RZECZPOSPOLITAPOLSKA(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITAPOLSKA(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl.5: G01N 11/16 (54) Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BU P 14/90 (73) Uprawniony z patentu: Polska Akademia Nauk, Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: W UP 11/92 (72)Twórcy wynalazku: Maciej Kozarski, Warszawa, PL Edward Krauze, Warszawa, PL Krzysztof Rubin, Warszawa, PL PL B1 1. Układ do pomiaru współczynnika lep- (57) kości dynamicznej cieczy, zawierający wzmacniacze elektryczne oraz rezystory i kondensatory hydrauliczne, znamienny tym, że zawiera kondensator hydrauliczny (4), którego komora hydrauliczna (3) połączona jest z kanałem pomiarowym rezystora hydraulicznego (2), a swobodny koniec elementu sprężystego (5) kondensatora hydraulicznego (4) połączony jest z przetwornikiem (6) ugięcia elementu sprężystego na sygnał elektryczny, a wyjście tego przetwornika (6) połączone jest za pośrednictwem kolejno elektrycznego układu różniczkującego (7) i elektrycznego układu całkującego (8) z wejściem elektrycznego kom paratora (9) z obszarem histerezy, połączonego z wejściem przetwornika elektromechanicznego (10) korzystnie elektromagnetycznego, sprzężonego mechanicznie z elementem sprężystym (5) kondensatora hydraulicznego (4). FIG. 1

2 Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy Zastrzeżenia patentowe 1. Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy, zawierający wzmacniacze elektryczne oraz rezystory i kondensatory hydrauliczne, znamienny tym, że zawiera kondensator hydrauliczny (4), którego kom ora hydrauliczna (3) połączona jest z kanałem pomiarowym rezystora hydraulicznego (2), a swobodny koniec elementu sprężystego (5) kondensatora hydraulicznego (4) połączony jest z przetwornikiem (6 ) ugięcia elementu sprężystego na sygnał elektryczny, a wyjście tego przetwornika (6 ) połączone jest za pośrednictwem kolejno elektrycznego układu różniczkującego (7) i elektrycznego układu całkującego (8 ) z wejściem elektrycznego komparatora (9) z obszarem histerezy, połączonego z wejściem przetwornika elektromechanicznego (10) korzystnie elektromagnetycznego, sprzężonego mechanicznie z elementem sprężystym (5) kondensatora hydraulicznego (4). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy kondensatorem hydraulicznym (4) i rezystorem hydraulicznym (2 ) znajduje się separator hydrauliczny (18) zbudowany w postaci sztywnej komory podzielonej na dwa obszary za pomocą membrany separującej (19), przy czym jeden obszar separatora hydraulicznego (18) połączony jest z kom orą hydrauliczną (3) kondensatora hydraulicznego (4), a drugi obszar separatora hydraulicznego (18) połączony jest z kanałem pomiarowym rezystora hydraulicznego (2 ). * * * Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy. D o najbardziej znanych przyrządów służących do pomiarów lepkości można zaliczyć wiskozymetry, w których stosuje się zasadę pomiaru momentu obrotowego wywołanego w układzie dwu brył obrotowych, z których jedna jest napędzana ze stałą prędkością kątową, a druga pozostaje nieruchoma. Przeniesienie momentu obrotowego na bryłę nieruchomą odbywa się za pomocą cieczy o mierzonej lepkości wypełniającej szczelinę pomiędzy dwiema bryłami (zwykle płaskie dyski, kule, stożki itd). W artość tak mierzonego momentu obrotowego jest proporcjonalna do współczynnika lepkości dynamicznej cieczy. Przy wszystkich niezaprzeczalnych zaletach tego typu wiskozymetrów mają one jedną wspólną cechę utrudniającą zastosowanie ich w niektórych przypadkach - jest nią stosunkowo duża próbka cieczy niezbędnej dla dokonania pomiaru. Konsekwencją tego faktu jest także duża stała czasowa układu termostatyzującego, niezbędnego w każdym wiskozymetrze. Ma to podstawowe znaczenie w pomiarach np. cieczy fizjologicznych. Inną, bardzo często stosowaną zasadą pomiaru lepkości jest pomiar spadku ciśnienia i natężenia przepływu badanej cieczy przetłaczanej przez kapilarę pomiarową. Z prawa Hegena- Poiseuille'a wynika, że iloraz spadku ciśnienia i natężenia przepływu w kapilarze pomiarowej jest proporcjonalny do współczynnika lepkości dynamicznej przepływającej cieczy. Jeśli jedna z dwu wielkości ciśnienia lub natężenia przepływu będzie ustabilizowana na określonym poziomie, druga może być bezpośrednią miarą lepkości cieczy. Podstawowa niedogodność tego typu metod pomiarowych polega na konieczności pomiaru i stabilizacji aż dwu wielkości fizycznych, których szczególnie natężenie przepływu jest wielkością bardzo kłopotliwą metrologicznie (zwłaszcza w interesującym tutaj zakresie natężeń przepływu). Z polskiego opisu patentowego nr znany jest układ do pom iaru param etrów fizycznych, zwłaszcza lepkości dynamicznej płynu, który stanowi układ elektropłynowego generatora drgań wyposażonego w elektryczny wzmacniacz sygnału ze sprzężeniem zwrotnym poprzez elektropłynowy filtr selektywny, zawierający płynowe rezystory i kondensatory. Wyjście elektrycznego wzmacniacza sygnału połączone jest z wejściem elektropłynowgo filtru selektywnego za pośrednictwem przetwornika wyjściowego sygnału elektrycznego wzmacniacza na siłę mechaniczną

3 oddziaływującą na element sprężysty kondensatora płynowego filtru oraz za pośrednictwem przetwornika wyjściowego sygnału płynowego filtru na sygnał elektryczny podawany na wejście wzmacniacza elektrycznego. Układ wytwarza drgania, których okres proporcjonalny jest do współczynnika lepkości dynamicznej płynu. Rozwiązanie powyższe, a zwłaszcza hydrauliczna część układu jest stosunkowo skomplikowana. Wysoka dokładność pomiarowa uzyskiwana w tym układzie nie zawsze jest wymagana. Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynam icznej cieczy według wynalazku składa się z kondensatora hydraulicznego, którego komora hydrauliczna połączona jest z kanałem pom iarowym rezystora hydraulicznego, a swobodny koniec elementu sprężystego kondensatora hydraulicznego połączony jest z przetwornikiem ugięcia elementu sprężystego na sygnał elektryczny. Wyjście tego przetwornika dołączone jest do wejścia elektrycznego układu różniczkującego, którego wyjście połączone jest z wejściem elektrycznego układu całkującego. Sygnał wyjściowy tego układu podawany jest na wejście elektrycznego komparatora z obszarem histerezy, połączonego z wejściem przetwornika elektromechanicznego, korzystnie elektromagnetycznego, sprzężonego mechanicznie z elementem sprężystym kondensatora hydraulicznego. Pomiędzy kondensatorem hydraulicznym i rezystorem hydraulicznym ewentualnie znajduje się separator hydrauliczny zbudowany w postaci sztywnej komory podzielonej na dwa obszary za pom ocą wiotkiej membrany separującej, przy czym jeden obszar separatora hydraulicznego połączony jest z komorą hydrauliczną kondensatora hydraulicznego, a drugi obszar tego separatora połączony jest z kanałem pomiarowym rezystora hydraulicznego. Układ według wynalazku - zwany dalej mikrowiskozymetrem oscylacyjnym - odznacza się dwiema znaczącymi cechami: możliwie małą wymaganą próbką pomiarową cieczy badanej oraz łatwym i dokładnym przetwarzaniem mierzonego współczynnika lepkości dynamicznej cieczy na sygnał elektryczny. Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy mikrowiskozymetru, a fig. 2 - ten sam schemat z przykładowym rozwiązaniem niektórych jego bloków. Podstawową część układu pomiarowego według wynalazku tworzą dwa bierne hydrauliczne elementy: kondensator hydrauliczny 4, zbudowany w postaci komory zamkniętej elementem sprężystym oraz połączony z nią rezystor hydrauliczny 2, - zbudowany w postaci kapilary zamkniętej w płaszczu wodnym 1, podłączonym do ultratermostatu 12. Ugięcie x elementu sprężystego 4 kondensatora hydraulicznego podlega pomiarowi w układzie przetwornika 6 - na którego wyjściu pojawia się sygnał elektryczny u1proporcjonalny do ugięcia x elementu sprężystego 4. Korzystne jest, by przetwornik ugięcia miał duży zakres liniowości. Takim typem przetwornika jest np. przetwornik typu indukcyjnościowego: transformatorowy - trójsegmentowy lub różnicowy - dwusegmentowy. Elektryczny sygnał wyjściowy u1 przetwornika ugięcia 6 jest podawany na wejście elektrycznego układu różniczkującego 7, a z kolei sygnał wyjściowy u2 układu różniczkującego jest podawany na wejście elektrycznego układu całkującego 8. W rezultacie wyjściowy sygnał u3 układu całkującego zawiera jedynie część zmienną sygnału wyjściowego przetwornika ugięcia 6. Sygnał wyjściowy u3 układu całkującego jest podawany na wejście kom paratora 9 o symetrycznych progach przełączania ± uk i symetrycznym napięciu wyjściowym ± uo. Napięcie wyjściowe uo komparatora jest zamieniane w przetworniku elektromechanicznym 10 na siłę P ( P ~ u o) oddziaływującą na element sprężysty kondensatora hydraulicznego powodując jego ugięcie. Działanie układu jest następujące: W momencie początkowym rozważań można przyjąć, że kom parator został przyłączony ze stanu sygnału wyjściowego + uo na -u o. Wywoła to zmianę znaku siły oddziaływującej na element sprężysty kondensatora z + Po na - Po. Nastąpi przetłaczanie cieczy z komory kondensatora poprzez rezystor pomiarowy 2 ze stałą czasową T przy czym T = RmC ~ Rm μ= 8π μl/ar2

4 C = A2/k Rm - rezystancja hydrauliczna rezystora pomiarowego 2, μ- współczynnik lepkości dynamicznej cieczy, 1 - długość kapilary rezystora 2, Ar - pole powierzchni przekroju otworu kapilary, C -pojemność kondensatora hydraulicznego 4 o powierzchni efektywnej A, k - współczynnik sztywności elementu sprężystego kondensatora. Ugięcie elementu sprężystego będzie się zmieniać wykładniczo według wzoru: X = Xo/1-e-t/RmC I -e w którym xo - maksymalne osiągalne statyczne ugięcie, ± Xo=±Po/k i osiągnie wartość wyznaczoną przez próg przełączania kom paratora uk. Po przełączeniu kom paratora nastąpi powtórzenie cyklu drgań. Stań ustalony drgań następuje po dwu przełączeniach komparatora. Ponieważ okres drgań w stanie ustalonym drgań jest proporcjonalny do współczynnika lepkości dynamicznej cieczy, wystarczy jednopunktowe wzorcowanie przyrządu, tzn. pomiar okresu To drgań dla cieczy wzorcowej o znanym współczynniku lepkości μo. Dla dowolnej innej cieczy będzie: k T μ=μo T/To Pokazany na fig. 2 układ mikrowiskozymetru posiada kom parator 9 zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny 22 z dodatnim sprzężeniem zwrotnym (R 1, R2) i z symetrycznym mostkowym ogranicznikiem diodowym (R3, 23). Przetwornik elektromechaniczny składa się z liniowego konwertera napięcia - prąd 13 i siłownika elektromagnetycznego. Prąd I z konwertera 13 jest podawany do uzwojenia cewki 17 znajdującej się w polu elektromagnesu (14, 15, 16) i sztywno związanej z elementem sprężystym 5. Siła oddziaływująca na cewkę jest proporcjonalna do płynącego przez nią prądu i dla małych ugięć elementu sprężystego nie zależy od przesunięcia cewki. W układzie z fig. 2 komora hydrauliczna kondensatora jest oddzielona od kanału pomiarowego rezystora za pomocą separatora 18. Jest on zbudowany w postaci sztywnej komory podzielonej elastyczną membraną 19 o sztywności pomijalnej w stosunku do sztywności elementu sprężystego 5 kondensatora 4. Wprowadzenie separatora zmniejsza objętość cieczy pomiarowej koniecznej dla przeprowadzenia pomiaru lepkości. Komora hydrauliczna 3 kondensatora 4 jest napełniona cieczą neutralną, a jedynie przestrzeń hydrauliczna rezystora 2 aż do membrany separującej, wypełnia ciecz badana. Wprowadzenie cieczy badanej do układu pomiarowego w przykładzie wykonania mikrowiskozymetru z fig. 2 odbywa się grawitacyjnie z naczynia 11 połączonego z kanałem pomiarowym rezystora hydraulicznego 2 po odkręceniu zaworu napełniającego 20, znajdującego się pomiędzy separatorem 18 i naczyniem zlewowym 21. Po dokonaniu pom iaru ciecz spływa do naczynia zlewowego 21.

5 FIG. 2

6 FIG. 1 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena zł