Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 532.137
МИНИАТЮРНЫЙ ВИБРОВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
MINIATURE HIGH-SENSITIVITY AND HIGH-SPEED VIBRATING
VISCOMETRIC SENSOR
Соломин Борис Александрович
канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник Е-mail: solomin.boris@yandex.ru 1 2)
' Низаметдинов Азат Маратович
аспирант, инженер I категории Е-mail: anizametdinov@yandex.ru
1) Черторийский Алексей Аркадьевич
канд. техн. наук, зам. директора по научной работе Е-mail: a-tchertor@yandex.ru
1) Конторович Михаил Леонидович
вед. инженер
Е-mail: kantor2@yandex.ru
1) Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН,
г. Ульяновск
2) Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск
Аннотация: Рассмотрены способы повышения чувствительности и быстродействия при вибровискозиметрических измерениях. Предложена конструкция вибровискозиметрического датчика с сосредоточенной массой (необремененного), позволяющая улучшить указанные характеристики при исследовании микроструктурных процессов в многокомпонентных жидкостях.
Ключевые слова: вибровискозиметрический датчик, межмолекулярные взаимодействия, фазовые переходы, микроструктурные процессы.
1) Solomin Boris А.
Ph. D. (Tech.), Leading Researcher Е-mail: solomin.boris@yandex.ru 1 2)
' ' Nizametdinov Аzat M.
Postgraduate, First Rank Engineer Е-mail: anizametdinov@yandex.ru
1) Chertoriyskiy Аlexey А.
Ph. D. (Tech.), Deputy Director Е-mail: a-tchertor@yandex.ru
1) Kontorovich Mikhail L.
Leading Engineer Е-mail: kantor2@yandex.ru
1) Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS, Ulyanovsk city
2) Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk city
Abstract: This paper describes questions of improvement of sensitivity and performance with vibrating viscometric measurements. We proposed a design for vibrating viscometric sensor with centered mass (unencumbered) to improve these parameters for research of microstructural processes in multicomponent liquids.
Keywords: vibrating viscometric sensor, intermolecular interactions, phase transitions, microstructural processes.
ВВЕДЕНИЕ
Поведение жидкостей при изменении температуры определяется изменением межмолекулярного взаимодействия, что приводит к изменению вязкости, плотности, оптических свойств, энталь-
пии. Эти изменения могут происходить с достаточно высокой скоростью в температурных областях макро- и микрофазовых переходов, т. е. при структурной перестройке жидкостей. Особенно ярко данные процессы проявляются в многоком-
понентных жидкостях, таких как масла, дизельные топлива, антифризы, смазочно-охлаждающие жидкости и др.
Известным параметром, характеризующим интенсивность межмолекулярных взаимодействий в жидкостях, является динамическая вязкость, измеряемая с помощью вискозиметров. Наибольшей чувствительностью и быстродействием обладают вибрационные вискозиметры [1]. Самые совершенные из них [2], оснащенные миниатюрным сферическим зондом диаметром 2...3 мм, позволяют производить измерения вязкости в локальных областях жидкости в процессе изменения ее температуры, одновременно измеряя в этой же локальной области температуру и оптическое пропускание жидкости. Однако, как показали результаты экспериментов, для исследования динамики микроструктурных процессов чувствительности и быстродействия данных вибровискозиметров оказывается недостаточно.
Авторы поставили перед собой задачу существенно повысить чувствительность и быстродействие вибровискозиметрического датчика с миниатюрным сферическим зондом с целью применения его для изучения микроструктурных процессов, происходящих при термосканировании чистых и многокомпонентных жидкостей.
КАМЕРТОННЫЙ
ВИБРОВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
В качестве прототипа был выбран камертонный датчик [3, 4], конструкция которого показана на рис. 1. Измерение вязкости исследуемой жидкости происходит с помощью миниатюрного сферического зонда 1, закрепленного на стеклянном капилляре 2, выполняющего в жидкости возвратно-поступательные движения. Колебания передаются зонду от нижнего плеча камертона 3, возбуждаемого с помощью электромагнита 5. Наличие верхнего плеча камертона 4, колеблющегося в противофазе с нижним плечом, обеспечивает высокую добротность колебательной системы, правда в достаточно узком частотном диапазоне, что ограничивает чувствительность датчика при измерении жидкостей с большой вязкостью.
При движении зонда в исследуемой жидкости часть энергии колебательной системы расходуется на вязкостное трение, прямопропорциональное вязкости жидкости. В результате этого уменьшается амплитуда колебаний зонда. Таким образом,
Рис. 1. Конструкция камертонного датчика
амплитуда колебаний зонда несет информацию о вязкости исследуемой жидкости. В данном случае измерение амплитуды колебаний зонда осуществляется оптическим датчиком проходного типа 6, модуляция оптического канала которого происходит при перемещениях верхнего и нижнего плеча камертона.
Рассматривая прототип можно отметить, что его недостатки с точки зрения чувствительности и быстродействия вызваны, в первую очередь, малыми размерами и массой зонда в сравнении с общей массой колебательной системы. Объясняется это тем, что вязкостное трение прямо пропорционально площади зонда и скорости его движения. При большой массе колебательной системы запасенная в ней энергия существенно превышает расход энергии на вязкостное трение. В результате, относительные изменения амплитуды колебаний, связанные с изменением вязкости исследуемой жидкости при малой площади поверхности зонда, оказываются незначительными. Кроме того, большая масса колебательной системы повышает ее инерционность, тем самым понижая быстродействие вибровискозиметра, т. е. его способность реагировать на быстрые изменения вязкости.
36 - вепвогв & БувЬетв • № 7.2015
ПАРАМЕТРЫ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДАТЧИКА
Рассмотрим подробнее влияние параметров колебательной системы на чувствительность виб-ровискозиметрического датчика.
Пусть масса миниатюрного зонда равна m, а масса дополнительного обременения колебательной системы равна M, при этом М . m. Сферический зонд колеблется в жидкости вязкостью п на резонансной частоте f с амплитудой А. В соответствии с уравнением Стокса сила вязкостного трения Fy для шарика диаметром d, движущегося со средней скоростью V в жидкости, будет равна:
Fy = Зл^у.
(1)
Значение средней скорости за период колебаний T определяется следующим образом:
V = 2A/T = 2Af
(2)
С учетом (1) и (2) энергия Еу, переданная зондом в жидкость за время Т на компенсацию вязкостного трения, выразится как:
2
Ey = Fy2A = 12ппdA2f.
(3)
Eкс =
= (М + т) vmax = (M + m)(A2 пТ)2 =
= (M + т)2п2А2Т2,
(4)
К = ET = 6 п d
п Е-- ( M т т ) пТ.
(5)
С другой стороны, энергия Екс, запасенная в колебательной системе за период Т, будет равна кинетической энергии общей массы колебательной системы (М + т), движущейся с максимальной скоростью ^ах:
где ^ах = (А2пТ) — максимальная скорость движения зонда при гармонических колебаниях.
Коэффициент влияния Кп вязкостного трения на колебательную систему вибровискозиметричес-кого датчика можно задать как отношение энергии Еу, потраченной колебательной системой на компенсацию вязкостного трения, к энергии Екс, запасенной в колебательной системе. С учетом (3) и (4) получаем:
Очевидно, что для увеличения коэффициента влияния вязкостного трения, т. е. для повышения
Рис. 2. Упрощенная конструкция необремененного вибровиско-зиметрического датчика
чувствительности вибровискозиметра, необходимо увеличивать диаметр зонда d, уменьшать массу колебательной системы М и понижать частоту колебаний Т.
Для обеспечения высокой чувствительности вибровискозиметрического датчика к малым изменениям вязкости жидкости и одновременного повышения быстродействия нами предложен виб-ровискозиметрический датчик с необремененным сферическим зондом малого диаметра. В этом случае колебательная система, погруженная в жидкость, будет состоять только из безмассовой упругой связи, жестко связанной с неподвижной базой, и закрепленного на ней сферического зонда. Возбуждение механических колебаний зонда на резонансной частоте осуществляется бесконтактно, одновременно бесконтактно и оперативно осуществляется контроль геометрического положения зонда относительно неподвижной базы. Возможны различные технические реализации данной идеи. Одна из возможных конструкций такого датчика в упрощенном виде представлена на рис. 2.
КОНСТРУКЦИЯ НЕОБРЕМЕНЕННОГО ВИБРОВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
Колебательная система датчика представляет собой зонд 1, выполненный из магнитного материала и закрепленный на двух упругих элементах 2. В качестве упругих элементов используются тонкие стальная и константановая проволоки, противоположные от зонда концы которых жестко
2
2
закреплены в вертикальных стойках 3, они одновременно образуют термопару, измеряющую температуру зонда и окружающей его жидкости.
Колебания зонда возбуждаются с помощью электромагнита, якорь 4 которого находится в непосредственной близости от зонда. Вся колебательная система вибровискозиметра размещается непосредственно в кювете с исследуемой жидкостью 5, фиксируясь на ее крышке 6.
Амплитуда колебаний зонда измеряется при помощи волоконно-оптического датчика 7 проходного типа, излучающее и приемное волокна которого размещаются в отверстиях в боковых стенках кюветы. При этом зонд юстируется относительно волоконно-оптического датчика таким образом, чтобы верхний край зонда частично перекрывал оптический канал. В результате при движении зонда происходит модуляция мощности излучения, проходящего через волоконно-оптический датчик, относительно текущего среднего значения. Измерение амплитуды колебаний зонда реализуется путем выделения переменной составляющей оптического сигнала, измерения амплитуды переменной составляющей и ее нормирования относительно текущего среднего значения оптического сигнала. Изменение положения зонда Ах, приводящее к изменению оптического сигнала,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.