RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 168892 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 296721 (22) Data zgłoszenia: 25.11.1992 (51) IntCl6: G01N 11/16 (54) S p o só b i układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy (43) Zgłoszenie ogłoszono: 30.05.1994 BUP 11/94 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.1996 WUP 04/96 (73) Uprawniony z patentu: Polska Akadem ia Nauk, Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, W arszawa, PL (72) Twórcy wynalazku: Maciej Kozarski, W arszawa, PL Edward Krauze, W arszawa, PL Marek Krauze, W arszawa, PL (74) Pełnomocnik: Rozdeiczer Paweł, Dom Handlowy Nauki Spółka z o.o. PAN, Biuro Rzeczników Patentowych PL 168892 B1 1. Sposób pomiaru w spółczynnika lepkości dynamicznej cieczy (57)polegający na pomiarze siły oporu hydraulicznego, znam ienny tym, że nurnik hydrauliczny (2) zanurzony w badanej cieczy poddaje się naprzemiennemu korzystnie stałoprędkościow em u ruchow i korzystnie za pom ocą cewki (6) siłownika elektromagnetycznego, a powstałą siłę oporu hydraulicznego mierzy się poprzez pom iar prądu (i) cewki siłow nika w chw ilach, w których przesunięcie (Δx) nurnika (2) osiąga stałą w artość progow ą korzystnie równą zeru, przy czym odrębnie mierzy się prąd cewki siłow nika w kierunku wartości wzrastających i osobno w kierunku m alejących w artości przesunięcia nurnika, a następnie w yznacza się różnicę tych niezależnie zm ierzonych wartości prądu (i) cewki proporcjonalną do mierzonej siły oporu hydraulicznego i tym samym do współczynnika lepkości dynam icznej (µ) cieczy znajdującej się wokół nurnika (2) 2. Układ do pom iaru w spółczynnika lepkości dynam icznej cieczy zawierający elementy hydrauliczne, siłownik elektrom agnetyczny, przetwornik przesunięcia na sygnał elektryczny, kom parator elektryczny, układ całkujący, regulator elektryczny i w zm acniacz mocy, znam ienny tym, ze składa się z nurnika (2) stanow iącego elem ent dźwigni zawieszonego na elemencie sprężystym (3), którego przedłużenie po drugiej stronie elem entu sprężystego stanowi belka (5) dołączona do cewki (6) siłow nika elektrom agnetycznego, a spłaszczony koniec tej belki stanowi ruchom y elem ent korzystnie pojemnościowego czujnika przesunięcia (8) sprzężonego z przetwornikiem przesunięcia (9), którego wyjście dołączone je st do wejść komparatora (11) o symetrycznej pętli histerezy, detektora przejścia przez zero (10) i jednego z wejść regulatora (13), na którego drugie w ejście podaw any jest sygnał z układu całkującego (12) znajdującego się na wyjściu komparatora (11) o symetrycznej pętli histerezy, natom iast wyjście regulatora (13) połączone jest z wejściem w zmacniacza mocy (14) sterującego pracą cewki (6) siłownika, z którą to cewką połączony jest szeregow o rezystor (16), a ponadto wyjścia komparatora (11) i detektora przejścia przez zero (10) połączone są z wejściami układu pomiaru siły f i g 1
Sposób i układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy polegający na pomiarze siły oporu hydraulicznego, znam ienny tym, że nurnik hydrauliczny (2) zanurzony w badanej cieczy poddaje się naprzemiennemu korzystnie stałoprędkościowemu ruchowi korzystnie za pomocą cewki (6) siłownika elektromagnetycznego, a powstałą siłę oporu hydraulicznego mierzy się poprzez pomiar prądu (i) cewki siłownika w chwilach, w których przesunięcie (Δx) nurnika (2) osiąga stałą wartość progową korzystnie równą zeru, przy czym odrębnie mierzy się prąd cewki siłownika w kierunku wartości wzrastających i osobno w kierunku malejących wartości przesunięcia nurnika, a następnie wyznacza się różnicę tych niezależnie zmierzonych wartości prądu (i) cewki proporcjonalną do mierzonej siły oporu hydraulicznego i tym samym do współczynnika lepkości dynamicznej (µ) cieczy znajdującej się wokół nurnika (2). 2. Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy zawierający elementy hydrauliczne, siłownik elektromagnetyczny, przetwornik przesunięcia na sygnał elektryczny, komparator elektryczny, układ całkujący, regulator elektryczny i wzmacniacz mocy, znamienny tym, że składa się z nurnika (2) stanowiącego element dźwigni zawieszonego na elemencie sprężystym (3), którego przedłużenie po drugiej stronie elementu sprężystego stanowi belka (5) dołączona do cewki (6) siłownika elektromagnetycznego, a spłaszczony koniec tej belki stanowi ruchomy element korzystnie pojemnościowego czujnika przesunięcia (8) sprzężonego z przetwornikiem przesunięcia (9), którego wyjście dołączone jest do wejść komparatora (11) o symetrycznej pętli histerezy, detektora przejścia przez zero (10) i jednego z wejść regulatora (13), na którego drugie wejście podawany jest sygnał z układu całkującego (12) znajdującego się na wyjściu komparatora (11) o symetrycznej pętli histerezy, natomiast wyjście regulatora (13) połączone jest z wejściem wzmacniacza mocy (14) sterującego pracą cewki (6) siłownika, z którą to cewką połączony jest szeregowo rezystor (16), a ponadto wyjścia komparatora (11) i detektora przejścia przez zero (10) połączone są z wejściami układu pomiaru siły. 3. Układ według zastrz. 2, znam ienny tym, że układ pomiaru siły zawiera na wejściu układ sterowania (15) pracą układów pamiętająco-próbkujących PP, dołączony do wejść trzech takich układów, z których dwa (17,18) mają drugie wejścia połączone z cewką (6) siłownika, a wyjścia połączone z wejściami wzmacniacza różnicowego (19), którego wyjście połączone jest z jednym z wejść trzeciego układu pamiętająco-próbkującego (20), którego drugie wejście połączone jest z układem sterowania (15), a wyjście stanowi wyjście całego układu. 4. Układ według zastrz. 2, znam ienny tym, że nurnik (2) umieszczony jest w płaszczu (1) i dodatkowo osłonięty drugim płaszczem (21), przy czym komora międzypłaszczowa połączona jest z ultratermostatem (26). 5. Układ według zastrz. 2, znam ienny tym, że nurnik (2) stanowi dysk ułożyskowany obrotowo w korpusie (4), przy czym z korpusem (4) jest połączony nierozłącznie drugi dysk (27) umieszczony w osi (O-O) nurnika (2) stanowiącego pierwszy dysk. 6. Układ według zastrz. 2 albo 5, znamienny tym,, że nurnik (2) ma kształt stożka. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy. Z polskiego opisu patentowego 159 044 znany jest układ mikrowiskozymetru oscylacyjnego, który zawiera dwa bierne hydrauliczne elementy: kondensator hydrauliczny zbudowany w postaci komory zamkniętej elementem sprężystym oraz połączony z tą komorą rezystor
168 892 3 hydrauliczny zbudowany w postaci kapilary zamkniętej w płaszczu wodnym, podłączony do ultratermostatu. Swobodny koniec elementu sprężystego kondensatora hydraulicznego połączony jest z przetwornikiem ugięcia elementu sprężystego na sygnał elektryczny. Wyjście tego przetwornika połączone jest za pośrednictwem elektrycznego układu różniczkującego i elektrycznego układu całkującego z wejściem elektrycznego komparatora histerezy połączonego z wejściem siłownika elektromagnetycznego sprzężonego mechanicznie z elementem sprężystym kondensatora hydraulicznego. Ugięcie elementu sprężystego kondensatora hydraulicznego podlega pomiarowi w układzie przetwornika ugięcia elementu sprężystego, na którego wyjściu pojawia się sygnał elektryczny proporcjonalny do ugięcia elementu sprężystego. Na element sprężysty oddziałuje się za pomocą siłownika elektromagnetycznego siłą proporcjonalną do prądu podawanego do cewki siłownika. Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy polega na tym, że nurnik hydrauliczny zanurzony w badanej cieczy poddaje się naprzemiennemu korzystnie stałoprędkościowemu ruchowi korzystnie za pomocą cewki siłownika elektromagnetycznego. Powstałą siłę oporu hydraulicznego mierzy się poprzez pomiar prądu cewki siłownika w chwilach, w których przesunięcie nurnika osiąga stałą wartość progową korzystnie równą zeru, przy czym odrębnie mierzy się prąd cewki siłownika w kierunku wartości wzrastających i osobno w kierunku malejących wartości przesunięcia nurnika. Następnie wyznacza się różnicę tych niezależnie zmierzonych wartości prądu cewki proporcjonalną do mierzonej siły oporu hydraulicznego i tym samym do współczynnika lepkości dynamicznej cieczy znajdującej się wokół nurnika. Układ do pomiaru współczynnika lepkości dynamicznej cieczy według wynalazku składa się z nurnika stanowiącego element dźwigni zawieszonego na elemencie sprężystym, którego przedłużenie po drugiej stronie elementu sprężystego stanowi belka dołączona do cewki siłownika elektromagnetycznego. Spłaszczony koniec tej belki stanowi ruchomy element korzystnie pojemnościowego czujnika przesunięcia sprzężonego z przetwornikiem przesunięcia, którego wyjście dołączone jest do wejść komparatora o symetrycznej pętli histerezy, detektora przejścia przez zero i jednego z wejść regulatora. Na drugie wejście tego regulatora podawany jest sygnał z układu całkującego znajdującego się na wyjściu komparatora o symetrycznej pętli histerezy. Wyjście regulatora połączone jest z wejściem wzmacniacza mocy sterującego pracą cewki siłownika, z którą to cewką połączony jest szeregowo rezystor. Ponadto wyjścia komparatora i detektora przejścia przez zero połączone są z wejściami układu pomiaru siły. Układ pomiaru siły w przykładowym rozwiązaniu zawiera na wejściu układ sterowania pracą układów pamiętająco-próbkujących, dołączony do wejść trzech takich układów, z których dwa mają drugie wejścia połączone z cewką siłownika, a wyjścia połączone z wejściami wzmacniacza różnicowego. Wyjście wzmacniacza różnicowego połączone jest z jednym z wejść trzeciego układu pamiętająco-próbkującego. Drugie jego wejście połączone jest z układem sterowania, a wyjście stanowi wyjście całego układu. Nurnik ewentualnie umieszczony jest w płaszczu i dodatkowo osłonięty drugim płaszczem, przy czym komora międzypłaszczowa połączona jest z ultratermostatem. W przykładowym rozwiązaniu nurnik stanowi dysk ułożyskowany obrotowo w korpusie, przy czym z korpusem tym jest połączony nierozłącznie drugi dysk umieszczony w osi pierwszego dysku. Nurnik ewentualnie ma kształt stożka. Do zalet układu do pomiaru lepkości zwanego dalej lepkościomierzem oscylacyjnym z dyskretnym pomiarem siły należy możliwość pomiaru zmian własności reologicznych zachodzących w obrębie stałej próbki badanej cieczy, możliwość pomiaru przy bardzo małych prędkościach ścinania, a także możliwość łatwej wymiany próbki badanej i tym samym quasiciągły pomiar lepkości. Ponadto zaletą rozwiązania według wynalazku jest dopuszczalność bardzo dużych ciśnień statycznych w obszarze komory wokółnurnikowej, a także fakt, że własności sprężyste elementu separującego w postaci membrany nie wywierają wpływu na wynik pomiaru. Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu lepkościomierza oscylacyjnego z dyskretnym pomia-
4 168 892 rem siły, fig. 2 przedstawia przykład wykonania części hydraulicznej lepkościomierza, a fig. 3 i 4 pokazują przykłady wykonania nurników. Pokazany na fig. 1 nurnik 2 stanowiący element dźwigni jest zawieszony w korpusie 4 na elemencie sprężystym 3 - membranie. Z drugiej strony membrany jest umocowana belka 5 stanowiąca drugą część dźwigni. Pozorny środek obrotu dźwigni znajduje się w środku elementu sprężystego 3 stanowiącego membranę. Do belki 5 jest zamocowana cewka 6, której uzwojenia znajdują się w polu magnesu stałego 7. Cewka 6 wraz z magnesem 7 stanowią siłownik elektryczny oddziałujący na belkę 5 z siłą proporcjonalną do prądu i przepływającego przez uzwojenie cewki. Spłaszczony koniec belki stanowi ruchomą, środkową elektrodę pojemnościowego czujnika przesunięcia 8, którego dwie pozostałe odizolowane nieruchome elektrody są sztywno zamocowane w korpusie. Z czujnikiem przesunięcia 8 sprzężony jest przetwornik przesunięcia 9, którego wyjście dołączone jest do wejść komparatora 11 o symetrycznej pętli histerezy, detektora przejścia przez zero 10 i jednego z wejść regulatora 13, na którego drugie wejście podawany jest sygnał z układu całkującego 12 znajdującego się na wyjściu komparatora 11 o symetrycznej pętli histerezy, natomiast wyjście regulatora 13 połączone jest z wejściem wzmacniacza mocy 14 sterującego pracą cewki 6 siłownika, z którą to cewką połączony jest szeregowo rezystor 16, a ponadto wyjścia komparatora 11 i detektora przejścia przez zero 10 połączone są z wejściami układu pomiaru siły. Układ pomiaru siły zawiera na wejściu układ sterowania 15 pracą układów pamiętającopróbkujących PP, dołączony do wejść trzech takich układów, z których dwa mają drugie wejścia połączone z cewką 6 siłownika, a wyjścia połączone z wejściami wzmacniacza różnicowego 19, którego wyjście połączone jest z jednym z wejść trzeciego układu pamiętająco-próbkującego PP 20, którego drugie wejście połączone jest z układem sterowania 15, a wyjście stanowi wyjście całego układu. Nurnik 2 umieszczony może być w płaszczu 1 i dodatkowo osłonięty drugim płaszczem 21. Komora międzypłaszczowa za pomocą końcówek hydraulicznych 22, 23 oraz przewodów hydraulicznych 24, 25 połączona jest z ultratermostatem 26. Nurnik 2 (pokazany na fig. 3 i 4) może być wykonany z postaci dysku ułożyskowanego obrotowo w korpusie 4. Z korpusem tym jest połączony nierozłącznie drugi dysk 27 umieszczony w osi O-O pierwszego dysku (nurnika 2). Funkcję elementu sprężystego 3 realizowanego poprzednio przez membranę spełniają tu zawieszki sprężyste umocowane w korpusie 4. Nurnik 2 może mieć kształt stożka (fig. 4). Pojemnościowy przetwornik przesunięcia 9 dostarcza sygnału elektrycznego ux proporcjonalnego do przesunięcia belki 5 i tym samym obrotu dźwigni złożonej z nurnika 2 i belki 5. Sygnał ten jednocześnie wprowadza się na wejście komparatora 11 o symetrycznej pętli histerezy i symetrycznym napięciu wyjściowym oraz na pierwsze wejście regulatora 13 i detektora przejścia przez zero 10. Sygnał wyjściowy z komparatora 11 jest podawany na wejście układu całkującego 12, którego sygnał wyjściowy jest podawany na drugie wejście regulatora 13. Sygnał wyjściowy z regulatora przesyła się do wejścia wzmacniacza mocy 14 spełniającego jednocześnie rolę konwertera napięcie-prąd. Sygnał prądowy i ze wzmacniacza 14 jest sygnałem sterującym pracą cewki 6 wytwarzającym siłę wprawiającą w ruch belkę 5 i tym samym nurnik 2. Jest to ruch naprzemienny o stałej prędkości zadanej przez liniowo zmienny sygnał z układu całkującego 12 odbywający się w granicach wyznaczonych przez progi przełączania komparatora 11. Prędkość tego ruchu może być zmieniana poprzez na przykład napięcie wyjściowe komparatora 11 - jest zatem łatwo elektrycznie nastawialna. Opisana część układu lepkościomierza spełnia zatem rolę generatora mechanicznych drgań piłokształtnych nurnika o stałym okresie i stałej naprzemiennej prędkości. Pozostała część układu służy do pomiaru siły, a jaką oddziałuje na belkę 5 cewka 6 w momencie przejścia belki 5 przez położenie zerowe ux = O sygnalizowane zmianą sygnału wyjściowego detektora przejścia przez zero 10. Ponieważ siła ta jest dokładnie proporcjonalna do prądu i płynącego przez cewkę 6, wystarczy dokonać pomiaru tego prądu na przykład poprzez pomiar napięcia um na rezystorze pomiarowym 16 umieszczonym szeregowo z cewką. Pomiar ten jest dokonywany dwukrotnie przy każdym przejściu sygnału ux proporcjonalnego do przesunięcia Δx nurnika 2 korzystnie przez zero raz w kierunku wartości dodatnich dając wartość um+ i raz w kierunku wartości
168 892 5 ujemnych dając wartość um-. Różnica tych wartości daje nową wartość proporcjonalną już tylko do siły oporów lepkościowych powstałych w wyniku ruchu nurnika 2 w cieczy badanej. Układ elektroniczny realizujący opisaną procedurę pomiarową jest przedstawiony na fig. 1. Dwa układy pamiętająco-próbkujące PP+ 18 i PP- 17 zapamiętują potrzebne wartości um+ oraz um- w momencie przejścia ux = 0. Ich wyjściowe sygnały podawane są do wejścia wzmacniacza-filtru różnicowego 19, gdzie następuje obliczenie różnicy (Um+ - Um'). Różnicę tę zapamiętuje się w wyjściowym układzie pamiętająco-próbkującym PP 20. Jego sygnał wyjściowy uwy proporcjonalny do współczynnika lepkości dynamicznej i badanej cieczy stanowi sygnał wyjściowy układu lepkościomierza. Blok sterowania 15, dla którego sygnałami wejściowymi są sygnały z komparatora 11 i detektora przejścia przez zero 10 dostarcza sygnałów otwierających i zamykających dla układów pamiętająco-próbkujących PP. Taką rolę może spełniać mikroprocesor sterujący jednocześnie pracą całego układu lepkościomierza. Inny niż na fig. 1 przykład wykonania części hydraulicznej układu, przedstawiony na fig. 2, umożliwia pomiar lepkości badanej cieczy w funkcji temperatury. W przykładach wykonania nurników o innym kształcie, przedstawionych na fig. 3 i 4 opory tarcia hydraulicznego proporcjonalne do lepkości badanej cieczy pow stają w szczelinie 28 między dyskiem 27 związanym z korpusem 4, a nurnikiem 2 w postaci obrotowego dysku. Pomiar siły oporu hydraulicznego powstałego między nurnikiem 2 i dyskiem 27 odbywa się korzystnie przy obustronnym przejściu nurnika 2 w postaci dysku przez położenie swobodne podczas oscylacyjnego obrotu wokół osi O-O wymuszanego siłownikiem elektromagnetycznym. Kształt stożkowy nurnika - dysku pokazanego na fig. 4 umożliwia pomiar lepkości przy stałej prędkości ścinania w całej objętości badanej próbki cieczy.
168 892 fig. 2
168 892 fig. 3 fig. 4
168 892 fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł