Способ и устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью тепловых средств и может использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных жидкостей: дизтоплив, авиационных керосинов, растительных масел и др. Проводимая работа одобрена и поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере путем проведения научно-исследовательской работы "Разработка опытного образца экспресс-анализатора низкотемпературных свойств нефтепродуктов с улучшенными метрологическими характеристиками".

Известно изобретение, близкое к заявляемому изобретению по идее использования заданного фазового сдвига между входными и выходными сигналами колебательной системы, работающей в режиме вынужденных колебаний, для фиксации ее работы в режиме резонанса [патент РФ №2416092. Способ диэлькометрического контроля влажности материалов]. Согласно данному способу емкостной датчик влажности включают в параллельный электрический колебательный контур, который возбуждают импульсами тока с разным направлением и скоростью развертки частоты в двух тактах преобразования. При этом выделяют и усиливают отклонение амплитуды выходного сигнала контура от порогового напряжения, которое используют для регулирования амплитуды импульсов тока, определяют частоту резонанса по нулевой разности фаз между возбуждающим током и выходным сигналом контура, а по результату цифрового измерения частоты резонанса определяют влажность материала. При этом настройка на резонанс производится только два раза за цикл преобразования в процессе прямого и обратного изменения частоты импульсов тока возбуждения колебательной системы, что обеспечивает измерение определенного заданного параметра, но не может обеспечить удовлетворительную точность измерения при динамическом анализе термовязкостных свойств жидкостей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ по патенту РФ 2263305, при осуществлении которого в термоизолированной металлической кювете с пробой исследуемой жидкости размещают термоизолированный сферический металлический зонд вибровискозиметра, снабженного устройством охлаждения-нагрева пробы. Кювета и зонд снабжены термодатчиками. Зонд вибровискозиметра с заданной вынуждающей силой приводят в режим резонансных механических колебаний, монотонно и непрерывно по времени изменяют температуру кюветы со скоростью, превышающей скорость установления процессов изменения температуры пробы. Температуру зонда, амплитуду и частоту колебаний зонда измеряют во всем заданном интервале изменения температуры кюветы и определяют плотность р и вязкость л жидкости в зависимости от ее температуры по уравнению теплопроводности жидкости и по уравнению вынужденных колебаний зонда вибровискозиметра.

В реализации способа по патенту РФ №2263305 используется внутреннее возбуждение, то есть механическая колебательная система вибровискозиметра работает в режиме автоколебаний за счет положительной обратной связи между выходом датчика положения зонда и входом устройства возбуждения колебательной системы и непрерывно отслеживает изменения резонансной частоты колебательной системы.

Недостатком этого способа является низкая точность определения текущей резонансной частоты колебаний зонда в процессе термосканирования жидкости, особенно в диапазоне ее повышенной вязкости, что соответственно приводит к недостаточной точности измерения текущих значений плотности и вязкости исследуемой жидкости в процессе анализа.

Недостаточная точность определения текущей резонансной частоты колебаний зонда в режиме автоколебаний объясняется следующим:

а) при повышении вязкости жидкости добротность механической колебательной системы существенно уменьшается, что, как известно, пропорционально уменьшает стабильность частоты автоколебаний;

б) при низкой добротности колебательной системы возможно возникновение колебаний на частоте амплитудного резонанса ω_А, которая не совпадает с частотой истинного резонанса ω₀, определяющей полную (в том числе присоединенную) массу колеблющегося зонда вибровискозиметра.

Из теории следует, что частота амплитудного резонанса не совпадает с частотой истинного резонанса ω₀; частота ω_А зависит от добротности колебательной системы и равна

где Q - добротность механической колебательной системы. Таким образом, погрешность определения истинной резонансной частоты ω₀ при низкой добротности колебательной системы может быть весьма значительной [Иориш, Ю.И. Виброметрия. 2-е изд. – М.: Государственное издательство машиностроительной литературы, 1963. - с. 170];

в) при низкой добротности колебательной системы уменьшаются амплитуда колебаний зонда и, соответственно, величина выходного сигнала датчика положения зонда. Это приводит к повышению нестабильности выходного сигнала датчика положения зонда за счет действия внешних электрических, механических и акустических помех. Названные недостатки не гарантируют точность измерений при очень низкой добротности механической колебательной системы, что соответствует высокой сдвиговой вязкости исследуемой жидкости.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить измерительный режим механической колебательной системы на частоте истинного резонанса и тем самым обеспечить повышение точности и расширение рабочей области измерения вибровискозиметром динамической вязкости и плотности исследуемых жидкостей в зависимости от температуры при любой конечной добротности колебательной системы.

Предлагается способ внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, при котором механическую колебательную систему зонда вибровискозиметра, снабженного датчиком положения, с заданной вынуждающей силой приводят в режим резонансных механических колебаний посредством устройства возбуждения, отличающийся тем, что выходной сигнал датчика положения зонда преобразовывают путем усиления и частотной фильтрации, непрерывно изменяют частоту колебаний устройства возбуждения до достижения резонансной частоты, которую определяют по достижении заданного на каждой частоте в рабочем диапазоне частот фазового сдвига ϕ₃ между колебаниями устройства возбуждения и колебаниями выходного усиленного и частотно-отфильтрованного сигнала датчика положения, определяемого по уравнению ϕ₃(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2, где ϕ_ф(ω) - значение на частоте ω фазового сдвига частотно-фильтрующих цепей сигнала датчика положения зонда вибровискозиметра.

Заявляемый способ основан на том факте, что для механических колебательных систем с одной степенью свободы при резонансе сдвиг фазы колеблющейся массы относительно вынуждающей силы равен π/2 при любом значении добротности колебательной системы [см. там же]. Это следует из теоретически известной фазочастотной характеристики такой системы:

Согласно изобретению предлагается фазу выходного сигнала датчика положения зонда измерять после предварительного усиления и частотной фильтрации этого сигнала. То есть на вход устройства измерения фазового сдвига подают сигналы, находящиеся в диапазоне нижних и верхних рабочих частот вибровискозиметра от ω_н до ω_в, где ω_н и ω_в. Усиление сигнала датчика положения зонда целесообразно для достижения точного измерения сдвига фазы выходного сигнала датчика относительно колебаний вынуждающей силы при исследовании жидкостей высокой вязкости для снижения влияния электрических, механических и акустических помех на сигнал датчика малой амплитуды. Частотно-фильтрующие цепи на каждой заданной частоте ω неизбежно вносят дополнительный фазовый сдвиг, который однозначно определяется общей фазочастотной характеристикой этих цепей. Использование усиленных и частотно-отфильтрованных сигналов датчика положения зонда позволяет повысить точность измерения в том числе при низкой добротности механической колебательной системы вибровискозиметра.

Таким образом, используя режим вынужденных колебаний зонда вибровискозиметра и непрерывно изменяя частоту колебаний вынуждающей силы до значения, при котором сдвиг фазы выходного сигнала датчика положения зонда относительно колебаний вынуждающей силы составит π/2 (без учета частотно-фильтрующих цепей), можно обеспечить работу механической колебательной системы вибродатчика на частоте истинного резонанса ω₀ при любом конечном значении добротности колебательной системы вибродатчика, что позволяет применить описанный способ исследования температуровязкостных свойств жидкости со сдвиговой вязкостью в широком диапазоне.

Наиболее близким по реализации к заявляемому изобретению является устройство возбуждения колебательной системы вибровискозиметра, включающее возбудитель механических колебаний зонда в виде электронного блока обеспечения возбуждения колебательной системы на ее резонансной частоте с амплитудой вынуждающей силы, не зависящей от амплитуды колебаний зонда. Выход датчика положения зонда подключен к входу устройства регистрации и управления, выполненного на базе микроконтроллера, посредством которого измеряют амплитуду колебаний зонда, их частоту, фазовый сдвиг между колебаниями зонда и колебаниями вынуждающей силы, и вычисляют температуровязкостные показатели исследуемой жидкости (патент РФ №2263305).

Заявленное устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра, включающее устройство возбуждения колебаний механической колебательной системы зонда вибровискозиметра, датчик положения зонда и устройство регистрации и управления вибровискозиметра, выполненное на базе микроконтроллера, отличается тем, что 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 устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы.

При этом в постоянной памяти программируемого микроконтроллера записаны управляющая программа для устройства возбуждения колебаний механической колебательной системы (МКС) зонда вибровискозиметра и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) частотно-фильтрующей цепи.

Структурная схема заявляемого устройства представлена на фигуре 1.

Здесь 1 - электрически управляемое устройство возбуждения колебаний МКС; 2 - механическая колебательная система зонда вибровискозиметра; 3 - датчик положения зонда вибровискозиметра; 4 - линейный электронный усилитель сигнала датчика положения зонда; 5 – частотно-фильтрующая цепь, содержащая линейные фильтры частот в диапазоне нижних и верхних рабочих частот МКС. 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 устройства возбуждения колебаний МКС и частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) фильтрующей цепи. Устройство возбуждения 1 воздействует на МКС зонда и осуществляет внешнее возбуждение механических колебаний зонда 2, снабженного датчиком положения 3. Выход датчика положения 3 зонда соединен с входом электронного усилителя 4, выход которого соединен с входом частотно-фильтрующей цепи 5, выход которой соединен с микроконтроллером 6, выход микроконтроллера подключен к управляющему входу устройства возбуждения 1 колебаний МКС.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.

Под действием выходных сигналов микроконтроллера 6 устройство возбуждения колебаний 1 механической колебательной системы зонда 2 вибровискозиметра формирует периодическую вынуждающую силу 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 ϕ_д(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 ϕ_рез(ω). Микроконтроллер 6, в памяти которого записана частотно-фазовая характеристика ϕ(ω) частотно-фильтрующей цепи, определяет разницу фаз ϕ_рез(ω) и ϕ₀ в соответствии с заложенной в нем управляющей программой. Если эта разница равна ϕ₃(ω)=ϕ_ф(ω)+π/2, то частота выходного сигнала микроконтроллера 6, подаваемого на вход устройства возбуждения колебаний 1, соответствует частоте истинного резонанса и не изменяется. Если разница меньше, чем ϕ₃(ω), то микроконтроллер 6 пошагово увеличивает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Если разница фаз ϕ_рез(ω) и ϕ₀ больше, чем ϕ₃(ω), то микроконтроллер 6 пошагово уменьшает частоту своих выходных сигналов, одновременно контролируя разницу указанных фаз на каждом шаге. Указанную процедуру микроконтроллер 6 выполняет непрерывно, обеспечивая практически непрерывную работу колебательной системы 2 в режиме истинного резонанса, Таким образом, микроконтроллер 6 и устройство возбуждения колебаний 1 обеспечивают работу механической колебательной системы зонда вибровискозиметра в режиме вынужденных колебаний с автоматической подстройкой частоты.

Создание управляющей программы для микроконтроллера, выполняющей перечисленные функции: генерации периодических сигналов заданной низкой частоты и ее изменения с заданным шагом, измерения фазовой задержки между двумя периодическими сигналами этой частоты и выбор направления изменения частоты по заданному формальному критерию не представляет сложных инженерных проблем и с разной степенью полноты реализовано в известных аппаратно-программных комплексах.

Таким образом заявленные способ и устройство внешнего резонансного возбуждения механической колебательной системы вибровискозиметра позволяют повысить точность и обеспечить расширение рабочей области определения текущих значений плотности и динамической вязкости исследуемых жидкостей путем обеспечения измерительного режима механической колебательной системы вибровискозиметра на частоте истинного резонанса.