RU2723159C1 - Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer - Google Patents
Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723159C1 RU2723159C1 RU2019117107A RU2019117107A RU2723159C1 RU 2723159 C1 RU2723159 C1 RU 2723159C1 RU 2019117107 A RU2019117107 A RU 2019117107A RU 2019117107 A RU2019117107 A RU 2019117107A RU 2723159 C1 RU2723159 C1 RU 2723159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- vibro
- viscometer
- input
- output
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью вибровискозиметров. Может успешно использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных жидкостей: нефтепродуктов, растительных масел и др.The invention relates to the field of studying the properties of liquids using vibro-viscometers. It can be successfully used to study the dynamic processes of thermostimulated structural adjustment of multicomponent liquids: oil products, vegetable oils, etc.
Известен способ внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра [патент РФ №2607048 МПК G01N 25/00], при котором зонд вибровискозиметра, снабженный датчиком геометрического положения зонда, с заданной вынуждающей силой приводят в режим механических колебаний посредством устройства возбуждения, вырабатывающего гармонический сигнал постоянной заданной амплитуды и заданной частоты. При этом выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации. Далее, сохраняя амплитуду, непрерывно изменяют частоту гармонических колебаний возбудителя до достижения собственной частоты механической колебательной системы, которую определяют по достижению заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига ϕз между колебаниями возбудителя и колебаниями выходного усиленного и частотно отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕз(ω)=ϕф(ω)+π/2, где ϕф(ω) - значение на частоте ω фазового сдвига частотно фильтрующих цепей сигнала датчика положения зонда вибровискозиметра.A known method of external resonant excitation of a mechanical oscillatory system of a vibro viscometer [RF patent No. 2607048 IPC G01N 25/00], in which the probe of a viscometer equipped with a sensor of the geometric position of the probe, with a given driving force is brought into mechanical vibrations by means of an excitation device that generates a harmonic signal of a constant predetermined amplitude and given frequency. The output signal of the probe position sensor is converted by amplification and frequency filtering. Further, preserving the amplitude, the frequency of harmonic oscillations of the pathogen is continuously changed until the natural frequency of the mechanical oscillatory system is reached, which is determined by reaching the phase shift frequency ϕ s specified at each frequency in the operating frequency range between the pathogen oscillations and the oscillations of the output amplified and frequency-filtered signal of the position sensor, determined according to the equation ϕ s (ω) = ϕ f (ω) + π / 2, where ϕ f (ω) is the value at the frequency ω of the phase shift of the frequency-filtering circuits of the signal of the probe position sensor of the vibro-viscometer.
Данный способ возбуждения обеспечивает высокую точность определения текущего значения собственной частоты механической колебательной системы, необходимой для измерения вязкостных параметров жидкости, и достаточно просто автоматизируем современными средствами.This method of excitation provides high accuracy in determining the current value of the natural frequency of a mechanical oscillatory system, which is necessary for measuring the viscosity parameters of a liquid, and is quite simply automated by modern means.
Известно устройство [там же] внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее возбудитель колебаний механической колебательной системы вибровискозиметра, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера. При этом выход датчика положения зонда соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно фильтрующей цепи, выход которой соединен с микроконтроллером, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу возбудителя колебаний зонда. Кроме того, в постоянной памяти программируемого микроконтроллера записаны управляющая программа для возбудителя колебательной системы и частотно фазовая характеристика частотно фильтрующей цепи. Указанные способ и устройство являются наиболее близкими изобретению.A device [ibid] is known for external resonant excitation of a mechanical oscillatory system of a vibro viscometer, including an exciter of oscillations of a mechanical oscillatory system of a vibro viscometer, a probe position sensor and a device for recording and controlling a vibro viscometer based on a microcontroller. The output of the probe position sensor is connected to the input of the electronic amplifier, the output of which is connected to the input of the frequency filter circuit, the output of which is connected to the microcontroller, the output of the microcontroller is connected to the control input of the probe oscillator. In addition, the control program for the pathogen of the oscillatory system and the frequency-phase characteristic of the frequency filtering circuit are recorded in the permanent memory of the programmable microcontroller. The specified method and device are the closest to the invention.
Недостатком известного способа является невозможность раздельного определения текущих значений колеблющейся массы и жесткости (упругости) колебательной системы при размещении измерительного зонда в жидкости с изменяющейся температурой. Их определение в ряде случаев весьма желательно, так как при опускании измерительного зонда вибровискозиметра в жидкость изменяется не только колеблющаяся масса за счет присоединенной массы жидкости, но в ряде случаев и действующая жесткость (упругость) колебательной системы за счет внутренней структурной упругости жидкости при переходе ее в гелеподобное состояние. Не учет изменения жесткости колебательной системы при нахождении зонда в жидкости приводит к погрешностям определения как присоединенной массы, так и вязкости жидкости. Кроме того определение текущего значения внутренней структурной упругости жидкости представляет самостоятельный научный и практический интерес для специалистов в области коллоидной химии и нефтехимии.The disadvantage of this method is the inability to separately determine the current values of the oscillating mass and rigidity (elasticity) of the oscillatory system when placing the measuring probe in a liquid with a changing temperature. Their determination in some cases is very desirable, since when the measuring probe of the vibro-viscometer is lowered into the liquid, not only the oscillating mass changes due to the added mass of the liquid, but in some cases the effective stiffness (elasticity) of the vibrational system due to the internal structural elasticity of the liquid when it passes into gel-like state. Failure to take into account changes in the rigidity of the oscillatory system when the probe is in the liquid leads to errors in determining both the attached mass and the viscosity of the liquid. In addition, the determination of the current value of the internal structural elasticity of a liquid is of independent scientific and practical interest for specialists in the field of colloid chemistry and petrochemistry.
Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить точность определения измеряемых вибровискозиметром параметров исследуемой жидкости путем дополнительного определения с учетом упругих свойств жидкости, динамических параметров механической колебательной системы вибровискозиметра.The technical task of the invention is to improve the accuracy of determining the measured fluid parameters by a vibro-viscometer by further determining, taking into account the elastic properties of the fluid, the dynamic parameters of the mechanical oscillatory system of the vibro-viscometer.
Для решения поставленной задачи предлагается:To solve this problem, it is proposed:
Аддитивный способ внешнего возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, при котором механическую колебательную систему вибровискозиметра, снабженного датчиком положения зонда, с заданной вынуждающей силой приводят в режим механических колебаний посредством устройства возбуждения, выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации, непрерывно изменяют частоту колебаний устройства возбуждения до достижения собственной частоты ω0, которую определяют по достижении заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига φз между колебаниями устройства возбуждения и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения по формуле φз(ω)=φф(ω)+π/2, где φф(ω) - фазовый сдвиг частотно фильтрующих цепей сигнала датчика, отличающийся тем, что текущую собственную частоту ω0 механической колебательной системы вибровискозиметра сохраняют в памяти микроконтроллера, в процессе регистрации собственной частоты ω0 периодически изменяют действующую жесткость колебательной системы на известную величину Δkm, определяемую в процессе начальной калибровки вибровискозиметра, путем добавления к возбуждающему сигналу устройства возбуждения известной доли выходного сигнала датчика положения зонда, преобразованного усилителем, и определения при этом нового значения собственной частоты колебательной системы ω0m, а по полученным значениям частот ω0 и ω0m расчетным путем определяют текущие действующие значения колеблющейся массы mL и коэффициента жесткости kL колебательной системы по формулам:An additive method of external excitation of a mechanical oscillatory system of a vibro-viscometer, in which the mechanical oscillatory system of a vibro-viscometer equipped with a probe position sensor is brought into mechanical vibrations with a given driving force by means of an excitation device, the output signal of the probe position sensor is converted by amplification and frequency filtering, the oscillation frequency is continuously changed the excitation device until the natural frequency ω 0 is reached, which is determined by reaching the phase shift φ З specified at each frequency in the operating frequency range between the oscillations of the excitation device and the oscillations of the output amplified and frequency-filtered signal of the position sensor according to the formula φ з (ω) = φ ф (ω) + π / 2, where φ f (ω) is the phase shift of the frequency filtering circuits of the sensor signal, characterized in that the current natural frequency ω 0 of the mechanical oscillatory system of the vibro-viscometer is stored in the memory of the microcontroller, during eigenfrequencies ω 0 periodically change the operating stiffness of the oscillatory system by a known value Δk m , determined during the initial calibration of the vibro-viscometer by adding to the excitation signal of the excitation device a known fraction of the output signal of the probe position sensor converted by the amplifier, and determining a new value of the eigenfrequency of the oscillatory system ω 0m , and from the obtained values of the frequencies ω 0 and ω 0m , the current effective values of the oscillating mass m L and the stiffness coefficient k L of the oscillatory system are calculated using the formulas:
и and
где ω0 - собственная частота колебаний непогруженного зонда; ωL - собственная частота колебаний зонда в жидкости, ωLm - собственная частота колебаний зонда в жидкости при добавочном изменении возбуждающей силы; Δkm - изменение коэффициента жесткости под действием изменения возбуждающей силы.where ω 0 is the natural frequency of the oscillations of the unloaded probe; ω L is the natural frequency of the oscillations of the probe in the liquid, ω Lm is the natural frequency of the oscillations of the probe in the liquid with an additional change in the exciting force; Δk m - change in stiffness coefficient under the influence of changes in the exciting force.
Согласно заявляемому способу, в процессе исследования жидкости к возбуждающему гармоническому сигналу с устройства возбуждения на короткий измерительный интервал времени периодически добавляется доля напряжения с выхода датчика положения. Доля добавляемого напряжения, измерительный интервал в режиме добавочного напряжения и периодичность смены режимов могут быть заданы и оператором в процессе измерения, или программными средствами. Доля добавляемого напряжения определяется чувствительностью зонда к измененному напряжению устройства возбуждения. Измерительный интервал должен быть достаточным для проведения измерений и определения параметров исследуемой жидкости.According to the claimed method, in the process of studying the liquid, a fraction of the voltage from the output of the position sensor is periodically added to the exciting harmonic signal from the excitation device for a short measuring time interval. The proportion of added voltage, the measuring interval in the mode of additional voltage and the frequency of the change of modes can be set by the operator during the measurement, or by software. The proportion of added voltage is determined by the sensitivity of the probe to the changed voltage of the excitation device. The measuring interval should be sufficient to carry out measurements and determine the parameters of the test fluid.
Заявляется устройство, реализующее аддитивный способ возбуждения колебательной системы вибровискозиметра.A device is disclosed that implements an additive method of exciting an oscillatory system of a vibro-viscometer.
Устройство внешнего возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее устройство возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра, устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера, в постоянной памяти которого записаны управляющая программа для устройства возбуждения и частотно-фазовая характеристика φ(ω) частотно-фильтрующей цепи, датчик положения зонда, выход которого соединен с входом электронного усилителя, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи, отличающееся тем, чтоAn external excitation device for a mechanical oscillatory system of a vibro-viscometer, including a device for exciting oscillations of a mechanical oscillatory system of a vibro-viscometer probe, a device for recording and controlling a vibro-viscometer based on a microcontroller, in the permanent memory of which a control program for the excitation device and frequency-phase characteristic φ (ω) are recorded filter circuit, a probe position sensor, the output of which is connected to the input of an electronic amplifier, the output of which is connected to the input of the frequency filter circuit, characterized in that
устройство дополнительно содержит двухвходовый сумматор с коммутатором по второму входу, а первый вход сумматора соединен с выходом устройства возбуждения, выход электронного усилителя также соединен со вторым входом сумматора через коммутатор, управляющий вход которого соединен с одним из управляющих выходов устройства регистрации и управления вибровискозиметра.the device additionally contains a two-input adder with a switch at the second input, and the first input of the adder is connected to the output of the excitation device, the output of the electronic amplifier is also connected to the second input of the adder through a switch, the control input of which is connected to one of the control outputs of the recording and control device of the vibro-viscometer.
На фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая заявляемые способ и устройство.In FIG. 1 is a structural diagram explaining the claimed method and device.
Устройство включает в себя последовательно подключенные электрический управляемый возбудитель колебаний 1 механической колебательной системы вибровискозиметра, механическую колебательную систему вибровискозиметра (зонд) 2, датчик положения 3 измерительного зонда вибровискозиметра, линейный электронный усилитель 4 сигнала датчика положения, 5 - частотно фильтрующую цепь, содержащую линейные фильтры частот в диапазоне нижних и верхних рабочих частот механической колебательной системы (зонда). Частотно фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи должна быть заранее известна или экспериментально измерена. 6 - программируемый микроконтроллер, в постоянной памяти которого записаны управляющая программа для коммутатора, возбудителя колебаний и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи. Также устройство включает управляемый двухвходовый сумматор 7 с коммутатором 8, при этом выход возбудителя колебаний 1 подключен к первому входу сумматора 7, выход электронного усилителя 4 соединен со вторым входом сумматора через коммутатор 8, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера 6 в качестве устройства регистрации и управления вибровискозиметра.The device includes a series-connected electric controlled vibration exciter 1 of the mechanical oscillatory system of the viscometer, a mechanical oscillatory system of the viscometer (probe) 2, a
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.The claimed invention is as follows.
На первом этапе -At the first stage -
Микроконтроллер 6 размыкает коммутатор 8 на втором входе сумматора 7 и под действием выходных сигналов микроконтроллера возбудитель 1 механических колебаний зонда 2 формирует периодическую вынуждающую силу Fv(t) постоянной амплитуды с текущей частотой ω и начальной фазой ϕ0. Под действием этой силы на выходе датчика положения зонда 3 формируется гармонический сигнал, сдвинутый по фазе на величину ϕд(ω) относительно фазы ϕ0. Этот сигнал пропорционально усиливается усилителем 4, фильтруется по частоте посредством фильтрующей цепи 5 и подается на вход микроконтроллера 6 с результирующей фазой ϕрез(ω). Микроконтроллер 6, в памяти которого записана частотно фазовая характеристика ϕф(ω) частотно фильтрующей цепи, определяет разницу фаз ϕрез(ω) и ϕ0 в соответствии с заложенной в нем управляющей программой. Если эта разница равна ϕз(ω)=ϕф(ω)+π/2, то частота выходного сигнала микроконтроллера 6, подаваемого на вход возбудителя колебаний 1, соответствует собственной частоте ω0 колебательной системы и ω0 сохраняется в памяти микроконтроллера 6.The
Если разница меньше, чем ϕз(ω), то микроконтроллер 6 пошагово увеличивает частоту своих выходных сигналов одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Если разница фаз ϕрез(ω) и ϕ0 больше, чем ϕз(ω), то микроконтроллер 6 пошагово уменьшает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. То есть, на первом этапе постоянно обеспечивается работа вискозиметра на собственной частоте ω0 механической колебательной системы вибровискозиметра.If the difference is less than ϕ s (ω), then the
На втором этапе -In the second stage -
Через заданный интервал времени микроконтроллер 6 замыкает коммутатор 8 на втором входе сумматора 7 и к возбуждающему сигналу добавляется выходной сигнал усилителя 4, пропорциональный сигналу датчика положения зонда 3, затем аналогично первому этапу определяется новое значение собственной частоты ω0m колебательной системы в данном режиме, ω0m сохраняется в памяти микроконтроллера; затем микроконтроллер 6 снова размыкает коммутатор 8, то есть переходит к первому этапу. Интервал может быть задан или программой или оператором, повторное последовательное проведение первого и второго этапов требуется при непрерывном изменении параметров жидкости, например при изменении ее температуры, периодичность определяется скоростью измерения параметров жидкости. По значениям собственных частот ω0 и ω0m расчетным путем (который достаточно подробно описан ниже) определяют текущие действующие значения колеблющейся массы 0 зонда и коэффициента жесткости k0 колебательной системы и коэффициента затухания (или механическое сопротивление жидкости). Эти расчетные величины необходимы для точного определения с помощью вибровискозиметра характеристики жидкости.After a specified time interval, the
Ниже рассмотрены математические и физические принципы, лежащие в основе заявляемого способа, которые также приведены в описании патента РФ №2663305 для случая использования в качестве зонда вискозиметра шарика, погруженного в жидкость и достаточно удаленного от стенок кюветы.The mathematical and physical principles underlying the proposed method are described below, which are also given in the description of the patent of the Russian Federation No. 2663305 for the case of using a ball immersed in a liquid and sufficiently distant from the walls of the cell as a viscometer probe.
Чувствительный элемент вибровискозиметра представляет собой миниатюрный зонд, погружаемый в исследуемую жидкость. Зонд жестко связан с колебательной системой, представляющей собой механическое колебательное звено второго порядка. В ненагруженном состоянии параметры колебаний данного звена полностью определяются тремя собственными физическими параметрами: колеблющейся массой m0, коэффициентом демпфирования h0 и коэффициентом жесткости k0. Механические колебания в данной системе создаются по команде микроконтроллера электромеханическим устройством возбуждения 1, преобразующим электрическое напряжение Uv(t) в возбуждающую силу Fv(t):The sensitive element of the vibro-viscometer is a miniature probe immersed in the test fluid. The probe is rigidly connected to the oscillatory system, which is a second-order mechanical oscillatory link. In an unloaded state, the oscillation parameters of a given link are completely determined by three intrinsic physical parameters: the oscillating mass m 0 , damping coefficient h 0 and stiffness coefficient k 0 . Mechanical vibrations in this system are created at the command of the microcontroller by an
где t - время, α - коэффициент преобразования, (Н⋅В-1).where t is time, α is the conversion coefficient, (Н⋅В -1 ).
Отклик механической колебательной системы вибровискозиметра 2 на возбуждающую силу оценивают с помощью датчика положения 3 по величине напряжения UD(t) на его выходе, пропорциональному геометрическому отклонению x(t) колеблющейся массы m0 от равновесного положения:The response of the mechanical oscillatory system of the vibro-
где β - коэффициент преобразования, (В⋅м-1).where β is the conversion coefficient, (V⋅m -1 ).
В общем случае значения параметров ненагруженной колебательной системы являются функциями текущей температуры T: m0(T), h0(T) и k0(T). Данные функциональные зависимости параметров колебательной системы от температуры могут быть теоретически или экспериментально получены на стадии ее проектирования и изготовления.In the general case, the values of the parameters of the unloaded oscillatory system are functions of the current temperature T: m 0 (T), h 0 (T) and k 0 (T). These functional dependences of the parameters of the oscillatory system on temperature can be theoretically or experimentally obtained at the stage of its design and manufacture.
Отклик x(t) колебательной системы на возбуждающую силу Fv(t) находят путем решения следующего линейного дифференциального уравнения (см. патент РФ 2663305):The response x (t) of the oscillatory system to the exciting force F v (t) is found by solving the following linear differential equation (see RF patent 2663305):
При Fv(t)=F0sin(ωt) отклик x(t) имеет вид:For F v (t) = F 0 sin (ωt), the response x (t) has the form:
x(t)=xmax(ω)sin(ωt+ϕv(ω)).x (t) = x max (ω) sin (ωt + ϕ v (ω)).
где F0 - амплитуда возбуждающей силы, ω - круговая частота гармонической возбуждающей силы, ϕv(ω) - фазовый сдвиг между возбуждающей силой и откликом.where F 0 is the amplitude of the exciting force, ω is the circular frequency of the harmonic exciting force, ϕ v (ω) is the phase shift between the exciting force and the response.
Для колебательного звена второго порядка, чем и является механическая колебательная система вибровискозиметра, справедливы следующие соотношения (см. патент РФ 2663305), при этом фазовый сдвиг между возбуждающей силой и откликом на собственной частоте колебательной системы всегда равен π/2:For the second-order vibrational link, which is the mechanical vibrational system of the vibro-viscometer, the following relations are valid (see RF patent 2663305), while the phase shift between the exciting force and the response at the natural frequency of the vibrational system is always π / 2:
Здесь ω0 - собственная частота ненагруженной колебательной системы, Q0 - ее добротность.Here, ω 0 is the natural frequency of the unloaded oscillatory system, Q 0 is its quality factor.
При полном или частичном погружении колеблющейся массы вибровискозиметра в жидкость параметры колебательной системы изменяются и приобретают новые значения:With full or partial immersion of the vibrating mass of the vibro-viscometer in the liquid, the parameters of the oscillatory system change and acquire new values:
где mL, hL, kL - соответственно масса, коэффициент демпфирования и коэффициент жесткости колебательной системы, взаимодействующей с исследуемой жидкостью. Изменение массы и коэффициента жесткости колебательной систем приводит и к изменению собственной частоты, которая приобретает значение ωL.where m L , h L , k L are the mass, damping coefficient, and stiffness coefficient of the vibrational system interacting with the test fluid, respectively. A change in the mass and stiffness coefficient of the oscillatory systems also leads to a change in the natural frequency, which takes on the value ω L.
Величины Δm, Δh, Δk - это изменения параметров колебательной системы, вызванные исследуемой жидкостью. Δm - это так называемая присоединенная масса, т.е. масса окружающей зонд жидкости, участвующая в колебаниях. Трение о жидкость вызывает изменение коэффициента демпфирования Δh. Величина Δk - это изменение коэффициента жесткости (его естественно назвать присоединенной жесткостью), связанное с упругими свойствами жидкости, контактирующей с зондом. Величины Δm и Δh широко используются для определения свойств исследуемой жидкости, а их точное и оперативное определение является основной задачей вибровискозиметрии. В тоже время, влияние жидкости на коэффициент жесткости колебательной системы при расчетах обычно не учитывается, в частности, отсутствует определение Δm и Δh в прототипе.The values Δm, Δh, Δk are changes in the parameters of the oscillatory system caused by the fluid under study. Δm is the so-called attached mass, i.e. mass of fluid surrounding the probe involved in the oscillations. Friction against a liquid causes a change in the damping coefficient Δh. The value Δk is a change in the stiffness coefficient (it is natural to call it the attached stiffness), associated with the elastic properties of the liquid in contact with the probe. The values Δm and Δh are widely used to determine the properties of the studied fluid, and their accurate and operational determination is the main task of vibro-viscometry. At the same time, the influence of the liquid on the stiffness coefficient of the oscillatory system is usually not taken into account in the calculations, in particular, there is no definition of Δm and Δh in the prototype.
Поясним недостаточность ранее используемых методик. Так, величину присоединенной массы Δm, которая используется в известных методиках для определения объемной плотности жидкости ρL и сдвиговой (динамической) вязкости ηL, определяют из уравнения (4) по значению собственной частоты ωL колебательной системы при погружении измерительного зонда в исследуемую жидкость:Let us explain the insufficiency of previously used techniques. So, the value of the attached mass Δm, which is used in known methods to determine the bulk density of the liquid ρ L and the shear (dynamic) viscosity η L , is determined from equation (4) by the value of the natural frequency ω L of the oscillatory system when the measuring probe is immersed in the test fluid:
Считая по методике прототипа, что изменение частоты связано только с изменением массы, с учетом (6) для присоединенной массы получают Δm=mL-m0. То есть, ранее не учитывалось, что коэффициент жесткости k0 колебательной системы, взаимодействующей с жидкостью, может измениться.Considering by the methodology of the prototype that the change in frequency is associated only with a change in mass, taking into account (6) for the attached mass, Δm = m L -m 0 is obtained. That is, it was not previously taken into account that the stiffness coefficient k 0 of the vibrational system interacting with the liquid can change.
Используя вычисленное значение массы mL колебательной системы, из выражения (5) определяют коэффициент демпфирования в жидкости:Using the calculated value of the mass m L of the oscillatory system, from the expression (5) determine the damping coefficient in the liquid:
где QL - добротность колебательной системы взаимодействующей с жидкостью. Для определения коэффициента демпфирования, вызванного влиянием жидкости, с учетом (6) получают Δh=hL-h0.where Q L is the quality factor of the oscillatory system interacting with the liquid. To determine the damping coefficient caused by the influence of the liquid, taking into account (6), Δh = h L -h 0 is obtained.
Из приведенных примеров очевидно, что игнорирование упругих свойств жидкости, окружающей зонд, может привести к существенным погрешностям при анализе экспериментальных данных. Эта проблема связана с тем, что для низкочастотных вибровискозиметров отсутствуют общепринятые методы и средства экспериментального определения коэффициента жесткости колебательной системы, взаимодействующей с жидкостью.From the above examples, it is obvious that ignoring the elastic properties of the fluid surrounding the probe can lead to significant errors in the analysis of experimental data. This problem is connected with the fact that for low-frequency vibro viscometers there are no generally accepted methods and means for experimental determination of the stiffness coefficient of an oscillating system interacting with a liquid.
В заявляемом аддитивном способе возбуждения колебательной системы вибровискозиметра предложено изменять возбуждающую силу так, чтобы такое изменение было эквивалентно изменению коэффициента жесткости колебательного звена.In the inventive additive method of exciting an oscillatory system of a vibro-viscometer, it is proposed to change the exciting force so that such a change is equivalent to a change in the stiffness coefficient of the oscillatory link.
Согласно заявляемому способу, в процессе исследования жидкости к возбуждающему гармоническому сигналу Uv(t) на короткий измерительный интервал времени, достаточный для проведения измерений, периодически добавляется напряжение с выхода датчика положения, преобразованное усилителем 4, которое пропорционально смещению x(t) колеблющейся массы m от равновесного положения:According to the claimed method, in the process of studying the liquid, a voltage from the output of the position sensor converted by
где γ - безразмерный весовой коэффициент, показывающий, какая доля напряжения с выхода датчика положения добавляется в сигнал возбуждения.where γ is a dimensionless weight coefficient showing how much of the voltage from the output of the position sensor is added to the excitation signal.
В соответствии с выражением (1) возбуждающая сила также изменится:In accordance with expression (1), the exciting force will also change:
Подставляя полученное значение возбуждающей силы в уравнение (3) получаем:Substituting the obtained value of the exciting force in equation (3) we obtain:
Анализ выражения показывает, что предложенное изменение возбуждающей силы эквивалентно изменению коэффициента жесткости колебательного звена от значения k0 до значения km=(k0-α⋅γ⋅β)=k0-Δkm. Изменение коэффициента жесткости Δkm приведет, в соответствии с (4), к изменению собственной частоты колебательного звена от значения ω0 до значения ω0m в режиме изменения возбуждающей силы путем добавления напряжения с выхода датчика положения (выше описан второй этап измерения).An analysis of the expression shows that the proposed change in the exciting force is equivalent to a change in the stiffness coefficient of the vibrational link from the value k 0 to the value k m = (k 0 -α⋅γ⋅β) = k 0 -Δk m . A change in the stiffness coefficient Δk m will lead, in accordance with (4), to a change in the natural frequency of the vibrational link from the value ω 0 to the value ω 0m in the mode of changing the exciting force by adding voltage from the output of the position sensor (the second measurement step is described above).
Значение Δkm может быть определено расчетом по результатам измерения: k0(Т) - при калибровке ненагруженной колебательной системы вибровискозиметра (это достаточно сделать однократно) по известной паспортной зависимости, а также по измеренным значениям собственных частот ω0 и ω0m:The value Δk m can be determined by calculation based on the measurement results: k 0 (Т) - when calibrating an unloaded oscillatory system of a vibro-viscometer (this is enough to be done once) according to the known passport dependence, as well as from the measured values of the natural frequencies ω 0 and ω 0m :
Отметим, что значение Δkm определяется значением весового коэффициента γ в уравнении (9) в процессе начальной калибровки вибровискозиметра. При последующей эксплуатации вибровискозиметра параметр Δkm остается постоянным вне зависимости от температуры и свойств исследуемой жидкости, а также амплитуды возбуждающего напряжения.Note that the value Δk m is determined by the value of the weight coefficient γ in equation (9) during the initial calibration of the vibro-viscometer. During the subsequent operation of the vibro-viscometer, the parameter Δk m remains constant regardless of the temperature and properties of the investigated fluid, as well as the amplitude of the exciting voltage.
Появившаяся возможность управлять коэффициентом жесткости колебательной системы позволяет в процессе испытания жидкости определить, какая часть в изменении текущего значения собственной частоты вызвана изменением присоединенной массы, а какая связана с влиянием жидкости на коэффициент жесткости системы. Для этого необходимо повторить операции, аналогичные проводимым при начальной калибровке ненагруженной колебательной системы. Измерения собственной частоты ωL до изменения возбуждающей силы и частоты ωLm после изменения возбуждающей силы проводятся для колебательной системы, взаимодействующей с исследуемой жидкостью. Выражение для величины изменения коэффициента жесткости данной колебательной системы будет аналогично (12):The opportunity to control the stiffness coefficient of the oscillatory system allows us to determine in the process of testing the liquid which part in the change in the current value of the natural frequency is caused by a change in the attached mass, and which is related to the influence of the liquid on the system stiffness coefficient. For this, it is necessary to repeat operations similar to those performed during the initial calibration of an unloaded oscillatory system. Measurements of the natural frequency ω L before the change in the excitation force and the frequency ω Lm after the change in the excitation force are carried out for the oscillatory system interacting with the investigated fluid. The expression for the magnitude of the change in the stiffness coefficient of this oscillatory system will be similar to (12):
Учитывая, что изменение коэффициента жесткости Δkm под действием изменения возбуждающей силы не зависит от текущего значения коэффициента жесткости, можно приравнять правые части выражений (12) и (13) и получить выражение для коэффициента жесткости колебательной системы под действием жидкости:Given that the change in the stiffness coefficient Δk m under the influence of changes in the exciting force does not depend on the current value of the stiffness coefficient, we can equate the right-hand sides of expressions (12) and (13) and obtain the expression for the stiffness coefficient of the oscillatory system under the action of a liquid:
Вычисленное из (14) значение коэффициента жесткости kL(T) позволяет, используя (7), определить величину колеблющейся массы:The stiffness coefficient k L (T) calculated from (14) allows, using (7), to determine the value of the oscillating mass:
Полученное значение колеблющейся массы mL позволяет, используя (8), вычислить изменение коэффициента затухания, вызванное жидкостью:The obtained value of the oscillating mass m L allows, using (8), to calculate the change in the attenuation coefficient caused by the liquid:
Таким образом, заявляемый аддитивный способ позволяет раздельно экспериментально и при необходимости непрерывно определять текущие действующие значения колеблющейся массы и коэффициента жесткости колебательной системы вибровискозиметра с учетом влияния исследуемой жидкости, что позволяет повысить точность определения измеряемых вибровискозиметром параметров исследуемой жидкости таких как Δm и Δh, а также расширить перечень определяемых параметров.Thus, the inventive additive method allows to separately experimentally and if necessary continuously determine the current effective values of the oscillating mass and stiffness coefficient of the oscillatory system of the vibro-viscometer, taking into account the influence of the test fluid, which improves the accuracy of determination of the test fluid parameters such as Δm and Δh, measured by the vibro-viscometer, and also expand list of defined parameters.
Заявляемые способ и устройство могут быть реализованы и автоматизированы известными средствами.The inventive method and device can be implemented and automated by known means.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019117107A RU2723159C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019117107A RU2723159C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723159C1 true RU2723159C1 (en) | 2020-06-09 |
Family
ID=71067437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019117107A RU2723159C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723159C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2331280A1 (en) * | 1973-06-20 | 1975-01-16 | Linseis Messgeraete Gmbh | Thermal conductivity measuring instrument - operates at above five hundred degrees centigrade |
RU2263305C1 (en) * | 2004-07-19 | 2005-10-27 | Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники Российской академии наук | Dynamic method and device for inspecting thermal-physical properties of fluids |
RU2300739C2 (en) * | 2005-08-09 | 2007-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method for compensating additive temperature error of indicator with vibrating element |
RU2607048C1 (en) * | 2015-07-03 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Микроэлектронный контроль" | Method and device of the external resonant excitation of mechanical oscillating system of viscosimeter |
-
2019
- 2019-06-03 RU RU2019117107A patent/RU2723159C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2331280A1 (en) * | 1973-06-20 | 1975-01-16 | Linseis Messgeraete Gmbh | Thermal conductivity measuring instrument - operates at above five hundred degrees centigrade |
RU2263305C1 (en) * | 2004-07-19 | 2005-10-27 | Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники Российской академии наук | Dynamic method and device for inspecting thermal-physical properties of fluids |
RU2300739C2 (en) * | 2005-08-09 | 2007-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method for compensating additive temperature error of indicator with vibrating element |
RU2607048C1 (en) * | 2015-07-03 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Микроэлектронный контроль" | Method and device of the external resonant excitation of mechanical oscillating system of viscosimeter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6711942B2 (en) | Apparatus for determining and/or monitoring the viscosity of a medium in a container | |
Toledo et al. | Application of quartz tuning forks and extensional microresonators for viscosity and density measurements in oil/fuel mixtures | |
US10295507B2 (en) | Method and device for multiple-frequency tracking of oscillating systems | |
CN113640377B (en) | Blood viscoelasticity measuring method based on vibration sensor | |
WO2013111608A1 (en) | Viscoelasticity measurement method and viscoelasticity measurement device | |
US10928240B2 (en) | Vibronic sensor with interference compensation | |
RU2723159C1 (en) | Additive method and device for external excitation of mechanical oscillatory system of vibro-viscometer | |
RU2607048C1 (en) | Method and device of the external resonant excitation of mechanical oscillating system of viscosimeter | |
Schwarz | Simple system using one‐crystal composite oscillator for internal friction and modulus measurements | |
Thomsen | Effective properties of mechanical systems under high-frequency excitation at multiple frequencies | |
SU682796A1 (en) | Apparatus for the determination of shear viscosity and elasticity of media | |
RU2628737C1 (en) | Installation for determination of dynamic characteristics of low-code polymer materials | |
RU2373516C2 (en) | Viscosity measuring element | |
JP7352329B2 (en) | Viscoelasticity measurement method and viscoelasticity measurement device | |
SU1017971A1 (en) | Vibrational method of liquid investigation | |
SU310179A1 (en) | METHOD OF RESEARCH OF L1ATERIALS | |
RU2045024C1 (en) | Hardness tester | |
RU2806622C1 (en) | Method and device for calculating quality factor q of vibration measuring device | |
US20220146367A1 (en) | Resonant frequency vibrational test | |
JPS60122327A (en) | Investigating method of load-dependent oscillation of rotary machine | |
SU351089A1 (en) | METHOD OF DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF ABSORPTION OF THE VIBRATION SYSTEM | |
Fabo et al. | Design of Instrument for Measuring Internal Damping of Metal Materials by Determining the Quality of the Piezoelectric Transducer | |
JPH0365858B2 (en) | ||
SU345408A1 (en) | METHOD FOR DETERMINING A DYNAMIC ELASTIC MODULE AND LOSS COEFFICIENT | |
RU2163361C1 (en) | Method determining time constants of mechanical and electromechanical oscillatory systems with presence of two integrating amplifiers in measurement circuit |