Устройство для измерения реологических характеристик материалов

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик(51)М. Кл, С 01 й 11/00 Гееударетееееы квинтет СССР вв девам пебретеек н етерытий) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ра, возможност строя при его Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано при измерении реологических характеристик материалов, в частнос 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 жидкост О вязкости жидкости судят по перепаду давлений на концах капилляра ( 1 )Недостатком данного устройства яв ляется трудность выбора капилляра с постоянным внутренним диаметром по всей его длине, необходимость тщательного и точного измерения внутрен него размера капилля ьвыхода капилляра иззасорении,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для измерения реологических характеристик материалов, содержа.щее чувствительный элемент, состоящий из нескольких капиллярных трубок,.которые установлены в отверстиях стенки цилиндра на различных уровнях,перпендикулярно 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,озаполнения исследуемых материалов капиллярных трубок при прохождении вцилиндре поршня. Однако этим устройством невозможно измерять с необходимой точностью жидкие материалы и1000854ие.Составитель В.филатова Редактор О,Сопко Техред Ж.Кастелевич Корректор И.Коста Заказ 1368/44 Тираж 871 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб,д, 4/5филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 1000853газы, так как регистрация длины заполнения капилляров производится визуально. Кроме того, устройство непозволяет автоматизировать процессизмерений,5Цель изобретения - повышение точности и автоматизации измерений,Поставленная цель достигается тем,что устройство для измерения реологических характеристик материалов, 10содержащее чувствительный элемент авиде системы каналов, поршень со штоком для продавливания исследуемогоматериала через каналы и измерительную систему, дополнительно содержит 5электроконтакты с возможностью их взаимодействия со штоком поршня, каналы образованы пластинами плоскихмногопластинчатых конденсаторов, размещенных последовательно и имеющиходну общую пластину, и расположеныпо направлению хода поршня а измерительная система выполнена в видетрансформаторного 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, приэтом релейный переключатель соединенс электроконтактами.На фиг. 1 изображена общая схемаконструкции; на Фиг. 2 - датчик Уст 35ройства, разрез, вид сбоку; на фиг.3 корпус датчика, вид сверху; на фиг,4 сечение проточного канала датчика;на фиг. 5 - датчик устройства, разрез, вид сбоку; на Фиг. 6 - схема из,"мерительного трансформаторного мостана фиг. 7 - схема одиночного щелевого проточного канала датчика устройства и график изменения давления материала по его длине,45Устройство (фиг. 1) состоит изприемной камеры 1, диэлькометрического датчика 2, поршневого насоса 3,который содержит цилиндр 4, поршень5, шток 6 с зубчатой рейкой. Устрой 50ство содержит также червячно-реечныйредуктор 7 и зубчатый редуктор 8,посредством которых шток 6 соединенс 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 камеры1 при замене исследуемого материала.Камера 1 фланцами 12 соединяется сдиэлектрическим датчиком 2, Цилиндр4 поршневого насоса 3 Фланцами 13соединен с датчиком 2 и со станиной14 червячно-реечного редуктора 7. Встанине 14 укреплен центрирующий подшипник 15 для штока 6, по длине которого выполнен продольный паз 16, служащий для фиксации штока 6 от осевого вращения. Фиксация осуществляетсяс помощью специального зуба (не показан), установленного в центрирующемподшипнике 15. На станине 14 укреплены червячно-реечный редуктор 7, зубчатый редуктор 8 и электродвигатель9. Поршень 5 содержит две центральные шайбы 17 и 18, между которыми зажато с помощью винтов 19 уплотнениена фторопласте 20, К цилиндру 4 подключен вентиль 21 для опорожнения ипродувки,На станине 14 укреплены,два концевых микропереключателя 22 и 23, которые срабатывают от соприкосновения столкателем 24 укрепленным на штоке6. Датчик 2 (фиг. 2) состоит из плоских пластин 25-30, размещенных в прямоугольных вырезах фланцев 31, приваренных к цилиндрическому корпусу 32датчика. Пластины 25-29 со всех сторон покрыты электроизоляционным слоем с малыми электропроводностью исмачиваемостью (например, фторопластом), Все пластины выполняют из нержавеющей стали, Пластины 25-29 размещенытак, что образуют плоские длинныещели, в которых устанавливается ламинарный режим течения измеряемой среды, прокачиваемой через эти щелипоршневым насосом 3,В прямоугольных вырезах фланцев31 размещены несущие пластины 33,имеющие с внутренней, обращенной кпотоку стороны, предельные лазы 34,в которые плотно вставлены плоскиепластины 25-29, покрытые фторопластоми, тем самым, электрически изолированные от заземленных несущих пластин 33. На узких гранях пластин 33выполнены пазы 35, в которые уложены металлические пластины 30, плотноприкрепленные (например, пайкой) кпластинам 33. Пластины 25-29, 30 и 33удерживаются во фланцах 31 от продольного смещения фторопластовыми прокладнами 36 (Фиг. 2) и фланцами 12 фиг,1),имеющими также прямоугольные вырезы,5 1000но меньших размеров, чем прямоугольные вырезы во фланцах 31.Пластины 26 (фиг. 2) имеют длину, достаточную для стабилизации ламинарного режима потока при выбранной скорости тецения и заземлены.Аналогично пластины 29 имеют длину,достаточную для исключения потерь давления на выходе и также заземлены.Пластины 27 и 28 имеют одинаковую длинену. На них имеет место линейное падение давления измеряемой среды засчет вяэкостного трения. Пластины 2527 и 25-28 образуют два последовательно размещенные в потоке конденсатора. 15Пластины 25 для них являются .общими.Пластины 27 и 28, а также 26 и 29 размещены в поперечном сечении датчикапопеременно с пластинами 25, Все пластины 26 и 29 электрически соединены 20между собой и с корпусом 32, Аналогично все пластины 251 27 и 28 электрически соответственно соединены между собой. Для такого соединения в несущих пластинах 33 имеются поперечные 25пазы 37., Концы пластин, выходящие изпродольных пазов 34 в поперечные пазы 37, освобождены от фторопластовойпленки и к ним присоединены (например, пайкой) электропроводники 38-40, зосоответственно к параллельным пластинам 25, 27 и 28. Эти проводникиподключены к трем электровводам, состоящим из реэьбовых гаек 41, фторопластовых уплотнений 42, коаксиальных35стержней 43 и нажимных гаек 44. Резьбовые гайки 41 приварены к корпусу32. Через отверстия в корпусе 32 кстержням 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 цифровымвыходом, предназначенным для точногоизмерения разности емкостей конденсаторов, составленных из пластин 25-27и 25-28,Иост 45 (фиг. 6) состоит из плече 50вого трансформатора 46 напряжения, напервичную обмотку 47 которого подается питающее напряжение частотой1 кГц. С вторичной, синфазно включенной, мупьтифилярной обмотки 48,одинаковые напряжения подаются по коаксиальным кабелям через соответствующие электровводы на параллельно вклю 854еченные пластины 27 и 28, Пластины 25,являющиеся общими и для конденсаторов 49 и 50 подключены через соответствующие электроввод и коаксиальный кабель в диагональ моста, Сюдаже подключены фаэочувствительный селективный усилитель (фСЦ) 51, уравновешиваоций конденсатор 52 и уравновешивающий резистор 53, Последние вторыми концами подключены к контактам54 и 55 реле 56 и 57, с помощью которых выполняется переключение мостана режим прямого или обратного течения исследуемой среды в щелевых каналах датчика 2. В цепи катушек реле 56и 57 включены микропереклюцатели 22и 23,Блок ФСУ 51 (фиг, 6) подключен ксхеме управления уравновешивающим конденсатором 52 и уравновешивающим резистором 53, а также к блоку 58 индикации результатов измерений. Реле56 и 57 своими контактами 59 и 60подключены к блоку 61 электронногосцетчи ка времени для его включения врежим счета времени, остановки этого режима, переписи результатов измерений времени в ячейки памяти с последующей индикацией, и сброса счетных декад на нулевые показания, в результате цего они вновь подготавливаются для счета времени,В пластинах 50 датчика 2 выполненыотверстия 62 для заполнения пространства между корпусом 32 и пластинами30 и 33 измеряемой средой с целью разгрузки их от давления, Приемная камера 1, датчик 2 и поршневой насос 3термостатируются.Предлагаемое устройство работаетследующим образом.При постоянной температуре датчика2 и отсутствии измеряемой среды (т.е.в вакууме, или в воздухе), емкостиконденсаторов, составленных иэ пластин 25-27 и 25-28 одинаковы, Вторичный прибор при равновесии трансформаторного моста 45 и нулевой емкостиуравновешиваоцего конденсатора 49индицирует нулевые показания.Устройство подготавливается к измерениям. Приемная камера 1, датчик 2и поршневой насос 3 заполняются исследуемой средой и продуваются с помощью вентилей 11 и 21, Для этоговключается электродвигатель 9, который с помощью редукторов 7 и 8перемещает шток 6, сочлененный споршнем 5, Последний перемещается вцилиндре 4, прокачивая тем самымисследуемую среду через датчик 2,После такого заполнения исследуемойсредой последняя остается неподвижной в щелевых каналах датчика 2Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды, также как и другие еефизические параметры при постоянныхдавлении и температуре неизменны.Вследствие этого емкости конденса Оторов, составленных из пластин 25-27и 25-28 одинаковы, и трансформаторный мост, находясь в равновесии принулевой емкости уравновешивающегоконденсатора 49, также индицируетнулевые показания,Для измерений включается электродвигатель 9 и поршневой насос 3 прокачивает исследуемую среду через датчик 2, перемещая ее в щелевых каналах 20последнего периодически вперед и назад.Время каждого перемещения поршня5 выбирается из условия обеспечения ламинарного режима движения ис- Иследуемой среды в цилиндре 4. Дляэтого на зубчатом редукторе 8 можетизменяться передаточное число. Потокизмеряемой среды из приемной камеры1 входит в щелевые каналы между пла- зестинами 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 пласти 35нами 30. В этих узких щелях устанавливается ламинарный режим течения связкостным трением. Максимально возможная скорость течения среды в щелевых каналах датчика должна соответ-Оствовать предельному значению критерия Рейнольдса дпя сохранения ламинарности потока в щелях. Однозначноеопределение скорости тецения среды вщелях равно скорости движения поршня455, которая может быть определенапутем деления строго фиксированногопути перемещения поршня 5 от начального до конецного положений на время его перемещения. Последнее отсциЯ,тывается по электронному счетчику 61времени фиг.б), который включается длясчета времени и останавливается контактами 59 и 60 реле 56 и 57. Релепереключаются с помощью микропереключателей 22 и 23, управляемых толка телем 24, укрепленном на штоке б, 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 1,т.е. пластинами 25-27, 25-28 ) устанавливаются неодинаковые средние давления. Причем среднее давление на пластине 27 больше, цемсреднее 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 25- 27 больше, цем в конденсаторе из пластин 25-28. Соответственно увеличивается емкость конденсатора 49 иэ пластин 25-27, расположенного первым по направлению движения ламинарногопотока, 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 25-27 и 25-28 компенсируется увеличениемемкости уравновешиваю.щего конденсатора 52, управляемомблоком 51 который после завершения балансировки моста, индицирует результат измерений. Для такойбалансировки трансформаторного моста уравновешивающий конденсатор 52должен быть подключен контактом 55реле 57 к конденсатору 50 из пластин25-28, имеющему меньшую емкость, Этодостигается тем, что при течении измеряемого потока в прямом направлении микропереклюцатель 22 находитсяв включенном состоянии, а микропереключатель 23 - отключен. При балансировке трансформаторного мОста изменение проводимостей проточных измерительных конденсаторов 49 и 50 иа пластин 26-27 и 25-28 компенсируется уравновешивающим резистором 50, На концевом участке щелей между пластинами 202 Ди 30-29 и меет место нели нейноеизменение давления текущей среды засчет выходных потерь,После окончания перемещения поршня 5 в цилиндре 4 в прямом направлении, микропереклюцатели 22 и 23 подвоздействием толкателя 24 изменяютсвое состояние так, что переключатель22 отключается, а переключатель 23включается. Это вызывает переключениез 0реле 56 и 57, Последнее переключаетуравновешивающие конденсатор и резистор 53 и 54 от измерительного конденсатора 50 к конденсатору 49, подготовив тем самым трансформаторный мост45 к новому циклу измерений. Кроме того, реле 56 и 57 контактами 59 и 60управляют блоком электронного счетчика времени так, цто он завершаетсчет времени, переводит измеренноезначение времени в память и на индикацию, сбрасывает счетчик на нуль и,тем самым подготавливается к новомуциклу измерений, При обратном движении поршня 5 проходят аналогичные про 4цессы, В каждом цикле измерений сблока 45 индикации трансформаторногомоста отсчитывают измеренное значениекоэффициента динамической вязкости,а с блока 61 электронного счетчика50времени точное энацение времени измерений в секундах, которое входитв поправку, уРочняющую измеренное значение вязкости, Такие измерения выполняют при прямом и обратном ходепоршня 5. Из двух отсчитанных резуль. ффтатов измерений определяется среднеарифметическое значение коэффициентавязкости исследуемой среды При необходимости получения более точных значений вязкости проводят серию циклов с расчетом среднестатических величин. По оконцании измерений устрой ст во опоражняется, промы вается и подготавливается к новым измерениям.При необходимости постоянного измерения вязкости исследуемой среды от датчика 2 вискозиметра 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 диэлькометрицеского датчика имеет место дросселИрование и соответствующее изменение плотности и давления газа по длине пластин измерительных конденсаторов, Последнее учитывается поправкой к расчетной формуле градуировки устройства, по которой рассчитывается шкала прибора,Предлагаемое устройство обеспечивает измерение такой реологицеской характеристики среды как динамическая вязкость в широком диапазоне значений с большой тоцностью.Кроме 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.Формула изобретенияУстройство 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 электро 11 1000854 12 контакты с возможностью взаимодейст- диагональ посредством релейного вия со штоком поршня, каналы обра- переключателя - уравновешивающие зованы пластинами плоских многопла- резистор и конденсатор, при этом рестинчатых конденсаторов, размещенных лейный переключатель соединен с элекпоследовательно и имеющих одну об- з троконтактаьи . 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 3 орматорного моста с урэвновешива. Авторское свидетельство СССР ющйм конденсатором, уравновешивающим 10 У 547682, кл. С 01 й 1/06, 1975. рези старом и релей ным пере ключателем2. Авторское свидетельство СССР причем в плечи трансформаторного мое- И 758837, кл. С 01 й 11/04, 1979 та подключены конденсаторы, а в его (прототи п .