Необремененный вибровискозиметрический датчик

Изобретение относится к области определения вибрационным методом изменения сдвиговой вязкости небольших объемов жидкости в локальной области при одновременном измерении ее температуры.

Известен вибровискозиметрический датчик по патенту РФ №2574862, содержащий индуктивный датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из металла с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким основанием, и внешний возбудитель колебаний механической колебательной системы. Механическая колебательная система включает зонд, основание со стойками, а также два упругих разнородных проводника, с одной стороны жестко закрепленных на концах соответствующих стоек, а с другой стороны соединенных вместе и жестко закрепленных на поверхности зонда с образованием одновременно измерительного спая термопарного измерителя температуры зонда. Возбудитель колебаний механической колебательной системы выполнен в виде электромеханического вибратора, вынесенного за пределы вибровискозиметрического датчика и установленного с обеспечением акустического взаимодействия с жестким основанием; при этом с внешней стороны металлические стойки электрические соединены с соответствующими разнородными проводниками с образованием опорных спаев термопарного измерителя температуры вибродатчика.

Описанный датчик за счет малого диаметра сферического зонда обеспечивает высокую пространственную локальность измерения текущей сдвиговой вязкости и температуры жидкости, а за счет использования необремененной колебательной системы обеспечивает высокую чувствительность вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости. Недостатки известного датчика состоят в следующем.

1. Внешнее механическое возбуждение колебательной системы через акустическую связь требует достаточно большой мощности внешнего акустического излучателя, что создает заметный шум при его работе. Более того, на уровень текущего возбуждения колебательной системы существенно влияет внешняя акустическая обстановка, переотражение акустических сигналов от внешних объектов и элементов конструкции датчика. Это приводит к непостоянству текущего уровня возбуждения и, как следствие, к непостоянству уровня выходного сигнала датчика положения зонда, то есть к росту шумов измерительной системы.

2. Используемый индуктивный датчик положения зонда расположен в непосредственной близости от зонда, что существенно нарушает расчетный режим вязкого течения жидкости в окрестности зонда и затрудняет анализ результатов измерения.

3. Металлические стойки, выходящие из основания и погруженные в исследуемую жидкость на глубину уровня зонда, обладают высокой теплопроводностью, затрудняют охлаждение жидкости и существенно искажают тепловое поле кюветы при непрерывном изменении ее температуры, что затрудняет анализ результатов измерения.

4. Разнородные упругие проводники, выполняющие роль упругих элементов колебательной системы, имеют достаточно большой температурный коэффициент линейного расширения, что приводит к заметной зависимости собственной частоты механической колебательной системы датчика от температуры этих проводников и существенно осложняет проведение точных экспериментальных исследований.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости, снижение уровня шумов, снижение влияния акустических шумов на вязкое течение исследуемой жидкости в процессе измерения и обеспечение однородного температурного поля в окрестности зонда в ходе непрерывного изменения температуры исследуемой жидкости.

Заявляется:

Вибровискозиметрический датчик, содержащий датчик текущего пространственного положения сферического миниатюрного зонда из материала с высокой теплопроводностью, термопарный измеритель температуры зонда, механическую колебательную систему, жестко связанную с зондом и скрепленную с жестким диэлектрическим основанием, и возбудитель колебаний механической колебательной системы.

В отличие от прототипа, на основании жестко закреплены под углом друг к другу два трубчатых пьезоактюатора, работающих на изгиб, при этом пьезоактюаторы расположены так, что направление их управляемого изгиба ортогонально к плоскости, задаваемой положением пьезоактюаторов, также рабочая часть пьезоактюаторов расположена с нижней стороны основания, а контактная часть пьезоактюаторов расположена на верхней стороне основания, при этом механическая колебательная система включает зонд, основание с пьезоактюаторами, два жестких тонких диэлектрических капилляра, например, стеклянных или керамических, равной длины, которые проходят соосно внутри пьезоактюаторов и жестко закреплены с одной стороны на концах или в рабочей части пьезоактюаторов, а с другой стороны соединены вместе и жестко закреплены на поверхности или внутри зонда, при этом внутри капилляров проходят разнородные электрические проводники, образующие в месте соединения измерительный спай термопарного измерителя температуры зонда, а с внешней стороны капилляров и основания разнородные проводники образуют опорный спай термопарного измерителя температуры зонда, при этом механическим возбудителем колебаний механической колебательной системы является один из двух пьезоактюаторов, электрически подключенный к источнику электрических колебаний, а второй пьезоактюатор выполняет функцию датчика текущего положения зонда.

Предпочтительными конструктивными решениями являются:

- выполнение капилляров из кварцевого стекла как материала, обладающего высокой химической и термостойкостью, имеющего малый температурный коэффициент линейного расширения в широком диапазоне температур, что обеспечивает слабую зависимость собственной частоты колебательной системы от текущей температуры капилляров;

- выполнение зонда при работе с агрессивными жидкостями в широком диапазоне температур из искусственного алмаза как материала, обладающего максимально высокой теплопроводностью (что обеспечивает высокую точность измерения температуры и малую тепловую инерцию) и химической стойкостью, в иных случаях, для снижения стоимости датчика, предпочтительнее использование меди или серебра как материалов, обладающих достаточно высокой теплопроводностью;

- выполнение разнородных проводников как элементов термопары в сочетании медного и константанового микропроводников как материалов, обладающих высокой термоэлектрической чувствительностью, стабильно работающих в широком диапазоне отрицательных и положительных температур;

- наличие защитного пленочного покрытия для размещаемых в измерительной кювете с исследуемой жидкостью пьезоактюаторов и сферического зонда. На применение пленочного покрытия указано также и в прототипе. Но ввиду применения в вибродатчике иных, чем в прототипе, материалов, указание на защитное пленочное покрытие обеспечивает сохранность элементов вибродатчика и его длительную надежную работу.

На фигуре 1 представлена схема заявляемого вибродатчика.

Жесткое керамическое или текстолитовое изоляционное основание 1 вибродатчика выполнено, например, в виде диска. В основании в одной плоскости, ортогональной к основанию, под углом друг к другу жестко закреплены два трубчатых пьезоактюатора 2 и 3, работающих на изгиб. Их расстояние друг от друга и угол выбираются из условий геометрического сопряжения с измерительной кюветой 4. Пьезоактюаторы расположены так, что направление их управляемого изгиба ортогонально к плоскости, задаваемой положением пьезоактюаторов. Контактная часть 5 пьезоактюаторов расположена на верхней стороне основания 1, а рабочая часть 6 пьезоактюаторов расположена с нижней стороны основания 1. В режиме измерения вязкости рабочая часть 6 находится выше уровня исследуемой жидкости. Механическая колебательная система включает зонд 7, основание 1 с пьезоактюаторами 2 и 3, а также два тонких жестких диэлектрических капилляра 8 и 9, длина которых выбирается из условия обеспечения заданной собственной частоты колебательной системы (при этом жесткость пьезоактюатора много больше жесткости капилляра). Кварцевые капилляры 8 и 9 проходят соосно внутри трубчатых пьезоактюаторов 2 и 3 и жестко закреплены с одной стороны на концах или в рабочей части пьезоактюаторов, а с другой стороны соединены вместе и жестко закреплены на поверхности или внутри зонда 7 (в зависимости от выбранной технологии изготовления зонда). Рабочая часть пьезоактюаторов 6, а именно участок от закрепленных на них капилляров до основания, предпочтительно имеет защитное пленочное покрытие. Внутри капилляров проходят разнородные электрические проводники 10 и 11, электрически соединенные в месте соединения капилляров и образующие измерительный спай 12 термопарного измерителя температуры зонда. С внешней стороны основания выходящие из пьезоактюаторов разнородные проводники образуют опорный спай термопарного измерителя температуры зонда. Капилляры 8 и 9 выполняют роль упругих элементов механической колебательной системы вибровискозиметрического датчика. Механическим возбудителем колебаний механической колебательной системы за счет обратного пьезоэффекта является один из двух пьезоактюаторов, например 2, при этом второй пьезоактюатор 3 за счет прямого пьезоэффекта выполняет функцию датчика пространственного положения зонда.

Электрические выводы от проводников 10 и 11 служат для измерения сигнала термопары, соответствующего температуре зонда в локальной области жидкости. Эти выводы вынесены за пределы датчика и находятся во внешнем термостате, с выхода которого сигналы термопары, как и сигналы датчика положения зонда, снимаемые с контактной части соответствующего пьезоактюатора 3, измеряются и преобразовываются с помощью устройства регистрации и управления с использованием микроконтроллера (на фигуре не показано как общеизвестное и не влияющее на функционирование собственно датчика). Используемое устройство регистрации и управления формирует электрические сигналы возбуждения заданной амплитуды и частоты, подаваемые на контактную часть 5 возбуждающего пьезоактюатора 2.

Для защиты металлического зонда 7 и пьезоактюаторов 2 и 3 от возможного химического воздействия на них исследуемой жидкости или ее паров предлагается использовать защитное пленочное покрытие этих элементов.

Верхняя часть основания 1 имеет термо- и виброизоляцию 13 (условно показана на фиг. 1). Нижняя часть основания 1 вибровискозиметрического датчика в режиме измерения вязкости исследуемой жидкости размещается в измерительной кювете таким образом, чтобы в режиме измерения зонд 7 и капилляры 8 и 9 были погружены в жидкость.

Контактное локальное механическое возбуждение колебательной системы в заявляемом датчике посредством использования возбуждающего пьезоактюатора 2 требует незначительной мощности возбуждающего электрического сигнала, обеспечивает стабильный заданный уровень возбуждения, практически независящий от внешних условий. Использование приемного пьезоактюатора в качестве датчика положения зонда исключает присутствие дополнительных конструктивных элементов вблизи зонда и позволяет обеспечить расчетный режим вязкого течения жидкости в окрестности зонда. Использование в качестве упругих элементов колебательной системы тонких стеклянных или керамических капилляров, например, кварцевых (сходные по химической и термостойкости), обладающих низкой теплопроводностью, обеспечивает однородное температурное поле в окрестности зонда при изменении температуры кюветы, а также слабую зависимость собственной частоты колебательной системы от температуры капилляров. Дополнительным преимуществом заявляемого датчика перед прототипом является упрощение его конструкции.

Предлагаемый вибровискозиметрический датчик, обеспечивая низкий уровень шумов и высокую чувствительность к текущим изменениям вязкости жидкости, а также измерение текущей температуры жидкости в локальной зоне измерения вязкости при работе с пробами жидкости малого объема, может успешно использоваться в переносных компактных вибровискозиметрах и для исследования процессов структурообразования в жидкостях при монотонном непрерывном изменении их температуры. Предлагаемый датчик может быть изготовлен из известных материалов с использованием известного оборудования и технологий.