Устройство для измерения реологических характеристик материалов

Устройство для измерения реологических характеристик материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11).1000854 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву(22)Заявлено 25.09.81 (21) 3339771/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 28.02.83. Бюллетень № 8

Дата опубликования описания 28.02.83

1 (5l)NL. Кл.

С 01 и 11/00

Гееударстееееые кфиктет

СССР ае девам пееретеек» и етхрытий (53) УДК 532.137 (088. 8) I

4 1, ЙдгаМн-а,иЯ. Г. Сави

-.3

° (. (72) Авторы изобретения

В.И. Никаноров, E ..М. Компанец, Л. (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИ СТИ К МАТЕ РИАЛО В

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении реологических характеристик материалов, в частности динамической- вязкости слабопроводящих жидкостей, а также газов и перегретых паров, отбираемых отдельными пробами из сосудов или транспортируемых по трубопроводам в технологических установках химической, нефтехимической, энергетической, газовой и др. промышленности.

Известен вискозиметр, содержащий в качестве чувствительного элемента капиллярную трубку, через которую в ламинарном режиме с постоянной скоростью протекает исследуемая жидкость.

О вязкости жидкости судят по перепаду давлений на концах капилляра (1 J.

Недостатком данного устройства явго ляется трудность выбора капилляра с постоянным внутренним диаметром по всей е го длине, необходи иост ь тщательного и точного измерения внутрен2 него размера капилляра, возможность выхода капилляра из строя при его засорении, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения реологических характеристик материалов, содержа. щее чувствительный элемент, состоящий из нескольких капиллярных трубок,. которые установлены в отверстиях стенки цилиндра на различных уровнях, перпенди кулярно его образующей. Поршень в устройстве служит для продав" ливания исследуемого материала в капилляры. Таким устройством измеряют реологические характеристики вспе" нивающихся композиций (2).

Реологические характеристики находятся в прямой зависимости от длины, заполнения исследуемых материалов ка-. пиллярных трубок при прохождении в цилиндре поршня. Однако этим устройством невозможно измерять с необходимой точностью жидкие материалы и

3 газы, так как регистрация длины заполнения капилляров производится визуально. Кроме того, устройство не позволяет автоматизировать процесс и з мере ни и .

Цель изобретения - повышение точности и автоматизации измерений, Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения реологических характеристик материалов, 30 содержащее чувствительный элемент а виде системы каналов, поршень со штоком для продавливания исследуемого материала через каналы и измерительную систему, дополнительно содержит з электроконтакты с возможностью их вза имодействия со штоком поршня, каналы образованы пластинами плоских многопластинчатых конденсаторов, размещенных последовательно и имеющих одну общую пластину, и расположены по направлению хода поршня, а измерительная система выполнена в виде трансформаторного моста с уравновешивающим конденсатором,, уравновешивающим резистором и релейным переключателем, причем в плечи трансформаторного моста подключены конденсаторы, а в его диагональ посредством релейного переключателя .- уравновешивающие резистор и конденсатор, при этом релейный переключатель соединен с электроконтактами.

На фиг. 1 изображена общая схема конструкции; на фиг. 2 - датчик Уст35 ройства, разрез, вид сбоку; на фиг.3корпус датчика, вид сверху; на фиг,4сечение проточного канала датчика; на фиг. 5 - датчик устройства, разрез, вид сбоку; на фиг. 6 - схема из," мерительного трансформаторного моста; на фиr . .7 - схема одиночного щелевого проточного канала датчика устройст ва и графи к изменения да вления материала по его длине, 45

Устройство (фи г. 1 ) состоит из приемной камеры 1, диэлькометрического датчика 2, поршневого насоса 3, который содержит цилиндр 4, поршень

5, шток 6 с зубчатой рейкой. Устрой50 ство содержит также червячно-реечный редуктор 7 и зубчатый редуктор 8, посредством которых шток 6 соединен с электродвигателем 9,. Приемная камера 1 посредством фланцевого соединения 10 сочленена с трубопроводом (не показан) подачи исследуемого вещества для анализа. К корпусу приемной камеры 1 подключен: вентиль 11 дпя опорожнения и продувки камеры

1 при замене исследуемого материала.

Камера 1 фланцами 12 соединяется с диэлектрическим датчиком 2, Цилиндр

4 поршневого насоса 3 фланцами 13 соединен с датчиком 2 и со станиной

14 червячно-реечного редуктора 7. В станине 14 укреплен центрирующий подшипник 15 для штока 6, по длине которого выполнен продольный паз 16, служащий для фиксации штока 6 от осевого вращения. Фиксация осуществляется с помощью специального зуба (не показан), установленного в центрирующем подшипнике 15 ° На станине 14 укреплены червячно-реечный редуктор 7, зубчатый редуктор 8 и электродвигатель

9. Поршень 5 содержит две центральные шайбы 17 и 18, между которыми зажато с помощью винтов 19 .уплотнение на фторопласте 20. К цилиндру 4 подключен вентиль 21 для опорожнения и пр оду вки, На станине 14 укреплены,два концевых микропереключателя 22 и 23, которые срабатывают от соприкосновения с толкателем 24, укрепленным на штоке

6. Датчик 2 (фиг. 2) состоит из плоских пластин 25-30, размещенных в прямоугольных вырезах фланцев 31, приваренных к цилиндрическому корпусу 32 датчика. Пластины 25-29 со всех сторон покрыты электроизоляционным слоем с малыми электропроводностью и смачиваемостью (например, фторопластом). Все пластины выполняют из нержавеющей стали, Пластины 25-29 размещены так, что образуют плоские длинные щели, в которых устанавливается ламинарный режим течения измеряемой среды, прокачиваемой через эти щели поршневым насосом 3.

В прямоугольных вырезах фланцев

31 размещены несущие пластины 33, имеющие с внутренней, обращенной к потоку стороны, предельные пазы 34, в которые плотно вставлены плоские пластины 25-29, покрытые фторопластом и, тем самым, электрически изолированные от заземленных несущих пластин 33. На узких гранях пластин 33 выполнены пазы 35, в которые уложены металлические пластины 30, плотно прикрепленные (например, пайкой) к пластинам 33. Пластины 25-29, 30 и 33 удерживаются во фланцах 31 от продольного смещения фторопластовыми прокладнами 36 (фиг. 2) и фланцами 12 фиг, ), имеющими также прямоугольные вырезы, 5 1000 но меньших размеров, чем прямоугольные вырезы во фланцах 31.

Пластины 26 (фиг. 2) имеют длину, достаточную для стабилизации ламинарного режима потока при выбранной скорости течения и заземлены.

Аналогично пластины 29 имеют длину, достаточную для исключения потерь давления на выходе и также заземлены.

Пластины 27 и 28 имеют одинаковую дли40 ну. На них имеет место линейное падение давления измеряемой среды за счет вяэкостного трения. Пластины 2527 и 25-28 образуют два последовательно размещенные в потоке конденсатора. 15

Пластины 25 для них являются .общими.

Пластины 27 и 28, а также 26 и 29 размещены в поперечном сечении датчика попеременно с пластинами 25. Все пластины - 26 и 29 электрически соединены 20 между собой и с корпусом 32, Аналогично все пластины 25, 27 и 28 электрически соответственно соединены между собой. Для такого соединения в несущих пластинах 33 имеются поперечные25 пазы 37, Концы пластин, выходящие из продольных пазов 34 в поперечные пазы 37, освобождены от фторопластовой пленки и к ним присоединены (например, пай кой ) зле ктропроводни ки 38-40, зв соответственно к параллельным пластинам 25, 27 и 28. Эти проводники подключены к трем электровводам, состоящим из реэьбовых гаек 41, фторопластовых уплотнений 42, коаксиальных

ЗS стержней 43 и нажимных гаек 44. Резьбовые гайки 41 приварены к корпусу

32. Через отверстия в корпусе 32 к стержням 43 присоединены электропроводники 38-40, Снаружи от электровводов отходят при коаксиальных радиочастотных кабеля к вторичному прибору (не показаны), Вторичный прибор является автоматическим уравновешенным трансформаторным мостом с аналоговым или цифровым выходом, предназначенным для точного измерения разности емкостей конденсаторов, составленных из пластин 25-27 и 25-28.

Иост 45 (фиг. 6) состоит из плече50 вого трансформатора 46 напряжения, на пер вичную обмот ку 47 которого подается питающее напряжение частотой

1 кГц. С вторичной, синфазно включенной, мупьтифилярной обмотки 48, одинаковые напряжения подаются по коаксиальным кабелям через соответствующие электровводы на параллельно вклю854 6 ченные пластины 27 и 28, Пластины 25, являющиеся общими и для конденсаторов 49 и 50 подключены через соответствующие электроввод и коаксиальный кабель в диагональ моста, Сюда же подключены фаэочувствительный селективный усилитель (фСЦ) 51, уравновешивающий конденсатор 52 и уравновешивающий резистор 53, Последние вторыми концами подключены к контактам

54 и 55 реле 56 и 57, с помощью которых выполняется переключение моста на режим прямого или обратного течения исследуемой среды в щелевых каналах датчика 2. В цепи катушек реле 56 и 57 включены микропереключатели 22 и 23.

Блок ФСУ 51 (фиг, 6) подключен к схеме управления уравновешивающим конденсатором 52 и уравновешиваю им резистором 53, а также к блоку 58 индикации результатов измерений. Реле

56. и 57 своими контактами 59 и 60 подключены к блоку 61 электронного счетчи ка времени для его включения в режим счета времени, остановки этого режима, переписи результатов измерений времени в ячейки памяти с последующей индикацией, и сброса счетных декад на нулевые показания, в результате чего они вновь подготавливаются для счета времени.

В пластинах 50 датчика 2 выполнены отверстия 62 для заполнения пространства между корпусом 32 и пластинами

30 и 33 измеряемой средой с целью разгрузки их от давления. Приемная камера 1, датчик 2 и поршневой насос 3 термостатируются.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При постоянной температуре датчика

2 и отсутствии измеряемой среды (т.е. в вакууме, или в воздухе), емкости конденсаторов, составленных иэ плас тин 25-27 и 25-28 одинаковы, Вторичный прибор при равновесии трансформаторного моста 45 и нулевой емкости уравновешивающего конденсатора 49 индицирует нулевые показания.

Устройство подготавливается к измерениям. Приемная камера 1, датчик 2 и поршневой насос 3 заполняются исследуемой средой и продуваются с помощью вентилей 11 и 21, Для этого включается электродвигатель 9, который с помощью редукторов 7 и 8 перемещает шток 6, сочлененный с поршнем 5. Последний перемещается в

1000854 цилиндре 4, прокачивая тем самым исследуемую среду через датчик 2.

После такого заполнения исследуемой средой последняя остается неподвижной в щелевых каналах датчика 2 ° Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды, также как и другие ее физические параметры при постоянных давлении и температуре неизменны.

Вследствие этого емкости конденсаторов, составленных из пластин 25-27 и 25-28 одинаковы, и трансформаторный мост, находясь в равновесии при нулевой емкости уравновешивающего конденсатора 49, также индицирует нулевые показания.

Для измерений включается электродвигатель 9 и поршневой насос 3 прокачивает исследуемую среду через датчик 2, перемещая ее в щелевых каналах 20 последнего периодически вперед и назад.

Время каждого перемещения поршня

5 выбирается из условия обеспечения ламинарного режима движения исследуемой среды в цилиндре 4. Для этого на зубчатом редукторе 8 может изменяться передаточное число. Поток измеряемой среды из приемной камеры

1 входит в щелевые каналы между пла- зе стинами 25-29. Последние четыре пластины, т.е. 26-29 установлены последовательно по ходу потока. Поток входит также в щелевые каналы между пластинами 26-29 и заземленными пласти35 нами 30. В этих узких щелях устанавливается ламинарный режим течения с вя зкостным трением. Максимально возможная скорость течения среды s щелевых каналах датчика должна соответ- о ствовать предельному значению критерия Рейнольдса дпя сохранения ламинарности потока в щелях. Однозначное определение скорости течения среды в щелях равно скорости движения поршня

5, которая может быть определена путем деления строго фи ксированного пути перемещения поршня 5 от начального до конечного положений на время его перемещения. Последнее отсчиSO ,тывается по электронному счетчику 61 времени фиг.6), который включается для счета времени и останавливается контактами 59 и 60 реле 56 и 57. Реле переключаются с помощью ми кропереключателей 22 и 23, управляемых толка- телем 24, укрепленном на штоке 6. Положение микропереключателей 22 и 23, соответствующее состояниям переключения, устанавливается при наладке устройства и должно соответствовать начальному и конечному положениям поршня

5. Равенство скорости движения исследуемой среды в щелевых каналах между пластинами 25, 30 и 26-29 и в цилиндре

4 достигается идентичностью площадей поперечного сечения цилиндра 4 и всех, щелевых каналов датчика 2. При движении исследуемой среды в щелевых каналах на начальном участке между пластинами 25 и

26 > а также 30 и 26, происходит нелинейное изменение давления за счет имеющихся потерь давления на входе. Затем режим движения стабилизируется и по толщине зазора устанавливается параболическое распределение скорости потока, Длина пластин 26 выбирается по предельной величине критерия Рейнольдса.

Стабилизированный ламинарный поток поступает на участки щелей между пластинами 25-27, 25-28 и соответственно 30-27, 30-28.Здесь имеет место линейное изменение давления текущей среды, описываемое законом Пуазейля.

Суммарный перепад давлений, возникающий на длине пластин 27 и 28, пропорционален коэффициенту динамической вязкости измеряемой среды при постоянной и известной скорости. Благодаря наличию перепадов давлений на этих пластинах, в щелях между ними (т.е. пластинами 25-27, 25-28 ) устанавливаются неодинаковые средние давления.

Причем среднее давление на пластине

27 больше, чем среднее давление на пластине 28. Этим средним давлениям соответствуют неодинаковые средние плотности и диэлектрические проницаемости в конденсаторах 49 и 50,составленных иэ пластин 25-27 и 25-28 °

Средняя диэлектрическая проницаемость в конденсаторе 49 из пластин 2527 больше, чем в конденсаторе из пластин 25-28. Соответственно увеличивается емкость конденсатора 49 иэ пластин 25-27, расположенного первым по направлению движения ламинарного потока, по сравнению с емкостью конденсатора 50 иэ пластин 25-28, размещенного вторым в потоке.

Вследствие возникшей разности емкостей этих конденсаторов нарушается баланс трансформаторного моста 45, в плечи которого включены емкости

49 и 50. Разность емкостей конденсаторов из пластин 25-27и 25-28 компенсируется увеличениемемкости уравновешиваю1 000

Формула изобретения

9 щего конденсатора 52, управляемом блоком 51, который после завершения 1балансировйи моста, индицирует результат измерений. Для такой балансировки трансформаторного моста уравновешивающий конденсатор 52 должен быть подключен контактом 55 реле 57 к конденсатору 50 из пластин

25-28, имеющему меньшую емкость, Это достигается тем, что при течении из- 10 меряемого потока в прямом направлении микропереключатель 22 находится в включенном состоянии, а микропереключатель 23 — отключен. При балансировке трансформаторного иоста изие->> нение проводимостей проточных измерительных конденсаторов 49 и 50 иа пластин 26-27 и 25-28 компенсируется уравновешивающим резистором 50, На концевом участке щелей между пластинами 20

2Д-29 и 30-29 имеет место нелинейное изменение давления текущей среды за счет выходных потерь.

После окончания перемещения поршня 5 в цилиндре 4 в прямом направле- 2s нии, микропереключатели 22 и 23 под воздействием толкателя 24 изменяют свое состояние так, что переключатель

22 отключается, а переключатель 23 включается. Это вызывает переключение З0 реле 56 и 57. Последнее переключает уравновешивающие конденсатор и резистор 53 и 54 от измерительного конденсатора 50 к конденсатору 49, подготовив тем самым трансформаторный иост

45 к новому циклу измерений. Кроме того, реле 56 и 57 контактами 59 и 60 управляют блоком электронного счетчика времени так, что он завершает счет времени, переводит измеренное значение времени в память и на индикацию, сбрасывает счетчик на нуль и, тем саиым подготавливается к новоиу циклу измерений. При обратном движении поршня 5 проходят аналогичные про4 цессы. В каждом цикле измерений с блока 45 индикации трансформаторного моста отсчитывают измеренное значение коэффициента динамической вязкости, а с блока 61 электронного счетчика

50 времени точное значение времени измерений в секундах, которое входит в поправку, уРочняющую измеренное значение вязкости. Такие измерения выполняют при прямом и обратном ходе поршня 5. Из двух отсчитанных резуль- татов измерений определяется среднеарифметическое значение коэффициента вязкости исследуемой среды„ При не854

l0 обходииости получения более точных значений вязкости проводят серию циклов с расчетом среднестатических величин. По окончании измерений устрой ст во опоражняется, промы вается и подготавливается к новым измерениям.

При необходимости постоянного измерения вязкости исследуемой среды от датчика 2 вискозииетра отсоединя- ется поршневой насос 3, и к датчику

2 на фланцах присоединяется отводящий трубопровод, скорость течгчия потока в котором должна быть точно известна. Устройство в этом случае будет измерять данную реологическую характеристику непрерывно.

В случае измерения вязкости газов и газовых смесей, в щелевых каналах ди эл ь комет ри чес ко го дат чи ка и ме ет место дросселИрование и соответствующее изменение плотности и давления газа по длине пл асти н и эмери тел ьных конденсаторов. Последнее учитывается поправкой к расчетной фориуле градуировки устройства, по которой рассчитывается шкала прибора.

Предлагаемое устройство обеспечивает измерение такой реологической хар а ктери сти ки среды как динами ческая вязкость в широком диапазоне значений с большой точностью.

Кроие того, обеспечивается возможность ступенчатого или плавного изменения пределов измерений вязкости на шкале прибора за счет подключений к уравновешивающему конденсатору 52 постоянных и переменных добавочных конденсаторов, выбранных с соответствующими значениями.

Предлагаемое устройство позволяет также автоматизировать процесс измерений, соадает возможность его подключения непосредственно к технологической линии или трубопроводу подачи измеряемой среды.

Устройство для измерения реологических характеристик материалов, содержащее чувствительный элемент в виде системы каналов, поршень со штоком для продавливания исследуемого материала через Каналы и измеритель" ную систему, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности и автоматизации измерений, оно дополнительно содержит электро11 1000854 l2 контакты с возможностью взаимодейст- диагональ посредством релейного вия со штоком поршня, каналы обра- переключателя - уравновешивающие зованы пластинами плоских многollllal» резистор и конденсатор, при этом рестинчатых конденсаторов, размещенных лейный переключатель соединен с элекпоследовательно и имеющих одну об- з троконтактами. щую пластину, и расположены по направлению хода поршня, а измеритель- И сточни ки информации, ная система выполнена в виде транс- принятые во внимание при экспертизе форматорного моста с уравновешива- 1. Авторское свидетельство СССР ющйм конденсатором, уравновешивающим >o t 547682, кл. G 01 N !1/06, 1975. резистором и релейным переключателем, 2. Авторское свидетельство СССР причем в плечи трансформаторного мое- И 758837, кл. G 0 1 и 11/04, 1979 та подключены конденсаторы, а в его (прототип) .

1000854

1000854

ЮиФ 8

1000854

1000854 цЕ.

Составитель В.филатова

Редактор О. Сопко Техред Ж. Кастелевич Корректор И.Коста

Заказ 1368/44 Тираж 8 1 Подпи сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, „д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4