RU2574862C2 - Вибровискозиметрический датчик - Google Patents
Вибровискозиметрический датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574862C2 RU2574862C2 RU2013158404/28A RU2013158404A RU2574862C2 RU 2574862 C2 RU2574862 C2 RU 2574862C2 RU 2013158404/28 A RU2013158404/28 A RU 2013158404/28A RU 2013158404 A RU2013158404 A RU 2013158404A RU 2574862 C2 RU2574862 C2 RU 2574862C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- sensor
- vibration
- vibro
- conductors
- Prior art date
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 claims description 19
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001006 Constantan Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000001717 pathogenic Effects 0.000 claims description 2
- 244000052769 pathogens Species 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 231100000676 disease causative agent Toxicity 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910000529 magnetic ferrite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области определения вибрационным методом сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры. Вибровискозиметрический датчик содержит миниатюрный индуктивный датчик текущего положения миниатюрного зонда, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, включающую зонд, основание с двумя стойками, два упругих разнородных проводника, электромеханический вибратор. При этом разнородные проводники жестко скреплены со стойками и с поверхностью зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры, опорные спаи соединены с внешней стороны с металлическими стойками, электромеханический вибратор в виде телефонного капсюля вынесен за пределы вибродатчика и установлен с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием. При этом погружаемые в жидкость части датчика, по крайней мере упругие проводники и сферический зонд, имеют защитное пленочное покрытие. Техническим результатом является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости путем разработки вибровискозиметрического датчика с необремененной колебательной системой. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области определения вибрационным методом сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры.
Прототипом изобретения является устройство для исследования теплофизических свойств жидкости по патенту РФ № 2263305.
Известный вибровискозиметр, представленный на фиг. 1, состоит из металлического внутреннего корпуса, в котором смонтированы возбудитель колебаний механической колебательной системы и индуктивный датчик текущего пространственного положения колебательной системы. С якорем колебательной системы соединен капилляр, например, из стекла или керамики, который служит проводником механического воздействия от якоря к шарику-зонду, погружаемому в исследуемую жидкость и жестко закрепленному на конце указанного капилляра. Металлические проводники термопары, встроенной в зонд, пропущены через капилляр и выведены за пределы колебательной системы. Упругими элементами колебательной системы являются струны, жестко закрепленные на внутреннем корпусе. Вибровискозиметр имеет систему термостатирования внутреннего корпуса, позволяющую поддерживать постоянную температуру элементов колебательной системы вне зависимости от температуры окружающей среды и температуры исследуемой жидкости. Термостатируемые элементы вибровискозиметра окружены термоизоляцией, которая одновременно обеспечивает виброизоляцию и демпфирование колебаний внутреннего корпуса вибровискозиметра. Окруженный слоем термоизоляции внутренний корпус помещен в наружный корпус (не показан). Наружный корпус закрепляется на устройстве позиционирования, обеспечивающем возможность периодического размещения шарикового зонда внутри кюветы. Электронный блок вибровискозиметра обеспечивает возбуждение колебательной системы на ее резонансной частоте и задает амплитуду вынуждающей силы. При этом имеется возможность устанавливать амплитуду вынуждающей силы, не зависящей от амплитуды колебаний зонда вибровискозиметра.
Описанный датчик за счет малого диаметра сферического зонда, изготовленного из металла с высокой теплопроводностью, обеспечивает высокую пространственную локальность измерения текущей сдвиговой вязкости и температуры жидкости, обладает малой тепловой инерцией.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность вибровискозиметрического датчика к малым текущим изменениям вязкости исследуемой жидкости. В первую очередь это связано с малой площадью поверхности зонда и со значительной колеблющейся массой колебательной системы, включающей в себя помимо зонда малого диаметра такие обременяющие элементы, как якорь устройства возбуждения, якорь датчика положения зонда, шток-капилляр с проводниками термопары. Масса этих дополнительных элементов, обременяющих зонд, во много раз превосходит массу зонда.
Покажем влияние диаметра зонда устройства-прототипа с обремененной колебательной системой на чувствительность датчика к вязкости исследуемой жидкости.
Пусть масса миниатюрного зонда равна m, а масса дополнительного обременения колебательной системы равна М, при этом М>>m. Сферический зонд колеблется в жидкости вязкостью η на резонансной частоте f с амплитудой А. В соответствии с уравнением Стокса сила вязкостного трения FT для шарика диаметром d, движущегося со средней скоростью
в жидкости, будет равна:
здесь ω - угловая частота, равная ω=2πf.
Энергия ET, переданная зондом в жидкость за время Т на вязкое трение с учетом (1), (2), будет равна:
Энергия Екс, запасенная в колебательной системе за период Т, будет равна максимальной кинетической энергии движущейся общей массы (М+m) колебательной системы с максимальной скоростью Vmax. Она определяется выражением:
При гармоническом движении зонда Vmax равна:
Из (4) и (5) следует:
Коэффициент влияния Кп размеров зонда на чувствительность вибровискозиметрического датчика можно задать как отношение энергий ET и Екс:
Выражение (7) показывает, что чувствительность вибровискозиметрического датчика с обремененным сферическим зондом малого диаметра почти прямо пропорциональна диаметру зонда, что определяет главный недостаток прототипа.
Технической задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости путем разработки вибровискозиметрического датчика с необремененной колебательной системой.
Заявляется вибровискозиметрический датчик, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы.
В отличие от прототипа, на основании жестко закреплены две жесткие металлические электрически изолированные от основания стойки и миниатюрный индуктивный датчик пространственного положения зонда, а механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленные на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенные вместе и жестко закрепленные на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры зонда. Возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибровискозиметрического датчика (далее вибродатчика) и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием; при этом с внешней стороны металлические стойки электрически соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры вибродатчика.
Предпочтительными конструктивными решениями являются:
- выполнение возбудителя колебаний в виде телефонного капсюля;
- выполнение зонда из никеля или железа;
- выполнение упругих проводников как элементов колебательной системы и как элементов термопары в сочетании железа и константана;
- наличие защитного пленочного покрытия для погружаемых в исследуемую жидкость частей вибровискозиметрического датчика. По крайней мере, эта рекомендация касается упругих проводников и сферического зонда. На применение пленочного покрытия указано также и в прототипе. Но ввиду применения в вибродатчике иных, чем в прототипе, материалов, ввиду увеличения числа элементов, погружаемых в жидкость, указание на защитное пленочное покрытие обеспечивает сохранность погружаемых элементов вибродатчика и его длительную надежную работу.
На чертежах представлены: на фиг. 1 - устройство колебательной системы прототипа; на фиг. 2 - схема заявляемого вибродатчика.
Жесткое, керамическое или текстолитовое, изоляционное основание 1 вибродатчика выполнено, например, в виде диска. С основанием 1 жестко соединены две жесткие металлические (проводящие) электрически изолированные от основания (с обеспечением электробезопасности) стойки с выступающей вниз частью 2. При проведении исследования жидкости выступающие стойки задают глубину погружения вибродатчика в кювету 3 с жидкостью 4. Упругие проводники 5 и 6 из разнородного материала одновременно являются термопарным измерителем температуры зонда, а также являются составной частью механической колебательной системы вибродатчика, которая также включает зонд 7, основание 1 и стойки 2. Измерительный спай 8 двух проводников 5 и 6 соединен с сферическим зондом 7 диаметром 2-3 мм, а опорные спаи проводников 5 и 6 соединены электрически и механически жестко с соответствующими стойками 2. Электрические выводы 9 и 10 обеих стоек 2 служат для измерения сигнала термопары, соответствующего температуре зонда в локальной области жидкости. Выводы 9, 10 вынесены за пределы датчика и находится во внешнем термостате.
Сферический металлический зонд 7 выполняют из никеля или железа. Сочетание пары гибких проводников из железа и константана целесообразно ввиду того, что эти материалы обеспечивают хорошие механические свойства упругих элементов и высокую термоэлектрическую чувствительность.
Индуктивный датчик 11 пространственного положения зонда в виде миниатюрного незамкнутого ферритового сердечника с обмоткой 12 изолированным проводом жестко закреплен на основании 1 и расположен над зондом 7 с обеспечением измерительного зазора δ, который периодически изменяется при колебаниях зонда в вертикальной плоскости. Изменение величины зазора изменяет индуктивность обмотки 12, что позволяет определять изменение текущего пространственного положения зонда 7 относительно его исходного положения. Сигналы с выводов обмотки 12 индуктивного датчика и выводов 9, 10 термопары измеряются и преобразовываются с помощью устройства регистрации с использованием микроконтроллера (на фигуре не показано как общеизвестное и не влияющее на функционирование собственно датчика). Для повышения чувствительности индуктивного датчика 11 целесообразно зонд 7 выполнять из ферромагнитного металла, например никеля или железа.
Для защиты элементов 5, 6, и 7 от возможного химического воздействия на них исследуемой жидкости предлагается использовать защитное пленочное покрытие этих элементов.
Возбудитель колебаний 13 механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического широкополосного миниатюрного вибратора. Широкополосный вибратор позволяет изменять частоту колебаний и использовать его для обеспечения резонансной частоты колебаний при изменении состава или температуры исследуемой жидкости. Например, вибратор выполняют в виде телефонного капсюля, вынесенного за пределы вибродатчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием 1- на фигуре показана условная акустическая связь 14.
Верхняя часть основания 1 имеет термо- и виброизоляцию 15. Нижняя часть основания вибродатчика в режиме измерения вязкости исследуемой жидкости погружается в кювету 3 с внутренним диаметром, чуть превышающим размер основания 1 на величину зазора свободного погружения вибродатчика. В режиме измерения зонд и проводники 5, 6 полностью погружены в жидкость, что обеспечивается надлежащим размером стоек 2.
Механические колебания заданной частоты и амплитуды передаются от электромеханического вибратора 13 через акустическую связь 14 на основание 1 и вызывают в исследуемой жидкости колебания измерительного зонда 7 с амплитудой А и заданной частотой ω.
Коэффициент влияния Кз предложенного зонда на чувствительность датчика по сравнению с прототипом существенно возрастает. В этом случае масса дополнительного обременения колебательной системы М<<m, и из (7)следует:
Сохраняя значения η, d, ω и m, получим значение относительного выигрыша D по чувствительности заявляемого датчика:
При использовании измерительного зонда диаметром 2-3 миллиметра величина D может составлять несколько десятков, что подтверждает существенное повышение чувствительности заявляемого вибровискозиметрического датчика по сравнению с прототипом.
Предлагаемый вибровискозиметрический датчик, обеспечивая высокую чувствительность к текущим изменениям вязкости жидкости, а также измерение текущей температуры жидкости в локальной зоне измерения вязкости при работе с пробами жидкости малого объема, может успешно использоваться как в переносных компактных вибровискозиметрах, так и, в первую очередь, при инженерной реализации устройства-прототипа по патенту 2263305.
Claims (5)
1. Вибровискозиметрический датчик, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы, отличающийся тем, что на основании жестко закреплены две жесткие металлические электрически изолированные от основания стойки и миниатюрный индуктивный датчик пространственного положения зонда, а механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленные на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенные вместе и жестко закрепленные на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры, а с внешней стороны металлические стойки электрически соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры зонда, при этом возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибродатчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием.
2. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что возбудитель колебаний выполнен в виде телефонного капсюля.
3. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что зонд выполнен из никеля или железа.
4. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что упругие проводники выполнены из железа и константана.
5. Вибровискозиметрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что погружаемые в исследуемую жидкость части датчика, по крайней мере упругие проводники и сферический зонд, имеют защитное пленочное покрытие.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013158404/28A RU2574862C2 (ru) | 2013-12-26 | Вибровискозиметрический датчик |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013158404/28A RU2574862C2 (ru) | 2013-12-26 | Вибровискозиметрический датчик |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013158404A RU2013158404A (ru) | 2015-07-10 |
RU2574862C2 true RU2574862C2 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2662948C1 (ru) * | 2017-09-27 | 2018-07-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Необремененный вибровискозиметрический датчик |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263305C1 (ru) * | 2004-07-19 | 2005-10-27 | Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники Российской академии наук | Динамический способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей |
RU2419781C2 (ru) * | 2008-09-22 | 2011-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН | Вибровискозиметрический датчик |
WO2013080813A1 (ja) * | 2011-11-28 | 2013-06-06 | リオン株式会社 | 振動式物性測定装置及び方法 |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263305C1 (ru) * | 2004-07-19 | 2005-10-27 | Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники Российской академии наук | Динамический способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей |
RU2419781C2 (ru) * | 2008-09-22 | 2011-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН | Вибровискозиметрический датчик |
WO2013080813A1 (ja) * | 2011-11-28 | 2013-06-06 | リオン株式会社 | 振動式物性測定装置及び方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2662948C1 (ru) * | 2017-09-27 | 2018-07-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Необремененный вибровискозиметрический датчик |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3382706A (en) | Oscillatory element for measuring viscosity | |
US9228930B2 (en) | Oscillating type physical property measuring apparatus and method | |
Heinisch et al. | Electromagnetically driven torsional resonators for viscosity and mass density sensing applications | |
CN106225976B (zh) | 一种利用电磁振荡原理测量钢绞线预应力的方法 | |
RU2419781C2 (ru) | Вибровискозиметрический датчик | |
RU2574862C2 (ru) | Вибровискозиметрический датчик | |
US2358374A (en) | Apparatus for determining physical properties of fluids | |
US3177705A (en) | Apparatus for determining viscosity of materials | |
CN101923032A (zh) | 弹簧振子自由振动法快速测定高温熔体粘度的装置及方法 | |
RU2662948C1 (ru) | Необремененный вибровискозиметрический датчик | |
Heinisch et al. | Resonant steel tuning forks for precise inline viscosity and mass density measurements in harsh environments | |
JPS5915837A (ja) | 高温流体の粘度測定装置 | |
CN108802195B (zh) | 测量岩芯试样横波速度的试验装置及方法 | |
Mastromarino et al. | An ultrasonic shear wave viscometer for low viscosity Newtonian liquids | |
Erhart | Measurement of elastic modulus and ultrasonic wave velocity by piezoelectric resonator | |
SU612160A1 (ru) | Вибрационный вискозиметр | |
RU2735315C1 (ru) | Измеритель параметров поверхности жидкости | |
RU2626067C1 (ru) | Способ определения механических свойств материала | |
WO2001061312A1 (en) | Method of determining viscosity | |
RU216574U1 (ru) | Камертонный датчик вязкости | |
Rust et al. | Temperature Controlled Viscosity and Density Measurements on a Microchip with High Resolution and Low Cost | |
RU2373516C2 (ru) | Датчик вязкости | |
CN112986022B (zh) | 弹性模量测试装置、系统和弹性模量的测试方法 | |
Heinisch et al. | A study on tunable resonators for rheological measurements | |
SU384055A1 (ru) | Вискозиметр |