Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости в трубопроводах

Устройство предназначено для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости в трубопроводах технологических линий, в частности, в процессе контроля производства олифы, пентафталевых и глифтадевых лаков. Вязкость и плотность жидкости измеряют в потоке жидкости, перемещающейся с заданной постоянной объемной скоростью через измерительную трубу, в которой соосно закреплена измерительная капсула. Вязкость жидкости измеряют путем передачи давления жидкости на передний сферический обтекатель измерительной капсулы. Усилие давления от обтекателя через жестко связанный с ним толкатель передается на донышко стакана, вызывая упругую деформацию тонких стенок стакана. На внешней поверхности стенок стакана специальным тензометрическим клеем наклеены три полупроводниковых тензорезистора из кремния с золотыми концами, причем, тензорезистор R_x наклеен вдоль стенки стакана, а два тензорезистора R₂ и R₃ наклеены в поперечном направлении. Тензорезистор R_x воспринимает продольное усилие совместно с упругой деформацией стенки стакана, а резисторы R₂ и R₃ нечувствительны к деформации, поскольку они наклеены в поперечном направлении к действию приложенной силы. Такая схема позволяет производить измерения в широком диапазоне температур, поскольку, при изменении температуры, если температура всех трех резисторов равна, знак и величина изменения удельного сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется. Тензорезисторы включены в два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения 12-14 в (диагональ моста A-D). С помощью переменного резистора R₁ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. При выполнении соотношения R₂/R₁ =R_x/R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление тензорезистора R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (точка B) и изменение напряжения диагонали B-C моста, которое отражается на измерительном приборе. Измерительная труба встраивается в технологическую линию в вертикальном положении. Для удобства обслуживания она состоит из двух частей, соединенных фланцами, между которыми закрепляется измерительная капсула, имеющая передний и задний сферические обтекатели. Длина измерительной трубы должна составлять не менее l₁=10d перед капсулой и не менее l₂=5d после капсулы. 1 с., 3 п.ф., 2 илл.

Устройство предназначено для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости в трубопроводах технологических линий, в частности в процессе контроля производства олифы,, пентафталевых и глифталевых лаков.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих жидких и газообразных сред. Вязкость является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояние материала и изменения, происходящие в технологии.

Для определения вязкости применяют измерительное устройство -вискозиметр.

В лакокрасочной промышленности наиболее часто применяют вискозиметр, представляющий собой коническую емкость, вершиной вниз, объемом 100 мл, в нижней части в емкости имеется калиброванное отверстие, через которое истекает жидкость. Вязкость определяют по времени истечения жидкости под действием силы тяжести, в секундах. Поскольку вязкость материала зависит от температуры, то с повышением ее вязкость уменьшается. В связи с этим необходимо все пробы выдерживать при определенной температуре для усреднения измерений по всему объему.

Недостатком этого способа является то, что требуется длительное время для выдерживания пробы с целью достижения заданной температуры измерения (охлаждения или нагревания). Кроме этого, само измерение тоже требует длительных затрат времени, особенно при высокой вязкости материала.

Известно измерение вязкости жидкости способом «падающих шариков», согласно которому о вязкости жидкой среды судят по равномерной скорости погружения в ней шарового зонда известного радиуса и с известной плотностью материала. Одним из недостатков такого способа является то, что для измерения вязкости жидкости методом «падающих шариков» с приемлемой точностью необходимо обеспечить условия ламинарного обтекания исследуемой жидкостью движущегося шарика.

В способе по патенту РФ 2082153 МПК G01N11/12 используют шаровой зонд радиусом R и плотностью р₃, погруженный в жидкость, вычислительный блок, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел возврата зонда в исходное положение, причем вход и выход вычислительного блока соединены с выходом вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда соответственно, а шаровой зонд взаимодействует кинематически с узлом разгона в начале измерения и с узлом возврата зонда в исходное положение в конце движения при измерении соответственно.

Недостатком данного способа является сложное аппаратурное оформление, требующее точного измерения скорости и времени, от которых зависит точность конечного результата, а также необходимость относительно сложных и затратных по времени расчетов.

Известно устройство по патенту Германии (DE 19529722; МПК B63H 21/38; G01N 11/12) содержащее измерительный цилиндр с торцевыми отверстиями. Внутри измерительного цилиндра располагается чувствительный элемент, выполненный в виде шарика. В нижней части измерительного цилиндра находится датчик температуры, а по его высоте установлены датчики положения. Датчики положения и температуры подключены на выходы программно-вычислительного блока, выход которого подключен к блоку индикации. Торцевые отверстия измерительного цилиндра соединены байпасным измерительным трубопроводом, в котором установлен электрогидроклапан.

Недостатком этого технического решения является зависимость результатов измерения от соотношения удельных весов шарика и измеряемой среды, необходимость для разных по удельному весу жидкостей подбирать различные шарики, учитывать изменение удельного веса жидкости от температуры и времени наработки.

Ротационные способы измерения вязкости обладают более широкими возможностями. Их можно применять как для периодических, так и для непрерывных измерений.

Сущность способа заключается в помещении жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведении его во вращение, причем вращают его в течение времени, пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_nn между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, а его параметры определяются угловой скоростью жидкости ₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости _nop, время t_nn принятия жидкостью второго состояния (=_nop) является мерой вязкости и определяется расчетным путем по со формулам гидродинамики (см. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газов. - М; Наука; 1970 г.).

Недостатками является то, что при осуществлении способа требуются значительные затраты времени на термостатирование температуры жидкости, приведение температуры к определенному значению, для возможности воспроизводимости результатов. Способ применим к мало- и средневязким жидкостям, а также требует применения сложной аппаратуры для фиксации времени с помощью датчика на основе цилиндрического объемного резонатора и СВЧ генератора, перестраиваемого по частоте. Данная конструкция измерительного устройства предназначена для периодического измерения вязкости жидкости.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявляемому является патент РФ 139168 МПК G01N 9/12, G01N 11/12 на полезную модель, в соответствии с которой рабочая жидкость протекает через устройство, оказывает давление на длинное плечо двуплечего рычага, который коротким плечом через герметичную мембрану и толкатель воздействует на конденсатор переменной емкости, изменяя его емкость, и это изменение отражается на экране показывающего прибора.

Недостатком данной полезной модели является то, что передача усилия осуществляется через мембрану, к материалу которой предъявляются повышенные требования - химическую стойкость, упругость, стойкость к повышенным температурам, и т.п., отступление от которых может привести к погрешности измерения.

Задачей предлагаемой полезной модели является устранение недостатков известных технических решений, обеспечение возможности непрерывного измерения вязкости жидкости по ходу протекания технологического процесса.

Этого можно достичь, применяя тензометрические датчики, используя свойство электропроводящих материалов (металлов, полупроводников) изменять удельное электрическое сопротивление при их деформации. В качестве проводящих материалов обычно используются металлические пленки, напыленные на гибкую диэлектрическую подложку. В последнее время находят применение полупроводниковые датчики, имеющие следующие достоинства:

- очень высокую деформационную чувствительность, позволяющую производить измерения без усилителей, с обычными омметрами;

- очень высокую пороговую чувствительность, позволяющую измерять деформацию металлов от миллионной доли миллиметра на линейном метре;

- высокая чувствительность позволяет измерять очень малую силу в номинальном диапазоне;

- небольшие размеры полосок из полупроводника (длина 1-10 мм, ширина 0,2-0,4 мм, толщина 0,01-0,03 мм) позволяют производить малые и легкие датчики;

- кремниевые полупроводники от -70°C до 300°C деформируются без измеряемого гистерезиса;

- тензорезисторы из кремния и золота обладают отличной стойкостью к коррозии.

Суть полупроводникового тензорезистора заключается в значительном изменении его удельного электрического сопротивления с механической деформацией. Под воздействием механической нагрузки в определенной кристаллографической оси монокристалла полупроводника происходит изменение электропроводимости. Активная часть (полоска из полупроводника) приклеивается с помощью специального тензометрического клея к поверхности, поддающейся деформации. Подводящие провода металлические. На точность измерения влияет также изменение температуры. Поэтому для компенсации паразитных воздействий на измерения используется схема включения к мосту Уитстона, представляющая собой четыре резистора, соединенных в электрический мост, питаемый от источника постоянного напряжения. Один из резисторов является переменным и предназначен для балансировки моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы сигнал сделать равным нулю. Второй тензорезистор используется для измерения деформации при приложении силы (при этом изменяется его удельное электрическое сопротивление), для чего его приклеивают к подложке в продольном направлении, по линии действия силы, третий и четвертый тензорезисторы приклеивают в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. При изменении температуры, если температура всех трех резисторов равна, знак и величина изменения электрического сопротивления (вызванного изменением температуры) равны, и температурный уход при этом компенсируется. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезисторов.

Технический результат достигается, а поставленная задача решается за счет применения в устройстве для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости полупроводниковых тензорезисторов.

Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства для измерения вязкости и плотности жидкости.

На фиг. 2 представлена схема измерительного моста устройства для измерения вязкости и плотности жидкости.

Устройство на фиг. 1 состоит из измерительной трубы 1 определенного диаметра d, внутри которой соосно установлена измерительная капсула.

Устройство работает следующим образом: движущийся поток жидкости (указано стрелкой, фиг. 1) оказывает давление на передний обтекатель капсулы 2, жестко соединенный с толкателем 3, который передает усилие давления на донышко стакана 4, вызывая упругую деформацию тонких стенок стакана. На внешней поверхности стенок стакана, изготовленного из упругого диэлектрического материала (например, полиамида), специальным тензометрическим клеем наклеены три полупроводниковых тензорезистора из кремния с золотыми концами, причем тензорезистор R_x наклеен вдоль стенки стакана, а два тензорезистора R₂ и R₃ наклеены в поперечном направлении. Тензорезистор R_x воспринимает продольное усилие совместно с упругой деформацией стенки стакана, а резисторы R₂ и R₃ нечувствительны к деформациям, поскольку они наклеены в поперечном направлении к действию приложенной силы. Такая схема позволяет производить измерения в широком диапазоне температур, поскольку, при изменении температуры, если температура всех трех резисторов равна, знак и величина изменения удельного сопротивления, вызванного изменением температуры, равны, и температурный уход при этом компенсируется.

Тензорезисторы включены в два плеча сбалансированного моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения 12-24 в (диагональ моста A-D) (фиг. 2). С помощью переменного резистора R₁ производится балансировка моста, так, чтобы в отсутствии приложенной силы напряжение диагонали сделать равным нулю. С диагонали моста B-C снимается сигнал, далее подаваемый на измерительный прибор либо на дифференциальный усилитель.

При выполнении соотношения R₂ /R₁=R_x/R₃ напряжение диагонали моста равно нулю. При деформации изменяется сопротивление тензорезистора R_x (например, увеличивается при растяжении), это вызывает снижение потенциала точки соединения резисторов R_x и R₃ (точка B) и изменение напряжения диагонали B-C моста (полезный сигнал).

Измерительная труба встраивается в технологическую линию в вертикальном положении, чтобы поток жидкости двигался снизу вверх. Для удобства обслуживания измерительная труба 1 (фиг. 1) состоит из двух частей, соединенных фланцами 5, между которыми закрепляется измерительная капсула за крепежный фланец 6. Длина трубы 1 должна составлять не менее l₁ =10d перед капсулой и не менее l₂=5d после капсулы, для того, чтобы жидкость двигалась ламинарным потоком, без турбулентных флуктуаций, которые могут вызвать пульсации давления и искажать показания. Для плавного обтекания жидкостью измерительной капсулы предназначены сферические обтекатели - передний 2 и задний 7.

Предлагаемое устройство простое по конструкции, удобное и надежное в использовании, позволяет производить измерения вязкости и плотности жидкости непрерывно, на протяжении всего технологического процесса в широком диапазоне температур.

Таким образом, поставленная задача решена.

1. Устройство для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкости в трубопроводах состоит из встроенной в технологическую линию измерительной трубы, внутри которой соосно установлена измерительная капсула, отличающееся тем, что капсула содержит стакан, на внешней поверхности которого наклеены три полупроводниковых резистора из кремния с золотыми концами, один резистор наклеен вдоль стенки стакана, а два других наклеены в поперечном направлении, внутри стакана расположен толкатель, жестко соединённый с передним обтекателем капсулы, а три тензорезистора и переменный резистор включены в два плеча моста Уитстона, питаемого от источника постоянного напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что задняя часть капсулы имеет задний обтекатель сферической формы.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что размер измерительной трубы перед измерительной капсулой составляет не менее l₁=10d и не менее l₂=5d после измерительной капсулы.

РИСУНКИ