SU913165A1

SU913165A1 - Vibration viscometer

Info

Publication number: SU913165A1
Application number: SU802956509A
Authority: SU
Inventors: Nataliya N Kuzmenko; Galina V Berezina; Vladimir A Proskuryakov; Yurij M Postolov
Original assignee: Nataliya N Kuzmenko; Galina V Berezina; Vladimir A Proskuryakov; Yurij M Postolov
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1982-03-15

Description

Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерению вязкости жидкости с помощью вибрационных вискозиметров и может быть использовано для измерений как в лабораторных, так и в производствен- ⁵ных условиях.The invention relates to a technique of measurement, in particular to the measurement of the viscosity of the fluid using vibration viscosimeter and may be used for measurements in the laboratory as well as in ⁵ proizvodstven- conditions.

Известен высокочастотный виброрезонансный вискозиметр, который представляет собой кварцевую пластину, на которой расположены электроды, образующие резонатор . Пластина в момент измерений полностью погружается в жидкость. Пластина возбуждается видеоимпульсами. В пластине под действием видеоимпульсов возникают затухающие механические колебания , сопровождающиеся электрическими колебаниями пьеэопотенциэла на электродах резонатора. Затухание _χэтих колебаний зависит,от вязкости среды, в которую погружен вискозиметр. Вязкость определяется по результатам измерения амплитуды зату2 хающих колебаний пьезопотенциала на электродах резонатора р].Known high-frequency vibroresonant viscometer, which is a quartz plate on which the electrodes forming the resonator are located. The plate at the time of measurement is completely immersed in liquid. The plate is excited by video pulses. In the plate under the action of video pulses, damped mechanical vibrations occur, accompanied by electric vibrations of the piezoelectric potential on the resonator electrodes. The damping _{χ of} these oscillations depends on the viscosity of the medium into which the viscometer is immersed. The viscosity is determined by measuring the amplitude of the damped oscillations of the piezoelectric potential on the electrodes of the resonator p].

Недостатком такого вискозиметра является низкая точность измерения, так как требуется измерять амплитуду резко затухающих колебаний. К тому же амплитуда пьезопотенциала зависит не только от вязкости жидкости, но и от напряжения питания, что требует его дополнительной стабилизации, а также необходимость изоляции мест контакта электродов с токопроводящими проводами и самих проводов от действия окружающей среды.The disadvantage of such a viscometer is the low accuracy of the measurement, since it is necessary to measure the amplitude of sharply damped oscillations. In addition, the amplitude of the piezoelectric potential depends not only on the viscosity of the liquid, but also on the supply voltage, which requires additional stabilization, as well as the need to isolate the contact points of the electrodes with the conductive wires and the wires themselves from the environment.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является твердотельный вискозиметр. Основой прибора здесь является пьезоэлектрическая пластина из керамики с нанесенными на ее поверхность тремя электродами, два из которых Формируют резонатор. Вискозиметр работает следующим образом. На входные клеммы подается напряжение. Под влиянием этого напряжения в пластине возникают поперечные механические колебания,которые вызывают кобелания жидкости.окружающей вискозиметр. Колебания жидкости .зависящие от вязкости жидкости вли- 5 яют на параметры пластины.Измерения производятся на резонансной частоте устройства.Полученное значение напряжения сравнивается с калибровочной характеристикой прибора, полученной ю путем исследования жидкостей с известной вязкостью [2],The closest in technical essence to the invention is a solid-state viscometer. The basis of the device here is a piezoelectric ceramic plate with three electrodes deposited on its surface, two of which form a resonator. The viscometer operates as follows. Input terminals are energized. Under the influence of this stress, transverse mechanical vibrations occur in the plate, which cause the whitening of the fluid surrounding the viscometer. Fluctuations of the fluid. Depending on the viscosity of the fluid, they affect the plate parameters. Measurements are made at the resonant frequency of the device. The obtained voltage value is compared with the calibration characteristic of the device obtained by studying liquids with known viscosity [2].

Недостатком данного вискозиметра является обусловленная несколькими причинами невысокая точность измере- ,! ния. Во-первых, в пьезокерамической пластине возбуждаются не только поперечные, но и продольные колебания, что приводит к снижению точности измерений, так как амплитуда продоль- 2( ных колебаний не связана с вязкостью жидкости. Во-вторых, такой вискозиметр чувствителен к изменению входного напряжения, а так как выходное напряжение, которое и измеряется, 2: является функцией от входного, вискозиметр может одинаково реагировать как на изменение вязкости исследуемой среды, так и на изменение входного напряжения, что вносит большую 31 погрешность в измерения. Недостатком также является узкий температурный диапазон, в котором он может работать, что обусловлено материалом пластины. Собственное сопротивление ₃пластины в значительной степени зависит от температуры, а так как контролируемой величиной является выходное напряжение, зависящее от этого сопротивления, то любое изменение темпе- ₄ратуры сказывается на точности измерения вязкости. 8 вискозиметре возникает необходимость снимать электрический сигнал с электродов погруженных в жидкость, что требует дополни- ₄тельной изоляции токоподводящих проводов.The disadvantage of this viscometer is due to several reasons the low accuracy of the measurement,! Niya. Firstly, not only transverse, but also longitudinal vibrations are excited in a piezoceramic plate, which leads to a decrease in the measurement accuracy, since the amplitude of longitudinal vibrations is not related to the viscosity of the liquid. Secondly, such a viscometer is sensitive to changes in the input voltage , and since the output voltage, which is measured, 2: is a function of the input, the viscometer can respond equally to both a change in the viscosity of the medium under study and a change in the input voltage, which introduces a large 31 error in and The disadvantage is the narrow temperature range in which it can operate, due to the material of the plate.The intrinsic resistance of the ₃ plates is largely dependent on the temperature, and since the controlled voltage is the output voltage, which depends on this resistance, any change in temperature ₄ ratios affects the accuracy of measuring viscosity. 8 viscometer there is a need to remove the electrical signal from the electrodes immersed in the liquid, which requires an additional ₄ t okopodopodny wires.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение температурного диапазона вискозимет- ^:ра.The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements and the expansion of the temperature range of the viscometer- ^: pa.

Поставленная цель достигается тем, что в вибрационном вискозиметре, содержащем пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее поверхность тре- 1 мя электродами, причем два из них формируют резонатор, согласно изобретению, на пьезоэлектрическую пластину дополнительно нанесен еще один электрод, причем оба резонатора акустически связаны между собой, а электроды одного из резонаторов связаны между собой токопроводящей перемычкой, нецелесообразно пьезоэлектрическую пластину изготовить из кварца. Введение дополнительного электрода позволяет сформировать на поверхности пьезоэлектрической пластины два резонатора. При этом мы получаем возможность замерять изменения резонансной частоты, которая является функцией только вязкости и не зависит от колебаний питающего напряжения, что повышает точность измерений. Целесообразно оба резонатора настраивать на одинаковые частоты, что усилит их взаимное влияние, а следовательно, повысит чувствительность вискозиметра.This goal is achieved by the fact that in a vibrational viscometer containing a piezoelectric plate with three electrodes deposited on its surface, two of which form a resonator, according to the invention, another electrode is additionally deposited on the piezoelectric plate, and both resonators are acoustically connected , and the electrodes of one of the resonators are connected by a conductive jumper, it is impractical to make a piezoelectric plate of quartz. The introduction of an additional electrode allows two resonators to be formed on the surface of the piezoelectric plate. At the same time, we get the opportunity to measure changes in the resonant frequency, which is a function of viscosity only and does not depend on fluctuations in the supply voltage, which increases the accuracy of measurements. It is advisable to adjust both resonators to the same frequencies, which will enhance their mutual influence, and therefore, increase the sensitivity of the viscometer.

Дополнительное повышение точности достигается и тем, что используют пьезоэлектрическую кварцевую пластину срезов АТ или ВТ, так как в ней возникают только толщинные колебания, вызывающие в прилегающих слоях жидкости только поперечные колебания, амплитуда которых и является Функцией вязкости. При использовании пластин других срезов в прилегающих слоях жидкости возникают продольные колебания, которые вносят погрешность в измерения. Использование в качестве пьезоэлектрической пластины кварца позволяет расширить рабочий температурный диапазон, а также повысить точность измерений, так как кварцевые пластины отличаются малым температурным коэффициентом частоты и сохраняют свои свойства при температуре до 500^0. Кроме того, в процессе измерения вязкости можно учитывать температурные искажения, которые вносят погрешность в измеряемую величину, так как температурно-частотные свойства кварца хорошо изу. чены.An additional increase in accuracy is also achieved by using a piezoelectric quartz plate of AT or BT sections, since only thickness vibrations occur in it, causing only transverse vibrations in the adjacent fluid layers, the amplitude of which is the Viscosity Function. When using plates of other sections in the adjacent fluid layers, longitudinal vibrations occur, which introduce an error in the measurements. The use of quartz as a piezoelectric plate allows you to expand the operating temperature range, as well as improve the accuracy of measurements, since quartz plates are characterized by a low temperature coefficient of frequency and retain their properties at temperatures up to 500 ^ 0. In addition, in the process of measuring viscosity, temperature distortions can be taken into account, which introduce an error into the measured quantity, since the temperature-frequency properties of quartz are well known. chenes.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого вибрационного вискозиметра; на фиг. 2 - то же, с измерительной схемой.In FIG. 1 shows the design of the proposed vibrational viscometer; in FIG. 2 - the same with the measuring circuit.

Основой вискозиметра является пьезоэлектрическая пластина 1. На пластину нанесены металлические электроды 2-5, образующие два акусти5 чески связанных резонатора. Электроды 2 и 3 образуют один из резонаторов, а электроды 4 и 5 ~ другой. Акустическая связь между резонаторами осуществляется по объему части кварцевой пластины, расположенной между резонаторами, и может быть рассчитана по Формуле ^св ^{= Л} е*р » где К_св - коэффициент связи между резонаторами;The basis of the viscometer is the piezoelectric plate 1. Metal electrodes 2-5 are deposited on the plate, forming two acoustically coupled resonators. Electrodes 2 and 3 form one of the resonators, and electrodes 4 and 5 ~ the other. Acoustic coupling between the resonators is performed over the volume portion of the quartz plate disposed between the resonators, and can be calculated by Formula communication ^ ^{= A} * e p "where K _{communication} - coefficient of coupling between the resonators;

^АехР' ^КОЭ(1⁾Ф^иииент, зависящий от свойств пластин, ее частоты и размеров резонатора; ^And exp КО COE ⁽ 1 ⁾ Φ ^and ient, depending on the properties of the plates, its frequency and the size of the resonator;

)¾ - коэффициент, зависящий от свойства пластины и ее частоты;) ¾ is a coefficient depending on the property of the plate and its frequency;

- расстояние между резонаторами .- the distance between the resonators.

Электроды 4 и 5 соединены между собой электропроводящей перемычкой 6. Таким образом, резонатор, образованный этими электродами, работает в режиме короткого замыкания его обкладок. Электроды 2 и 3 соединены с выводами 7 и 8 держателя 9. Выводы 7 и 8 изготовлены из электропроводящего материала, а держатель 9 “ из диэлектрика. Выводы 7 и 8 являются входом и выходом вибрационного вискозиметра. Для удобств работы на поверхность кварцевой пластины, посредине; между электродами 2 и.4 нанесена металлическая риска 10. При измерении ³⁵вискозиметр погружается в сосуд с исследуемой жидкостью, причем уровень жидкости должен совпадать с металлической риской 10 на поверхности пластины 1. В процессе измерений резонатор, образованный электродами 4 и 5, находится в исследуемой жидкости.The electrodes 4 and 5 are interconnected by an electrically conductive jumper 6. Thus, the resonator formed by these electrodes operates in the short circuit mode of its plates. The electrodes 2 and 3 are connected to the terminals 7 and 8 of the holder 9. The terminals 7 and 8 are made of electrically conductive material, and the holder 9 “is made of dielectric. Pins 7 and 8 are the input and output of the vibrating viscometer. For the convenience of working on the surface of a quartz plate, in the middle; a metal risk 10 is applied between the electrodes 2 and 4. When measuring ^{35, the} viscometer is immersed in a vessel with the liquid under investigation, and the liquid level must coincide with the metal risk 10 on the surface of the plate 1. During the measurement, the resonator formed by the electrodes 4 and 5 is in the studied liquids.

Так как электроды 4 и 5 соединены токопроводящей перемычкой 6, то электропроводность жидкости на конструкции вискозиметра и режиме его работы не сказывается.Since the electrodes 4 and 5 are connected by a conductive jumper 6, the electrical conductivity of the liquid does not affect the design of the viscometer and its operating mode.

Второй резонатор, образованный электродами 2 и 3, являющимися входом и выходом вибрационного вискози- 50 метра, расположен вне исследуемой жидкости, и для него электропроводность жидкости так же не имеет значения. Напряжений подводится на электроды, находящиеся над поверхностью 55 исследуемой жидкости, что не требует дополнительной изоляции. Как видно из фиг. 1, вибрационный вискозиметр ? 1316.5 образован кварцевой пластиной с нанесенными на нее металлическими электродами, образующими два акустически связанных резонатора. Каждый ре5 зонатор характеризуется резонансной частотой и сопротивлением потерь. Резонансная частота зависит от конструктивных параметров резонатора и материала пластины. Кроме того, на Ю ее величину оказывает влияние сопротивление потерь резонатора. Сопротивление потерь резонатора зависит от механического сопротивления окружающей среды колебаниям резонатора. Сле15 довательно, при изменении механического сопротивления окружающей среды колебаниям резонатора, будет изменяться его измеряемая резонансная частота.The second resonator, formed by electrodes 2 and 3, which are the input and output of a vibrational viscose meter of 50 meters, is located outside the liquid under investigation, and for it the electrical conductivity of the liquid also does not matter. The voltage is applied to the electrodes located above the surface 55 of the investigated fluid, which does not require additional insulation. As can be seen from FIG. 1, vibration viscometer? 1316.5 is formed by a quartz plate with metal electrodes deposited on it, forming two acoustically coupled resonators. Each resonator is characterized by a resonant frequency and loss resistance. The resonant frequency depends on the design parameters of the resonator and the plate material. In addition, its value is influenced by the resistance of the resonator losses. Resistance of resonator losses depends on the mechanical resistance of the environment to vibrations of the resonator. Consequently, with a change in the mechanical resistance of the environment to vibrations of the resonator, its measured resonant frequency will change.

Степень акустической связи между резонаторами зависит от расстояния между ними и является постоянной для данной конструкции. Два акустически связанных резонатора, имеющих опреде25 ленные резонансные частоты, сопротивление потерь и степень акустической связи между ними характеризуются опре деленными частотами связи. Эти частоты связи могут быть измерены при воз30 буждении одного из резонаторов и закороченном другом резонаторе. Изменение сопротивления потерь закороченного резонатора ведет к изменению его резонансной частоты и, следовательно, к изменению измеряемых на другом резонаторе частот связи.The degree of acoustic coupling between the resonators depends on the distance between them and is constant for this design. Two acoustically coupled resonators having certain resonant frequencies, loss resistance, and the degree of acoustic coupling between them are characterized by certain coupling frequencies. These coupling frequencies can be measured with the excitation of one of the resonators and the other resonator shorted. A change in the loss resistance of a shorted resonator leads to a change in its resonant frequency and, consequently, to a change in the communication frequencies measured on the other resonator.

Вискозиметр работает следующим образом.The viscometer operates as follows.

Пластина вискозиметра 1, погружена в сосуд с исследуемой жидкостью 11 включается в электрическую схему, образованную генератором 12, индикатором 13 и частотометром 14. Генератор 12 генерирует электрическое на⁴⁵ пряжение переменной частоты. Эти напряжения подаются на вход и выход вискозиметра. Момент резонанса, то есть совпадение частоты генератора с резонансной частотой вискозиметра, определяется по показаниям индикатора 13. Значение частоты регистрируется частотометром 14. В процессе измерений один из резонаторов, электроды которого закорочены, постоянно погружен в исследуемую жидкость. При изменении вязкости жидкости изменяется ее механическое сопротивление колебаниям погруженного в жид7 91 кость резонатора. Существует однозначная связь между вязкостью среды и сопротивлением,которое она оказывает механическим колебаниям. Следовательно, однозначно, в зависимости от вязкости жидкости, будет изменяться сопротивление потерь резонатора, погруженного в жидкость, и его резонансная частота. Изменение резонансной частоты резонатора, погруженного в жидкость, в свою очередь, вызывает однозначное изменение частоты, измеряемой на другом резонаторе (за счет акустической связи между резонаторами) .The plate of the viscometer 1, immersed in a vessel with the test fluid 11 is included in the electrical circuit formed by the generator 12, the indicator 13 and the frequency meter 14. The generator 12 generates an electric voltage of ⁴⁵ variable frequency. These voltages are applied to the input and output of the viscometer. The resonance moment, that is, the coincidence of the generator frequency with the resonant frequency of the viscometer, is determined by the readings of indicator 13. The frequency value is recorded by the frequency meter 14. During the measurement, one of the resonators, the electrodes of which are shorted, is constantly immersed in the test liquid. With a change in the viscosity of a fluid, its mechanical resistance to vibrations of the resonator immersed in the fluid changes. There is an unambiguous relationship between the viscosity of the medium and the resistance that it exerts to mechanical vibrations. Therefore, unambiguously, depending on the viscosity of the liquid, the loss resistance of the resonator immersed in the liquid and its resonant frequency will change. A change in the resonant frequency of a resonator immersed in a liquid, in turn, causes an unambiguous change in the frequency measured on another resonator (due to the acoustic coupling between the resonators).

Таким образом, изменение вязкости измеряемой жидкости ведет к изменению измеряемой резонансной частоты. Определив зависимость изменения чатоты от вязкости эталонных жидкостей (с известной вязкостью), можно измерить вязкость любых жидкостей путем сравнения с калибровочной характеристикой.Thus, a change in the viscosity of the measured fluid leads to a change in the measured resonant frequency. Having determined the dependence of the frequency change on the viscosity of the reference liquids (with known viscosity), it is possible to measure the viscosity of any liquids by comparing with the calibration characteristic.

Технико-экономическая эффективность заявляемого вибрационного вискозиметра заключается в высокой точности измерений, широком температурном диапазоне работы, возможности учета температурных искажений, возникающих в самом приборе, в простоте конструкции элементов, отсутствии необходимости подводить напряжение и снимать сигнал с частей вискозиметра, погруженных в жидкость, отсутствии ограничений по измерению электропроводящих жидкостей, устойчи3165 8 вости по отношению к агрессивным средствам (кислота, кроме плавиковой, щелочь). Предлагаемый вискозиметр не нуждается в стабилизации входного напряжения, так как резонансная частота его практически не зависит от амплитуды возбуждающего напряжения. Это также является фактором, положительно влияющим на ,0 точность измерений таким вискозиметром. Для измерений предлагаемым вискозиметром достаточно 4-5 мл исследуемой жидкости.The technical and economic efficiency of the inventive vibration viscometer consists in high measurement accuracy, a wide temperature range of operation, the possibility of taking into account temperature distortions arising in the device itself, the simplicity of the design of the elements, the absence of the need to supply voltage and remove the signal from parts of the viscometer immersed in the liquid, no restrictions according to the measurement of electrically conductive fluids, resistance to aggressive agents (acid, except hydrofluoric, alkali). The proposed viscometer does not need to stabilize the input voltage, since its resonant frequency is practically independent of the amplitude of the exciting voltage. It is also a factor that positively influences the accuracy of measurements with such a viscometer. For measurements with the proposed viscometer, 4-5 ml of the test liquid is sufficient.

,5 Формула изобретения5 Claims

Claims

A vibrational viscometer containing a piezoelectric plate with three electrodes deposited on its surface, two of which are formed by a resonator, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, another electrode is additionally deposited on the plate surface, forming a resonator with a third electrode, both resonators being acoustically are interconnected, and the electrodes of one of the resonators are interconnected by a conductive jumper.