Ротационный вискозиметр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 93 А 1 Х 11 14 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 25 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Специальное конструкторское бюро биологического приборостроения АН СССР (53) 539.137 (088.8)(56) 1. Г 1 одрпд М, 6., Веа 1 з 1. М У,ек. Ье 1 1 пз 1 г, 1971, 42,10, 1455-1457.2. Авторское свидетельство СССР779862, кл. б 01 М 11(24, 1976 (прототип) . (54) (57) РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР, содержащий магнитодинамический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора, вискозиметрическую камеру, установленную на одной вертикальной оси с сердечником соленоида, в которой расположен ротор с укрепленным в нем сердечником, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения вязкости и упрощения эксплуатации вискозиметра, сердечник ротора расположен в его верхней части, а внскозиметрическая камера укреплена под сердечником соленоида, причем датчик положения ротора представляет собой две включенные по дифференциальной схеме тороидальные катушки индуктивности, расположенные на внешней оболочке вискозиметрической камеры симметрично относительно сердечника ротора и окруженные вместе с сердечником ротора экраном, ослабляющим вращающееся магнитное поле привода вращения, е10 15202530354045 воспроизводимость результатов измерения из-за изменения рабочего зазора между ротором и оболочкой вискозиметрической камеры.Плоская катушка индуктивности датчика положения расположена на внутренней оболочке вискозиметрической камеры. Тепловые возмущения, возникающие при работе катушки, попадают в вискозиметрическую камеру, снижая точность термостатирова 50 55 Изобретение относится к устройствам для измерения вязкости жидкости, в частности к ротационным вискозиметрам с безопорно подвешенным в вискозиметрической камере ротором.Известен магнитный плотном ер-вискозиметр, в котором вискозиметрическая камера расположена между двумя соленоидами с воздушными сердечниками. Третий, дополнительный соленоид с воздушным сердечником, расположен внутри верхнего соленоида, Ротор представляет собой цилиндр из электропроводного материала, в нижней части которого укреплен сердечник из магнитомягкого материала (феррита). Плоская катушка датчика положения укреплена непосредственно на внутренней оболочке вискозиметрической камеры 11.Так как сердечник ротора из магнито.мягкого материала располагается в его нижней части, то центр приложения сил к ротору со стороны магнитного подвеса находится ниже центра тяжести ротора. При этом вес ротора и сила, приложенная к ротору со стороны магнитного подвеса, направлены навстречу друг другу, что обеспечивает неустойчивое равновесие ротора. Поэтому для обеспечения его устойчивого вращения требуется тщательная балансировка ротора и юстировка магнитной системы,состоящей из трех соленоидов, что сложно при изготовлении и эксплуатации вискозиметра.Магнитодинамический подвес вискозиметра не обеспечивает подъемной силы, достаточной для подвеса ротора в газе из-законструктивного расположения соленоидовнотносительно вискозиметрическои камеры и применения соленоидов с воздушным сердечником, что не позволяет измерять вязкость газов или маловязких жидкостеи с небольшой плотностью, таких, например, как сжиженные газы.Исполнительный элемент магнитодинамического подвеса, магнитомягкий сердечник ротора, окружен цилиндром из электро- проводного материала, на который действует вращающееся магнитное поле привода вращения. Это поле действует также и на сердечник ротора, вызывая его горизонтальные колебания при недостаточной соосности ротора и привода вращения. Горизонтальные колебания ротора ухудшают ния, а следовательно и точность измерения.Кроме того, при изменении температуры тер.мостатирования параметры катушки изменяются, что приводит к изменению положения ротора. Изменение положения ротораснижает воспроизводимость результатов измерения и требует дополнительной подстройки магнитодинамического подвеса длявозвращения ротора в исходное положение.Такая подстройка при переходе от однойтемпературы термостатирования к другойусложняет эксплуатацию вискозиметра.Вращающееся магнитное поле, создаваемое приводом вращения, вносит возмущение в работу катушки индуктивности датчика положения, Эти возмущения являютсядестабилизирующими факторами при работе магнитодинамического подвеса вискозиметра, что усложняет его настройку и требует подстройки при переходе от одной скорости вращения магнитного поля приводак другой при измерении вязкости на различных скоростях деформации. Эта дополнительная подстройка при переходе от одной скорости деформации к другой усложняет эксплуатацию вискозиметра.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ротационный вискозиметр, содержащий магнитодинамический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора,вискозиметрическую камеру, установленнуюна одной вертикальной оси с сердечникомсоленоида, в которой расположен ротор, сукрепленным в нем сердечником 2.Однако известный вискозиметр работаеткогда ротор имеет небольшую положительную плавучесть, Поэтому для измерениявязкости жидкости с различными плотностями необходимо для жидкостей с отличающимися плотностями проводить предварительную регулировку веса ротора наположительную плавучесть и установку ротора в исходное положение регулировкойпараметров магнитодинамического подвеса вискозиметра, Это усложняет эксплуатацию вискозиметра и увеличивает время эксперимента.Расположение магнитодинамического под.веса относительно вискозиметрической камеры и конструкция ротора вискозиметра,не позволяют проводить на данном вискозиметре измерения вязкости газов и маловязких жидкостей с небольшой плотностью,таких, например, как сжиженные газы, таккак не обеспечиваетсаподвес ротора в газе,Цель изобретения - расширение диапазона измерения вязкости за счет снижениянижней границы диапазона и упрощение эксплуатации вискозиметра.Поставленная цель достигается тем, что в ротационном вискозиметре, содержащем магнитодинамический подвес, состоящий из соленоида с сердечником из магнитомягкого материала, датчика положения и регулятора положения ротора, привод вращения ротора, вискозиметрическую камеру, установленную на одной вертикальной оси с сердечником соленоида, в которой расположен ротор с укрепленным в нем сердечником, сердечник ротора расположен в его верхней части, а вискозиметрическая камера укреплена под сердечником соленоида, причем датчик положения ротора представляет собой две включенные по дифференциальной схеме тороидальные катушки индуктивности, расположенные на внешней оболочке вискозиметрической камеры симметрично относительно сердечника ротора и окруженные вместе с сердечником ротора экраном, ослабляющим вращающееся магнитное поле привода вращения.На чертеже представлен ротационный вискозиметр, общий вид.Ротационный вискозиметр содержит ротор 1, полностью погруженный в исследуемую жидкость или газ 2, в нижней части ротора 1 укреплен цилиндр 3 из электропроводного материала, в верхней части ротора 1 укреплен сердечник 4 из магнитомягкого материала, цилиндр 3 и сердечник 4 соединены между собой втулкой 5 из неэлектропроводного материала с отверстием 6, элементы ротора окружены прозрачной химически стойкой оболочкой 7, исследуемая жидкость (или газ) 2 и безопорно подвешенный в ней ротор 1 расположены в рабочем объеме вискозиметрической камеры 8, состоящей из верхнего основания 9, нижнего основания 10, пробки 11 с прижимным устройством, внутренней оболочки 12 и внешней термостатирующей оболочки 13; сердечник 4 ротора из магнитомягкого материала при рабочем положении ротора рас-, положен симметрично относительно осей симметрии О и О двух тороидальных катушек 14 индуктивности, расположенных на внешней термостатирующей оболочке 13 вискозиметрической камеры 8; катушки 14 входят в мост индуктивности, соединенный с регулятором 15 положения ротора, выход которого соединен с катушкой соленоида 16, соленоид содержит магнитомягкий сердечник 17, на одной вертикальной оси с которым и под ним укреплена вискозиметрическая камера 8; на вискозиметрической камере 8 укреплены также фланец 18 с заправочными капиллярами 19 (на чертеже показан один капилляр) и трубками 20 для подвода термостатирую щей жидкости (на чертеже изображена одна трубка), в верхнем основании укреплен термометр 21 сопротивлений, на внешней термостатирую шей оболочке 13 укреплено кольцо 22 со световодом 23, линзой 24, фототриодом 25 и экраном 26, окружающим катушки 14 индуктивности и верхнюю часть ротора с сердечником 4; нижняя часть вискозиметрической камеры 8 погружена в кронштейн 27 привода вращения; на кронштейне 27 расположены постоянные магниты 28, причем цилиндр 3 ротора в рабочем положении ротора располагается симметрично относительно горизонтальной оси симметрии постоянных магнитов 28 привода вращения, кронштейн 27 соединен с двигателем 29, например шаговым. 5 О 5 Устройство работает следующим образом Вискозиметрическая камера 8 через заправочные капилляры 19 заполняется исследуемой жидкостью (или газом) 2. В рабочем режиме ротор 1 безопорно подвешивается в заданном положении при помощи магнитодинамического подвеса. При перемещении ротора 1 в вертикальном направлении сердечник 4 ротора из магнитомягкого материала смещается из положения, симметрично относительно дифференциально включенных катушек 14 индуктивности.Смещение сердечника 4 относительно катушек 14 индуктивности вызывает появле-, ние сигнала разбаланса с измерительной диагонали моста индуктивности. Этот сигнал подается на регулятор 15 положения ротора, который изменяет ток в соленоиде 16 так, чтобы, воздействуя на сердечник 4 ротора и возвращая ротор 1 в исходное положение, свести сигнал разбаланса к нулю, тем самым ротор 1 поддерживается в постоянном положении. 20 25 30 35 Вращение ротора обеспечивается приводом вращения ротора. Шаговый двига тель 29 вращает кронштейн 27 с укреплен ными на нем магнитами 28. Вращение постоянных магнитов 28 создает вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле возбуждает в цилиндре 3 из электропроводного материала вихревые токи, магнитное поле которых, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, приводит цилиндр 3 и соединенный с ним ротор 1 во вращение (т, е. вращение цилиндра обеспечивается по принципу вращения ротора асинхронного электродвигателя) . Ротор 1 50 вращается с постоянной скоростью, когдамомент сил трения пропорциональный изме 4нряемои вязкости жидкости (или газа), уравновешивается моментом сил, возбуждаемых в цилиндре 3 вращающимся магнитным полем, при этом период вращения ротора пропорционален измеряемой вязкости.Период вращения ротора 1 измеряетсяследующим образом.Световой поток от источника света (на чертеже не показан) проходит через световод 23, фокусируется линзой 24 на отверстии 6. После отверстия 6 сфокуированныйсветовой поток попадает на фототриод 25, возбуждая в нем электрический ток.При вращении ротора световой потокпериодически прерывается, изменяя при этом амплитуду тока с фототриода 25. Блок измерения периода вращения ротора (на чертеже не указан) измеряет период следования импульсов с фототриода 25, тем самымизмеряется период вращения ротора 1, Задание и поддержание необходимой температуры исследуемой жидкости обеспечивается термостатируюшей жидкостью, которая прокачивается внешним термостатом (на чертеже не указан) через трубки 20 между внутренней оболочкой 12 и внешней термостатируюшей оболочкой 13.Температура термостатируюшей жидкости в вискозиметрической камере измеряется термометром 2 сопротивлений.Для обеспечения сборки вискозиметрической камеры 8 и технической замены ротора 1, например при его разрушении, в 10 15 20 нижнем основании 10 вискозиметрической 25 камеры имеется отверстие, которое закрывается и герметизируется пробкой 11.В предлагаемом вискози метре вискозиметрическая камера 8 укреплена под сердечником 17 соленоида 16 на одной с ним вертикальной оси. Сердечник 17 из магнитомягкого материала увеличивает подьемную силу соленоида 16. Ротор 1, расположенный в вискозиметрической камере 8, в рабочем положении подвешивается по вертикальной оси вискози метрической камеры, совпадающей с осью сердечника 17 соленоида. Так как сердечник 4 ротора находится в его верхней части, т. е. максимально приближен к сердечнику 17 соленоида 16, то центр приложения силы со стороны магнитодинамического подвеса на сер дечник 4 ротора находится выше центра тяжести ротора и на одной с ним вертикальной оси. При этом сила тяжести и сила, действующая на ротор со стороны магнитодинамического подвеса, направлены в раз ные стороны, что обеспечивает устойчивый подвес ротора в стационарном режиме (т.е.без вращения). Так как сердечник 4 ротора 1 конструктивно максимально приближен к сердечнику 17 соленоида, то в точке его подвеса на него действует максималь ная подъемная сила соленоида, направленная вертикально вверх, что улучшает динамические характеристики магнитодинамического подвеса.Геометрические размеры ротора 1 и вес его частей подобраны таким образом, что его общий вес больше веса вытесненной им исследуемой жидкости при любой ее плотности, Поэтому при любой плотности жидкости подъемная сила соленоида направлена вверх.Симметричное расположение сердечника 4 ротора относительно осей симметрии О и О катушек 14 индуктивности, включенных по дифференциальной схеме, обеспечивает при изменении положения ротора максимальный сигнал разбаланса, что повышает коэффициент усиления системы магнитодинамического подвеса, а следовательно, обеспечивает стабильный подвес ротора в вертикальном направлении в стационарном режиме.Кроме того, катушки 14 индуктивности и сердечник 4 ротора окружены экраном 26, который является магнитопроводом соленоида 16. Экран 26, являясь магнитопроводом, концентрирует магнитный поток соленоида 16, что увеличивает подъемную силу,ф,Конструктивное решение магнитодинамического подвеса и ротора предлагаемого вискози метра обеспечивает подъемную силу и параметры системы регулирования магнитодинам ического подвеса, позволяющие получить стабильный подвес ротора в постоянном положении в вискозиметрической камере при стационарных условиях (т. е. без вращения ротора), заполненной исследуемой жидкостью с любой плотностью или газом.В описываемой конструкции вискозиметра магнитомягкий сердечник 4 ротора 1, расположенный в его верхней части, удален от электропроводного цилиндра 3, расположенного в его нижней части. Это ослабляет воздействие врашаюшегося магнитного поля на сердечник 4 ротора, так как напряженность магнитного поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.Для устранения влияния врашаюшегося магнитного поля привода вращения вискозиметра на датчик положения, датчик положения ротора выполнен в виде двух тороидальных катушек 14 индуктивности, расположенных на внешней термостатируюшей оболочке 13, рядом одна с другой и включенных по дифференциальной схеме навстречу друг другу. Так как катушки 14 индуктивности укреплены рядом одна с другой, то возмущающее воздействие со стороны врашающегося магнитного поля привода оказывает практически одинаковое влияние на каждую из катушек 14. Это вызывает появление одинаковых сигналов на каждой из них, которые взаимно компенсируются, так как катушки 14 включены навстречу друг другу по дифференциальной схеме. Дифференциальное включение катушек 14 устраняет также влияние других возмушаюших факторов на стабильное положение ротора, таких, например, как изменение1104393 Составитель Л.МакальскийТехред И. Верес Корректор А. ЧерниТираж 823 ПодписноеГосударственного комитета СССРелам изобретений и открытийсква, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 едактор Анд. Шандораказ 500(29ВНИИПпо113035, МФилиал ППП температуры термостатирования или измение температуры окружающей среды.Расположение катушек 14 индуктивности на внешней термостатирующей оболочке 13 устраняет воздействие тепловыделения, возникающего на катушках 14 индуктивности при их работе, на точность термостатирования исследуемой жидкости 2. Это обеспечено тем, что тепловой поток, выделяемый катушками, полностью отводится термостатирующей жидкостью.Для уменьшения влияния вращающегося магнитного поля привода на катушки 14 датчика положения и сердечник 4 ротора 1 они окружены со стороны магнитов 28 привода вращения непроницаемым для вращающегося магнитного поля привода вращения экраном 26, который одновременно является магнитопроводом магнитодинамического подвеса.Таким образом, в предлагаемом вискозиметре обеспечен стабильный подвес ротора в вискозиметрической камере при вращении ротора как в исследуемой жидкости, так и в газе, что позволяет измерять вязкость исследуемых жидкостей и газов,Вискозиметр может быть применен дляизмерения малых изменений вязкости (порядка 10Па) слабоконцентрированных растворов биополимеров по отношению к 5 вязкости растворителя, что важно при биохимических исследованиях для определения массы и форм ы биомакромолекул, Кроме того, вискозиметр может быть применен для определения вязкости маловязких жидкостей и газов в диапазоне 10 в - 10 Па и малых изменений вязкости в диапазоне 10 в - 10Па при изменении воздействующих на жидкость или газ факторов, например, таких как температура (на жидкость), давление (на газ) или концентрация (на раствор). Преимущество предлагаемого вискозиметра по сравнению с известным заключается в расширениириапазона измерения вяз 20кости до 108 - 10 Па против 10- 10 Па в известном устройстве.Кроме того, предлагаемый вискозиметрболее прост в эксплуатации, так как не тре бует дополнительной подстройки положения ротора в процессе измерения.