Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

4. ВИБРАЦИОННЫЕ ВИСКОЗИМЕТРЫ

На тело, совершающее гармонические колебания в вязкой среде, действует тормозящее усилие F, величина которого связана с вязкостью , среды соотношением

где k — константа, зависящая от частоты колебаний, размеров и формы тела; — плотность среды.
В зависимости от частоты колебаний вибрационные вискозиметры можно разделить на два типа: низкочастотные вибрационные вискозиметры, работающие на частоте до 1 кГц; ультразвуковые вискозиметры, работающие на частоте 10—1000 кГц.
Создание низкочастотных вибрационных вискозиметров возможно на двух принципах: при постоянной амплитуде гармонического усилия, возбуждающего колебания, измеряют амплитуду колебаний чувствительного элемента в вязкой среде; измеряют амплитуду возбуждающего усилия, необходимого для поддержания заданной амплитуды колебаний чувствительного элемента в контролируемой среде.
С точки зрения обеспечения линейности шкалы второй метод предпочтительнее. На рис. 6 дана схема вискозиметра, работающего по этому принципу. В корпусе 1 датчика вискозиметра эластичной мембраной 4 укреплен чувствительный элемент 5, нижний конец которого погружен в контролируемую среду, а верхний находится в магнитном поле возбуждающей 3 и измерительной 2 катушек. Измерительная катушка подключена ко входу, а возбуждающая — к выходу электронного усилителя 6 с автоматически регулируемым коэффициентом усиления. Чувствительный элемент может колебаться вокруг центра мембраны. При включении электронного усилителя 6 в системе чувствительный элемент — измерительная катушка — электронный усилитель — возбуждающая катушка возникают гармонические колебания на частоте механического резонанса чувствительного элемента (около 400 Гц). Коэффициент усиления электронного усилителя 6 автоматически устанавливается таким, чтобы амплитуда переменного напряжения, снимаемого с измерительной катушки, была постоянна и равна опорному напряжению, подаваемому с источника 8. Мерой вязкости является амплитуда силы тока, подаваемого на возбуждающую катушку 3. Сигнал, пропорциональный этой величине, поступает на вторичный прибор 7. Для изменения диапазона необходимо изменить длину нижнего конца чувствительного элемента. Прибор градуируют, используя в качестве эталонных, жидкости с известной вязкостью.
Рис. 5. Принципиальная схема автоматического ротационно-колебательного вискозиметра
Рис. 6. Принципиальная схема вибрационного вискозиметра
Принцип действия ультразвуковых вискозиметров основан на использовании прямого и обратного магнитострикционного или пьезоэлектрического эффектов. Прямой магнитострикционный эффект соответствует случаю, когда линейные размеры тела, изготовленного из ферромагнитного материала, изменяются в направлении магнитного поля в зависимости от его напряженности. При обратном магнитострикционном эффекте механические напряжения в ферромагнитном материале изменяют его магнитные свойства.
Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов на гранях пьезокристаллов при их деформации. Обратный пьезоэффект заключается в изменении размеров кристаллов под действием электрического поля.
Наибольшее распространение из ультразвуковых вискозиметров получили приборы с магнитострикционными преобразователями, работающими в импульсном режиме возбуждения.
Такой преобразователь (рис. 7) представляет собой пластину 1 из магнитострикционного материала толщиной 0,2— 0,4 мм, закрепленную в герметизированной гильзе 2. Часть пластины помещена в жидкость, а другая часть охвачена обмоткой возбуждения 3, находящейся внутри гильзы. На обмотку от генератора подают кратковременный импульс тока, в результате чего в пластине возникают продольные колебания, затухающие во времени.
При колебании пластины благодаря обратному магнитострикционному эффекту напряжение в катушке имеет частоту колебаний пластины

где U — напряжение на концах катушки; U_m — начальная амплитуда напряжения; — коэффициент затухания колебаний, зависящий от вязкости жидкости; — частота свободных колебаний вибратора; — время.
Структурная схема ультразвукового вискозиметра, работающего в импульсном режиме, приведена на рис. 8. Генератор Г вырабатывает кратковременные импульсы тока, возбуждающие свободные затухающие колебания вибратора В. Напряжение U, пропорциональное амплитуде колебаний, усиливается линейным усилителем ЛУ и через детектор Д и фильтр Ф поступает на устройство сравнения УС, имеющее два постоянных уровня реагирования по напряжениям U_x и U₂.
Рис. 7. Принципиальная схема магнитострикционного преобразователя
Рис. 8. Структурная схема импульсного ультразвукового вискозиметра
В моменты времени и , когда и , устройство УС вырабатывает импульсы, фиксирующие эти моменты, причем

Следовательно, однозначно определяется величиной и не зависит от изменения начальной амплитуды напряжения. Импульсы с устройства УС поступают через усилитель У и триггер Т в измерительное устройство ИУ.
Погрешность вискозиметров порядка 2,5 % в зависимости от конструкции; диапазон измерения от 0,0001 до 100 Па с.
Область применения вибрационных, особенно ультразвуковых, вискозиметров ограничивается ньютоновскими жидкостями, вязкость которых не зависит от интенсивности механического воздействия. На неньютоновских жидкостях они, как правило, дают заниженные показания, и в этом случае их можно использовать только в качестве индикаторов.