CZ304430B6 - Levitačně-vibrační zařízení pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí a způsob jejich měření - Google Patents

Abstract

Levitačně-vibrační zařízení pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí je tvořeno fotodiodou, elektromagnetem udržujícím měřicí tělísko ve vznosu, LED diodou a řídicím obvodem, kde fotodioda, elektromagnet a LED dioda jsou jednosměrně propojeny s řídicím obvodem, přičemž fotodioda a LED dioda vytvářejí světelnou závoru. Předmětné zařízení je výhodně připojeno k vyhodnocovacímu zařízení přes převodník, který může být nahrazen mikrokontrolerem.

Description

Levitačně-vibrační zařízení pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí a způsob jejich měření

Oblast techniky

Měření Teologických vlastností tekutin, zařízení pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí.

Stav techniky

Současné metody měření Teologických vlastností tekutin spočívají na registraci veličin, jež určitým způsobem fůnkčně s těmito vlastnostmi souvisí.

Viskozita se měří viskozimetry nebo reometry. Lze je rozdělit na kapilární (průtokové), výtokové, tělískové (gravitační), rotační, vibrační a torzní, podle jiného kritéria na stacionární a nestacionární.

V praxi se pro běžné newtonské kapaliny používají viskozimetry s jednoduchou geometrií. Zde lze jmenovat např. Ubbelohdeho výtokový viskozimetr. Tyto viskozimetry se obvykle používají na orientační měření viskozit v technické praxi. Dalšími hojně komerčně využívanými viskozimetry jsou rotační. Pro dosažení náležité přesnosti vyžadují složité konstrukční uspořádání, nicméně disponují vůči výtokovým viskozimetrům někteiými výhodami: snadná změna smykového napětí, nebo smykové rychlosti, snadné nastavení doby měření, kapalina nevytéká. Tyto viskozimetry lze aplikovat i na nenewtonské kapaliny a provádět s nimi přesné laboratorní experimenty. Jejich nevýhodou je již dříve zmiňovaná konstrukční náročnost a s tím spojené i výrobní náklady. Přesto je tento typ viskozimetrů v současné průmyslové praxi vyžadující přesnou registraci Teologických vlastností kapalin nejrozšířenější. Na trhu jich funguje celá řada. Příbuzné konstrukční uspořádání vykazují vibrační viskozimetry. Tyto jsou v současnosti méně rozšířené, přestože nabízejí relativně vysokou přesnost naměřených údajů. V laboratorní praxi se lze dále v menší míře setkat s Hopplerovým viskozimetrem. Piezoelektrické strunové viskozimetry představují spíše jen raritní konstrukční uspořádání.

Povrchové napětí se obvykle měří tenziometry, pomocí nichž se měří různé parametry kapek. Například Wilhelmyho destičkový tenziometr využívá destičky ponořené do kapaliny, u níž je měřena síla, kterou je nutno vyvinout pro její vytažení. Z naměřené hodnoty se poté vypočte hodnota povrchového napětí. Dalším typem je kroužkový tenziometr dle Du Noiiy, který využívá platinového kroužku ponořeného do kapaliny, u něhož je měřeno napětí, které je potřeba vyvinout pro jeho vytažení. Z naměřené hodnoty se poté vypočte hodnota povrchového napětí. Nejblíže předkládanému řešení je z tohoto pohledu asi tyčinkový tenziometr podle Du Noůy - Padday, kteiý využívá tyčinku ponořenou do kapaliny, přičemž se měří síla, kterou je nutno vyvinout při vytahování tyčinky z kapaliny. V omezené míře se lze setkat s kapilárními staglamometry.

Hustotu lze též měřit několika způsoby. Např. klasickými hustoměiy nebo Mohrovými vážkami, případně tzv. pivními váhami využívajícími Archimédův zákon nebo pyknometry u nichž se stanovuje hmotnost tekutiny při konstantním a předem daném objemu nádoby. Hodnota hustoty se pak vypočte na základě známého objemu a naměřené hmotnosti.

V patentové literatuře je popsáno velké množství viskozimetrů, např. rotační typ v US 4 643 021. Zajímavá jsou také řešení popsaná v DE 19 840 868, kde je měřicí element umístěn na pružině nebo EP 1 462 775, kde je měření založeno na principu kapacitního snímače nebo EP 1 674 865, kde je měření založeno na piezoelektrickém jevu. V EP 1 698 880 je popsáno zařízení měřící jak viskozitu, tak i hustotu, avšak s využitím rezonančního principu.

-1 CZ 304430 B6

V US 4 741 200, US 4 905 499 a JP 3 123 839 jsou sice popsána zařízení pracující na vibračním principu, avšak na rozdíl od řešení podle vynálezu nevyužívají levitaci.

Nejvíce se k řešení podle vynálezu blíží JP59 221 639. Jde o zařízení na stanovení viskozity kapaliny na základě vibrací feromagnetického tělíska umístěného v kapalině. Tělísko levituje mezi dvěma elektromagnety. Rozdílem zařízení podle vynálezu oproti JP 59 221 639 je, že zařízení podle vynálezu využívá pouze jednoho elektromagnetu namísto dvou použitých u JP59 221 639, namísto spodního elektromagnetu je využívána tíha měřicího elementu. Dále v JP 59 221 639 je levitující element uváděn do vibrací tím, že elektromagnety jsou napájeny oscilujícím elektrickým proudem, v případě podle vynálezu jde o vlastní kmitání regulované soustavy po jejím mžikovém vypnutí a opětovném zapnutí. Jedná se tedy o odlišný princip.

V patentu JP 59 221 639 je levitační element ponořen zcela ve zkoumané kapalině, paprsek světelné závory ji prosvěcuje, lze ho tedy využít pouze pro opticky propustnou kapalinu. Také nádobka musí být opticky propustná, což v některých případech může být komplikace (agresivní kapaliny, taveniny o vysokých teplotách). Zařízení podle vynálezu má element, který je částečně ponořen a částečně vyčnívá, světelná závora snímá nad kapalinou. Zařízení podle vynálezu lze tedy použít i pro kapaliny a nádobky neprůhledné. Navíc lze zařízení podle vynálezu použít i pro měření povrchového napětí kapaliny a její hustoty.

Dále se k řešení podle vynálezu blíží SU 1 762 187, které pracuje na levitačním principu, je zde však několik závažných rozdílů. Zařízení dle SU 1 762 187 má snímače polohy umístěné v kapalině. Zařízení podle vynálezu nad kapalinou. Obě řešení mohou mít výhodu i nevýhody.

V SU 1 762 187 není uvedeno, najakém principu snímače polohy pracují. Pokud by se ale jednalo o optické snímače, nebylo by je možné použít pro neprůhledné kapaliny. I v případě jiného principu snímačů než je optický by bylo velmi problematické použití pro kapaliny o vysokých teplotách (taveniny), nebo agresivní kapaliny. Řešení podle vynálezu se světelnou závorou mimo kapalinu umožňuje měřit jak neprůhledné kapaliny, tak při vhodném uspořádání i taveniny a kapaliny agresivní. Zařízení podle SU 1 762 187 měří pouze viskozitu, zatímco zařízení podle vynálezu je schopno měřit i povrchové napětí a hustotu. Zařízení dle SU 1 762 187 uvádí měřicí element do oscilací tím, že elektromagnet vytváří střídavě magnetické pole opačných polarit. U zařízení podle vynálezu je princip jiný, elektromagnet vyvozuje sílu pouze v jednom směru (nahoru), v opačném směru působí zemská tíže a element se uvede do oscilací nikoli nucené, ale jde o samovolné oscilace při ustalování regulované soustavy.

Celkově lze říci, že není známo zařízení, které by využívalo vibračně-levitační princip a bylo schopné měřit jako viskozitu, tak i hustotu a povrchové napětí.

Podstata vynálezu

Vzhledem k tomu, že vynález se týká jednoho zařízení (a tedy i jednoho zapojení), které může měřit hodnoty tří různých fyzikálních veličin pouze na základě přepnutí do daného módu, budou zařízení a způsob měření jednotlivých veličin pro lepší srozumitelnost dále popsány zvlášť nejprve pro měření viskozity, poté pro měření povrchové napětí a nakonec hustoty. Níže uvedené informace týkající se popisu zařízení při měření viskozity platí adekvátně i pro stanovení povrchového napětí a hustoty.

Podstatou vynálezu je zařízení pracující na principu útlumu vibrací tělíska ponořeného v kapalině. Toto tělísko (táhlo s diskem v dolním konci, který je možno ponořovat do kapalin) je v prostoru udržováno pomocí elektromagnetické levitace, resp. nachází se ve vznosu. Elektrický obvod umožňující levitaci příslušného tělíska je v určitých časech na krátké intervaly automaticky přerušován, čímž se tělísko dostává do volného pádu. Následným spuštěním obvodu je tělísko opět přitaženo směrem zpět, ustavuje se rovnováha a celý systém se takto do ustavení rovnováhy rozvibruje. Rychlost ustavení rovnováhy tělíska je na vzduchu odlišná od jejího ustavení v kapalinách o různé viskozitě. Díky různé viskozitě dochází k rozdílnému útlumu vibrací. Registrace

-2CZ 304430 B6 útlumů vibrací tak vede k registraci hodnot vlastních viskozit. Vlastní hodnoty útlumu jsou následně pomocí speciálního software vizuálně zobrazovány a ukládány v elektronické podobě. Současně je registrována teplota zkoumaných kapalin a některých částí zařízení. Tyto údaje jsou rovněž archivovány.

Zařízení je tvořeno fotodiodou, elektromagnetem, udržujícím měřicí tělísko ve vznosu, LED diodou a řídicím obvodem. Je buď připojeno prostřednictvím převodníku k vyhodnocovacímu zařízení, neboje připojeno k mikrokontroleru, přičemž připojení dále k vyhodnocovacímu zařízení je volitelné. Elektromagnet, fotodioda a LED dioda jsou jednosměrně propojeny s řídicím obvodem, přičemž obě diody vytvářejí světelnou závoru. Řídicí obvod řídí spínání, resp. rozpínání proudu elektromagnetem na základě zpětné vazby ze světelné závoiy, čímž reguluje levitaci měřicího tělíska. Řídicí obvod tedy generuje vibrace vypnutím proudu elektromagnetem na několik ms, zesiluje a filtruje signál ze světelné závory pro měření pomocí počítače.

Převodníkem je snímán signál ze světelné závory (napětí na fotodiodě). Vyhodnocuje se amplituda rozkmitu signálu, která je úměrná amplitudě mechanických kmitů. Ty jsou nepřímo úměrné viskozitě (čím vyšší viskozita, tím jsou kmity menší).

Fotodiodou a LED diodou podle tohoto vynálezu se rozumí jakékoli vhodné typy, zejména infračervené.

Převodníkem podle tohoto vynálezu se rozumí např. převodník USB6210.

Vyhodnocovacím zařízením podle tohoto vynálezu se rozumí počítač, vestavěný mikroprocesorový systém, tablet, PDA, mobilní telefon apod.

Pro správnou činnost je důležité, aby levitující tělísko bylo pod elektromagnetem stále ve stejné poloze (neotáčelo se). Proto byl vyvinut specielní tvar konce elektromagnetu a levitujícího elementu. I když v podstatě použitelné je tělísko jakéhokoli tvaru schopné levitace v elektromagnetickém poli, jako nejvýhodnější se jeví tělísko tvaru „obrácené kotvy“ nebo „kotvy“ se zakončením plochým diskem.

Toto konstrukční uspořádání disponuje řadou výhod:

Zařízení je velmi přesné a citlivé a dovoluje registraci i velmi nízkých hodnot viskozit. Tato přesnost je dosažena téměř nulovým třením pohyblivých částí díky elektromagnetické levitaci. Současně jeho malé rozměry a tedy i snadná mobilita celého zařízení.

Oproti obvykle komerčně vyráběným viskozimetrům pracujícím na principu rotace a registrace torzní síly kapaliny působící na rotující tělísko zařízení podle vynálezu do značné míry rezistentní vůči geometrickým nepravidelnostem pohyblivých částí.

Nízké výrobní náklady, v porovnání s komerčními modely jsou výrobní náklady nižší řádově. Možnost snadného a rychlého přepojení zařízení mezi režimy měření hodnot viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin.

Při měření povrchového napětí není tělísko ponořeno celé, ale pouze smáčí povrch kapaliny. Díky různým hodnotám povrchového napětí dochází k rozdílné deformaci hladiny kapaliny. Registrace deformace hladiny kapaliny (tedy síly potřebné k odtrhnutí tělíska od kapaliny) tak vede k registraci hodnot vlastního povrchového napětí (deformace hladiny kapaliny je funkcí povrchového napětí). Vlastní hodnoty deformace jsou následně pomocí speciálního softwaru vizuálně zobrazovány a ukládány v elektronické podobě. Současně je registrována teplota zkoumaných kapalin a některých částí zařízení. Tyto údaje jsou rovněž archivovány.

Při měření hustoty k vyvolání ani měření vibrací nedochází, ale dochází k registraci proudu procházejícího cívkou elektromagnetu. Měřený proud je funkcí hustoty, tj. je nepřímo úměrný hustotě. Vlastní hodnoty proudu jsou následně pomocí speciálního softwaru vizuálně zobrazovány a ukládány v elektronické podobě. Současně je registrována teplota zkoumaných kapalin a některých částí zařízení. Tyto údaje jsou rovněž archivovány.

-3CZ 304430 B6

Zařízení není v podstatě omezeno typem kapaliny za podmínky použití vhodného konstrukčního materiálu, který přichází s kapalinou do styku, tak aby nedocházelo k jeho interakcím v agresivních prostředích. Výhodou je možnost registrace hodnot i u kapalin o velmi nízké viskozitě, hustotě či povrchovém napětí.

Za účelem ověření správné funkce a stability zařízení bylo proměřeno několik kapalin. Typické výstupy z těchto měření jsou uvedeny na přiložených výkresech.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže osvětlen s pomocí výkresů, na kterých:

na obrázku č. 1 je nakreslen nárys tvaru elektromagnetu a levitujícího tělíska, na obrázku č. 2 je nakreslen bokorys tvaru elektromagnetu a levitujícího tělíska, na obrázku č. 3 je nakreslen půdorys zakončení elektromagnetu a levitujícího tělíska, na obrázku č. 4 je nakresleno celkové schéma zařízení, na obrázku č. 5 je nakreslen graf typického průběhu výstupního signálu pro kmitání ve vzduchu a v glycerinu při měření viskozity, na obrázku č. 6 je nakreslen graf závislosti napětí na závoře na době rozpojení obvodu pro různě viskózní kapaliny, na obrázku č. 7 je nakreslen graf kalibrační křivky, tedy napětí na závoře v závislosti na viskozitě, na obrázku č. 8 je nakreslen graf testu stability zařízení po dobu 25 hodin, tedy závislost napětí na závoře na čase, na obrázku č. 9 je nakreslen graf závislosti budicího proudu na cívce na teplotě zkoumané kapaliny při měření hustoty a na obrázku č. 10 jsou nakresleny nejvýhodnější tvary levitujícího tělíska.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1 - Zařízení pro stanovení hodnot viskozity, hustoty a povrchového napětí

Zařízení 8 podle obr. 4 je tvořeno IR fotodiodou 1, elektromagnetem 3, pod který se zavěšuje tělísko 2, IR LED diodou 4 a řídicím obvodem 5. Je připojeno prostřednictvím převodníku USB 6210 6 k PC 7. IR Fotodioda i a IR LED dioda 4 vytvářejí světelnou závoru. Řídicí obvod 5 řídí spínání, resp. rozpínání proudu elektromagnetem na základě zpětné vazby ze světelné závory, čímž reguluje levitaci. Převodník 6 snímá napětí na IR fotodiodě 1.

Příklad 2 - Měření viskozity

Nejprve se zapne elektromagnetický levitační okruh. Poté se pod elektromagnet 3 zavěsí tělísko

2. Nádobka 9 s glycerinem se umístí na nastavitelnou podložku pod levitující tělísko 2 a pomalu se zvedne tak, aby byl konec tělíska 2 do glycerinu ponořen. Poté se spustí generování vibrací v řídicím obvodu 5 a nakonec se spustí vyhodnocovací software. Vyhodnocuje se amplituda rozkmitu signálu, která je úměrná amplitudě mechanických kmitů. Ty jsou nepřímo úměrné viskozitě (čím vyšší viskozita, tím jsou kmity menší).

-4CZ 304430 B6

Příklad 3 - Měření povrchového napětí

Nejprve se zapne elektromagnetický levitační okruh. Poté se pod elektromagnet 3 zavěsí tělísko 2. Nádobka 9 s měřenou kapalinou se umístí na nastavitelnou podložku pod levitující tělísko 2 a pomalu se zvedne tak, aby bylo tělísko 2 kapalinou pouze smáčeno na povrchu. Poté se spustí generování vibrací v řídicím obvodu 5 a nakonec se spustí vyhodnocovací software. Vyhodnocují se deformace hladiny kapaliny. Deformace hladiny kapaliny je funkcí povrchového napětí.

Příklad 4 - Měření hustoty

Nejprve se zapne elektromagnetický levitační okruh. Poté se pod elektromagnet 3 zavěsí tělísko 2. Nádobka 9 s měřenou kapalinou se umístí na nastavitelnou podložku pod levitující tělísko 2 a pomalu se zvedne tak, aby byl konec tělíska 2 ponořen do kapaliny. Poté se spustí software, který registruje proud procházející cívkou elektromagnetu 3. Procházející proud je funkcí hustoty (čím vyšší proud, tím nižší hustota).

Průmyslová využitelnost

Zařízení lze využívat v široké oblasti výzkumu a vývoje materiálů, stejně jako k testování stávajících výrobků. Mezi základní segmenty trhu lze jmenovat chemický a farmaceutický průmysl, potravinářství, medicínu, strojírenství, sklářský a automobilový průmysl a další. Zařízení lze tedy provozovat v laboratorních podmínkách v oblasti primárního výzkumu, stejně jako v oblasti průmyslových aplikací ke zjišťování vlastností různých typů olejů v potravinářské oblasti, například v mlékárenském průmyslu, dále v medicíně k měření viskozit krve při různých chorobách a v radiologii při měření vlastností kontrastních roztoků a obecně v odvětvích, která se zabývají prouděním kapalin. Za zmínku stojí ještě automobilový průmysl, kde je znalost těchto vlastností důležitá nejen z hlediska motorových olejů, ale i brzdových kapalin a odvětví zabývající se vývojem nátěrových hmot.

Claims (7)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Levitačně-vibrační zařízení (8) pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí, vyznačující se tím, že je tvořeno fotodiodou (1), elektromagnetem (3), udržujícím měřicí tělísko (2) ve vznosu, LED diodou (4) a řídicím obvodem (5), kde fotodioda (1), elektromagnet (3) a LED dioda (4) jsou jednosměrně propojeny s řídicím obvodem (5), přičemž fotodioda (1) a LED dioda (4) vytvářejí světelnou závoru.

2. Levitačně-vibrační zařízení (8) pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí podle nároku 1, vyznačující se tím, že je dále připojeno prostřednictvím převodníku (6) k vyhodnocovacímu zařízení (7).

3. Levitačně-vibrační zařízení (8) pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí podle nároku 2, vyznačující se tím, že převodník (6) je nahrazen mikrokontrolerem.

4. Levitačně-vibrační zařízení (8) pro měření viskozity, hustoty a povrchového napětí podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že fotodioda (1) a LED dioda (4) jsou infračervené.

-5CZ 304430 B6

5 která je nepřímo úměrná viskozitě.

5. Způsob měření viskozity pomocí zařízení (8) podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že po zapnutí elektromagnetického levitačního okruhu se pod elektromagnet (3) zavěsí tělísko (2) ponořené do kapaliny v nádobce (9), poté se spustí generování vibrací v řídicím obvodu (5) a vyhodnocovací software a vyhodnocuje se amplituda rozkmitu signálu,

6. Způsob měření povrchového napětí pomocí zařízení (8) podle kteréhokoli z nároků 1 až 4. vyznačující se tím, že po zapnutí elektromagnetického levitačního okruhu se pod elektromagnet (3) zavěsí tělísko (2) tak, aby jej kapalina v nádobce (9) pouze smáčela na polo vrchu, poté se spustí generování vibrací v řídicím obvodu (5) a vyhodnocovací software a vyhodnocuje se deformace hladiny kapaliny, která je úměrná povrchovému napětí.

7. Způsob měření hustoty pomocí zařízení (8) podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že po zapnutí elektromagnetického levitačního okruhu se pod elektromag15 net (3) zavěsí tělísko (2) ponořené do kapaliny v nádobce (9), poté se spustí software a vyhodnocuje se proud procházející cívkou elektromagnetu (3), který je nepřímo úměrný hustotě.