of Uξ was maintained constant at 1B. U F was measured using a digital voltmeter. The test body immersed in the liquid was a hollow cylinder with pointed ends with a diameter of 2 cm and a length of 4 cm.

На фиг.3 приведена зависимость между ΔUF=UF-UF0 и

Figure 00000011
, которая получена с помощью предлагаемого датчика.Figure 3 shows the relationship between ΔU F = U F -U F0 and
Figure 00000011
, which is obtained using the proposed sensor.

Измеряли ΔUF в воздухе (точка 0), в октане (1), декане (2), диэтилфталате (3) и в циклогексане (4).ΔU F was measured in air (point 0), in octane (1), decane (2), diethyl phthalate (3), and cyclohexane (4).

Определенная по графику чувствительность датчика составляетThe graphically determined sensor sensitivity is

Figure 00000012
Figure 00000012

Claims (1)

Датчик вязкости, содержащий камертон, осевой стержень которого проходит насквозь через его основание, на каждой ножке камертона на средней линии установлены пьезоэлектрические преобразователи и противовес, отличающийся тем, что дополнительно установлен противовес, камертон расположен вертикально и подвешен на струнных растяжках за осевой стержень, противовесы смещены относительно средних линий в разные стороны таким образом, что при возвратно-поступательных колебаниях ножек создается периодический крутящий момент относительно вертикальной оси так, что пробное тело, расположенное на конце осевого стержня, совершает крутильные колебания.A viscosity sensor containing a tuning fork, the axial rod of which passes right through its base, piezoelectric transducers and a counterweight are installed on each fork of the tuning fork on the midline, characterized in that the counterweight is additionally installed, the tuning fork is located vertically and suspended by string braces from the axial rod, the balances are offset relative to the midlines in different directions in such a way that during the reciprocating oscillations of the legs creates a periodic torque relative to the vertical of the vertical axis so that the test body located at the end of the axial rod performs torsional vibrations.
RU2003128631/28A 2003-09-24 2003-09-24 Viscosity detector RU2257566C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128631/28A RU2257566C2 (en) 2003-09-24 2003-09-24 Viscosity detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128631/28A RU2257566C2 (en) 2003-09-24 2003-09-24 Viscosity detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003128631A RU2003128631A (en) 2005-03-27
RU2257566C2 true RU2257566C2 (en) 2005-07-27

Family

ID=35560114

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003128631/28A RU2257566C2 (en) 2003-09-24 2003-09-24 Viscosity detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2257566C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU169441U1 (en) * 2016-11-22 2017-03-17 Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") VIBRATION DEVICE FOR DETERMINING ENVIRONMENTAL PARAMETERS
RU216574U1 (en) * 2023-01-19 2023-02-14 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук Viscosity tuning fork sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БОГОСЛОВСКИЙ А.В., ПОЛУЭКТОВ М.А. Физико-химические свойства дисперсных систем и их применение. - Томск, 1988, с.34-38. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU169441U1 (en) * 2016-11-22 2017-03-17 Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") VIBRATION DEVICE FOR DETERMINING ENVIRONMENTAL PARAMETERS
RU216574U1 (en) * 2023-01-19 2023-02-14 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук Viscosity tuning fork sensor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003128631A (en) 2005-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Brouwer et al. High temperature dynamic viscosity sensor for engine oil applications
CN105115858B (en) Viscometer based on electromechanical impedance method and detection method thereof
RU2419781C2 (en) Vibro viscosimetric transducer
RU2257566C2 (en) Viscosity detector
JP6089148B2 (en) Orthogonal super position rheometer
RU2411500C1 (en) Method of measurement of parametres of viscoelastic fluid mediums and device for its realisation
RU2094772C1 (en) Viscosity sensor
JP2016518613A5 (en)
Clara et al. A balanced flow-through viscosity sensor based on a torsionally resonating pipe
JP2004012149A (en) Liquid physical property measuring apparatus
RU216574U1 (en) Viscosity tuning fork sensor
RU2628737C1 (en) Installation for determination of dynamic characteristics of low-code polymer materials
Reichel et al. Fluid property sensors
Heinisch et al. Miniaturized resonating viscometers facilitating measurements at tunable frequencies in the low kHz-range
RU2373516C2 (en) Viscosity measuring element
RU2094771C1 (en) Vibration pickup
Reichel et al. Resonant measurement of liquid properties in a fluidic sensor cell
JPS62153761A (en) Method for measuring blood clotting time
Ghosh et al. Surface modes of a sessile water drop: An optical tweezer based study
RU2727263C1 (en) Vibration viscometer for thixotropic liquids
RU2715895C1 (en) Device for determining elastic-viscous and viscous medium
RU214880U1 (en) DEVICE FOR DEFINITION OF IMPREGNATED NON-CONDUCTING FIBERS OF MICROPLASTIC POLYMER MATERIALS
RU2715222C1 (en) Method of determining elastic-dissipative characteristics of wood
RU2327135C1 (en) Method of material damping properties investigation
SU1245950A1 (en) Method of analyzing particle systems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050925