Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ТОПЛИВ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэрогидродинамическим устройствам для определения вязкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидкостей.

Известно устройство для определения вязкости (Патент РФ №2180438, G01N 11/10, 22/00). Способ определения вязкости жидких сред и устройство для его реализации (Суслин М.А., Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А. (РФ) - №99114871/28; заявл. 07.07.1999 г., опубл. 20.05.2001 г. Бюл. №14). Устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора (ЦОР), в котором имеются неизлучающие вырезы для поступления исследуемой жидкости, металлическая струйная трубка, приемной петли, амплитудного детектора, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора, генератора пневмоимпульсов, цифрового преобразователя, генератора СВЧ, поплавка. Воздействуют струей газа на деформирующуюся от взаимодействия поверхность. О вязкости судят по длительности переходного процесса t_nn свободных колебаний поверхности жидкости.

Недостатками устройства являются низкая точность вследствие влияния на результат давления и длительности пневмоимпульсов, а также влияния на поверхность исследуемой жидкости окружающей среды. Силовые линии равномерны по длине резонатора, поэтому наличие возмущенного объема с потерями вызывают значительное уменьшение нагруженной добротности объемного резонатора, что является дополнительной погрешностью.

За прототип принято устройство (Патент РФ №2179713, G01N 11/14, 22/00. Устройство для измерения вязкости / Суслин М.А., Кузьменко О.Ю., Дмитриев Д.А. (РФ) - №99110123/28; заявл. 12.05.1999 г., опубл. 20.02.2002. Бюл. №5), которое содержит измерительный сосуд в виде ЦОР с неизлучающими вырезами для помещения исследуемой жидкости, генератор СВЧ, питающий штырь для возбуждения колебания Е₀₁₀, приемную петлю, соединенную с амплитудным детектором, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, магнитную мешалку. По времени переходного процесса t_nn свободно вращающейся жидкости в объемном резонаторе судят о вязкости жидкости.

Недостатком устройства является низкая точность измерения вязкости жидкости из-за применения магнитной мешалки, лопасти которой значительно влияют на время переходного процесса t_nn свободно вращающейся жидкости в объемном резонаторе. Применение колебания E₀₁₀ не позволяет использовать ЦОР малых размеров (для измерений требуется резонатор высотой не менее 10 см, и уровень жидкости в резонаторе должен быть не менее 3 см), а при этих условиях добротность колебания E₀₁₀ невысока из-за наличия паразитных электромагнитных колебаний.

Техническим результатом является повышение точности определения кинематической вязкости топлив.

Данный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее цилиндрический объемный резонатор, устройство возбуждения, приемное устройство, соединенное через линию передачи с амплитудным детектором, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход - с первым информационным входом микропроцессора, первый управляющий выход микропроцессора подключен ко входу цифро-аналогового преобразователя, перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, своим входом связанный с выходом цифро-аналогового преобразователя, а выходом через волновод - с устройством возбуждения, дополнительно включается три патрубка для впуска-выпуска исследуемой жидкости, первый патрубок жестко прикреплен к нижней торцевой стенке соосно с вертикальной осью резонатора, второй и третий патрубки, жестко прикрепленные на боковой стенке и находящиеся, соответственно, на расстоянии 30-40 мм и 1-2 мм от дна цилиндрического объемного резонатора, фильтр паразитных электромагнитных колебаний, выполненный в виде паза на боковой стенке резонатора, устройство приведения во вращение жидкости с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, контактное устройство с магнитным захватом, первый выход которого соединен с устройством приведения во вращение жидкости, второй выход - со вторым информационным входом микропроцессора, а вход - со вторым управляющим выходом микропроцессора, устройство впуска-выпуска жидкости, соединенное с тремя патрубками ЦОР, третьим управляющим выходом и третьим информационным входом микропроцессора, при этом возбуждающее и приемное устройства колебания H₀₁₁ выполнены в виде открытых концов волноводов, закрытых диэлектрическими вставками и расположенных на боковой стенке посередине длины резонатора, с широкими стенками волноводов сонаправленными с осью резонатора, линии передачи выполнены в виде волноводов.

Сущность изобретения заключается в следующем. В известном устройстве вращение исследуемой жидкости осуществляется магнитной мешалкой, которая постоянно находится в жидкости и ее лопасти значительно влияют на время переходного процесса t_nn, а следовательно и на точность измерений. В предлагаемом изобретении жидкость приводится во вращение пластиковой мешалкой, выполненной в виде веерных лопастей. Мешалка после приведения жидкости во вращение до необходимой угловой скорости ω, полностью удаляется из нее, и лопасти не влияют на время переходного процесса t_nn свободно вращающейся жидкости, а следовательно и на точность измерений. Влияние паразитных колебаний на точность измерений устраняется дополнительным введением фильтра электромагнитных колебаний, а применение колебания H₀₁₁ повышает точность фиксации начала и конца переходного процесса свободно вращающейся в цилиндре жидкости, так как нагруженная добротность цилиндрического объемного резонатора с колебанием H₀₁₁ значительно выше, чем при применении колебания E₀₁₀.

На Фиг.1 представлена схема устройства.

Устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора (ЦОР) 1 с патрубками 2, 3, 4, которые предназначены для впуска-выпуска исследуемой жидкости 5, патрубок 4 расположен в нижней части на оси ЦОР, патрубки 2 и 3 - на боковой стенке на расстоянии 30-40 мм и 1-2 мм соответственно от дна ЦОР; фильтра паразитных электромагнитных колебаний 6, выполненного в виде паза на боковой стенке резонатора заполненного поглотителем; возбуждающего 7 и приемного 8 устройств колебания H₀₁₁, расположенных на боковой стенке посередине длины ЦОР, выполненных в виде открытых концов волноводов, закрытых диэлектрическими вставками (при этом широкие стенки волноводов сонаправлены с осью резонатора); устройства приведения во вращение исследуемой жидкости расположенного на оси ЦОР, которое состоит из двигателя 9 с прикрепленной к нему металлической рукояткой 10, возвратной пружины 11, подставки 12, металлического стержня 13, свободно вращающегося в тонкостенной трубке 14 из диэлектрика, насадки-венчика 15; контактного устройства с магнитным захватом 16; кожуха защитного 17 с отверстием 18 для хода металлической рукоятки 10; перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 19; волноводов 20; амплитудного детектора (АД) 21; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход - с первым информационным входом микропроцессора 23, второй и третий информационные входы которого соединены с выходом контактного устройства 16 и выходом устройства впуска-выпуска жидкости 25, соответственно. Первый управляющий выход микропроцессора 23 соединен со входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 24, второй - со входом контактного устройства 16 и третий - со входом устройства впуска-выпуска жидкости 25.

Устройство приведения во вращение исследуемой жидкости с возможностью перемещения в вертикальной плоскости предназначено для приведения во вращение с круговой частотой ω цилиндрического объема жидкости. Устройство может быть выполнено, например, на основе малогабаритного электродвигателя IG-12GM, к валу которого одним концом прикреплен металлический стержень 13, установленный внутри тонкостенной трубки из диэлектрика 14, например из твердого пластика, и свободно перемещающийся в ней. На второй конец стержня установлена насадка-венчик 15 (см. Фиг.2), изготовленная, например, из мягкого пластика. Тонкостенная трубка из диэлектрика своей верхней частью прикреплена к верхней торцевой стенке ЦОР 1, а ее нижняя часть располагается приблизительно на расстоянии 0,5 см от поверхности исследуемой жидкости 5. Перемещение устройства в вертикальной плоскости может быть осуществлено, например, с помощью металлической рукоятки 10, прикрепленной к двигателю 9, а его возвращение в исходное состояние, с помощью стальной возвратной пружины 11. Возвратная пружина верхней своей частью упирается в нижнюю часть двигателя, а нижней - в верхнюю часть поставки 12. Подставка выполнена в виде металлического цилиндра и жестко прикреплена к верхней торцевой стенке ЦОР. В верхней части подставки вырезано отверстие для хода металлического стержня с насадкой-венчиком. При этом оси цилиндрического объемного резонатора, двигателя, пружины, металлического стрежня, тонкостенной трубки из диэлектрика и подставки совпадают между собой.

Устройство впуска-выпуска жидкости 25 предназначено для впуска исследуемой жидкости в ЦОР 1 перед экспериментом и удаления жидкости из резонатора после получения результатов. Устройство может быть выполнено, например, на основе малогабаритного топливного электронасоса «К-Джетроник» (см. Система впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт: Практ. пособ. - М: Издательство «За рулем», 1998. - стр.16) и соединено с ЦОР тремя гибкими резиновыми патрубками. Один патрубок предназначен для впуска, а два других для выпуска исследуемой жидкости. Также устройство имеет один вход и один выход, соединенные с сосудом, в котором находится исследуемая жидкость. В качестве соединения можно использовать гибкие резиновые патрубки.

Фильтр паразитных электромагнитных колебаний 6 предназначен для фильтрации паразитных электромагнитных колебаний, возникающих за счет вариации диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости. Фильтр выполнен в виде паза на боковой стенке ЦОР, который заполнен поглотителем радиоколебаний. В качестве поглотителя может быть использован, например, проводящий силикон серии EXCSO. (www.TECHNO.ru).

Контактное устройство с магнитным захватом 16 предназначено для удерживания устройства приведения во вращение жидкости в крайнем нижнем положении, а также соединения электрической цепи между блоком питания и малогабаритным электродвигателем. Устройство может быть выполнено, например, на основе микропереключателя МП-3-1 и магнитного захвата SGM, диаметром 20 мм (http.//tako-vakuum.ru).

Устройство работает следующим образом. Оператор подает команду на запуск устройства. Микропроцессор 23 формирует управляющий сигнал, который через третий выход поступает на вход устройства впуска-выпуска жидкости 25. Устройство, с помощью малогабаритного водяного насоса, начинает перекачивать исследуемую жидкость 5, через четвертый вход и второй выход, соединенный с патрубком 4, из сосуда в котором находится жидкость, в ЦОР 1. ЦОР 1 заполняется до уровня, фиксируемого с помощью патрубка 2. Как только жидкость, через патрубок 2, начинает поступать на вход 3 устройства впуска-выпуска жидкости 25, срабатывает запирающий клапан водяного насоса и он прекращает свою работу. Сигнал об этом, с выхода 3 устройства 25, поступает на второй информационный вход микропроцессора 23.

Далее микропроцессор формирует код N, который соответствует частоте f₁ резонанса колебания H₀₁₁ ЦОР 1, с горизонтальным расположением поверхности исследуемой жидкости. Для этого, микропроцессор через первый управляющий выход посредством ЦАП 24 управляет перестройкой частоты генератора СВЧ 19: частота генератора изменяется от f_min до f_max. В момент резонанса колебания H₀₁₁ сигнал через приемное устройство 8, АД 21 и АЦП 22 поступает на первый информационный вход микропроцессора 23, перестройка частоты генератора СВЧ 19 прекращается (частота генератора СВЧ 19 равна f_гсвч=f₁, что соответствует коду N₁ микропроцессора 23).

После фиксации резонанса колебания H₀₁₁, на частоте f₁, на информационной панели микропроцессора 23 загорается лампа, которая сигнализирует об этом оператору. Одновременно с этим микропроцессор 23 на первом управляющем выходе формирует код N₂, соответствующий частоте f₂. Частота генератора СВЧ 19 через ЦАП 24 устанавливается равной f_гсвч=f₂.

Оператор, металлической рукояткой 10, перемещает устройство приведения во вращение жидкости вертикально вниз, до момента срабатывания магнитного захвата контактного устройства 16. Малогабаритный электродвигатель 9, металлический стержень 13, насадка-венчик 15 перемещаются вниз, при этом насадка-венчик выдвигается из неподвижной тонкостенной трубки 14, погружается в исследуемую жидкость 5 и раскрывается (см. Фиг.2), а стальная возвратная пружина 11 сжимается. После срабатывания магнитного захвата контактного устройства 16, электрическая цепь замыкается. Сигнал об этом поступает с выхода контактного устройства 16 на второй информационный вход микропроцессора 23. Малогабаритный электродвигатель 9, металлический стержень 13, насадка-венчик 15 начинают вращаться с угловой скоростью ω - исследуемая жидкость 5 начинает принимать форму параболоида вращения. ЦОР 1 выходит из резонанса. Микропроцессор, с помощью встроенного таймера, ведет отсчет времени t_вр=15 с, по истечении которого со второго управляющего выхода микропроцессора 23 на вход контактного устройства 16 поступает управляющий сигнал. Магнитный захват контактного устройства открывается, высвобождая металлическую рукоятку 10, электрическая цепь размыкается. Вращение малогабаритного электродвигателя 9, металлического стержня 13, насадки-венчика 15, прекращается. Под действием возвратной пружины 11 устройство приведения во вращение жидкости перемещается вертикально вверх. Малогабаритный электродвигатель 9, металлический стержень 13, насадка-венчик 15 также перемещаются вверх, при этом насадка-венчик полностью удаляется из исследуемой жидкости 5, внутрь неподвижной тонкостенной трубки 14. (см. Фиг.1). В этот момент угловая скорость со исследуемой жидкости 5 максимальна.

Далее начинается переходный процесс t_nn свободно вращающейся в ЦОР 1 жидкости, т.е. угловая скорость ω исследуемой жидкости 5 начинает затухать. При достижении угловой скорости, исследуемой жидкости 5, ω=ω_нач, при котором резонансная частота f₂=f_цор, ЦОР 1 входит в резонанс. Сигнал об этом через приемное устройство 8, АД 21 и АЦП 22 поступает на первый информационный вход микропроцессора 23. Микропроцессор включает встроенный таймер измерения времени переходного процесса t_nn и одновременно, на первом управляющем выходе формирует код N₃, соответствующий частоте f₃. Частота генератора СВЧ 19 через ЦАП 24 устанавливается равной f_гсвч=f₃.

При достижении угловой скорости, исследуемой жидкости 5, ω=ω_кон, при котором резонансная частота f₃=f_цор, ЦОР 1 входит в резонанс. Микропроцессор отключает встроенный таймер измерения времени переходного процесса t_nn и, одновременно, на первом управляющем выходе формирует код N₄, соответствующий частоте f₁. Частота генератора СВЧ 19 через ЦАП 24 устанавливается равной f_гсвч=f₁.

При достижении угловой скорости, исследуемой жидкости 5, ω=0, при котором резонансная частота f₁=f_цор, с третьего управляющего выхода микропроцессора 23 поступает сигнал на первый вход устройства впуска-выпуска жидкости 25. Устройство, через патрубок 3 ЦОР 1, второй вход и первый выход, начинает перекачивать исследуемую жидкость 5, с помощью малогабаритного водяного насоса, из ЦОР 1, в сосуд для жидкости.

Время t_nn является мерой вязкости. Расчет и экспериментальное определение резонансных частот f₂ и f₃, соответствующие различным угловым скоростям вращения жидкости, показан в [Суслин М.А. Основы расчета микроволновых резонансных систем датчиков неразрушающего контроля исследуемых объектов // Контроль. Диагностика. №11, 2006 г. - С.60-69].

Таким образом, повышение точности определения кинематической вязкости топлив в предлагаемом устройстве достигается за счет:

- применения устройства приведения во вращение жидкости, полностью извлекаемого из объема исследуемой жидкости, вместо магнитной мешалки, как в прототипе, лопасти которой постоянно находятся в объеме исследуемой жидкости и значительно влияют на время переходного процесса t_nn;

- применения фильтра электромагнитных колебаний, с помощью которого устраняются паразитные электромагнитные колебания;

- применения колебания H₀₁₁, так как нагруженная добротность цилиндрического объемного резонатора с колебанием H₀₁₁ значительно выше, чем при применении колебания E₀₁₀, что повышает точность фиксации начала и конца переходного процесса свободно вращающейся в цилиндре жидкости.