МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРОВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
|
Введение 5
1 Обзор методов и технических средств, применяемых для измерения вязкости жидкостей .. 7
1.1 Понятие вязкости 7
1.1.1 Динамическая вязкость 8
1.1.2 Кинематическая вязкость 10
1.1.3 Условная вязкость 12
1.1.4 Обзор вязкостей жидкостей, используемых при калибровке вискозиметров 13
1.2 Методы и технические средства измерения вязкости.
Классификация вискозиметров 14
1.2.1 Ротационные вискозиметры 14
1.2.1.1 Вискозиметры Брукфильда 15
1.2.1.2 Экспресс-анализаторы вязкости RVA 16
1.2.2 Капиллярные вискозиметры 17
1.2.3 Вискозиметр с падающим шариком 19
1.2.3.1 Вискозиметры Anton Paar 21
1.2.4 Вибрационные вискозиметры 22
1.2.4.1 Вибрационный вискозиметр для процесса непрерывного
действия L-vis 520 series 24
1.2.4.2 Вискозиметр вибрационный низкочастотный ВВН-8 25
1.2.4.3 Вибровискозиметр камертонного типа 26
1.3 Способы возбуждения колебаний в вибровискозиметре 27
1.3.1 Механический метод возбуждения 28
1.3.2 Радиационный метод возбуждения 29
1.3.3 Магнитный и магнитострикционный метод возбуждения 30
1.3.4 Пьезоэлектрический метод возбуждения 32
1.4 Выводы 37
2 Моделирование и экспериментальное исследование характеристик
вибровискозиметрического датчика 38
2.1 Конструкция датчика 38
2.2 Разработка физической модели датчика 39
2.3 Результаты моделирования 43
2.3.1 Анализ свободных колебаний в вибровискозиметрическом датчике 43
2.3.2 Анализ влияния параметров элементов вибровискозиметрического датчика на его характеристики 46
2.3.2.1 Анализ влияния массы зонда 46
2.3.2.2 Изменение длины пьезотрубок 49
2.3.3 Анализ влияния исследуемой жидкости на характеристики
вибровискозиметрического датчика 51
2.3.3.1 Изменение коэффициента вязкости жидкости 51
2.3.3.2 Изменение присоединенной массы 53
2.3.4. Сравнение экспериментальных значений и значений, полученных моделированием 54
2.4 Выводы 58
3 Управление эквивалентной жесткостью колебательной системы вибровискозиметрического датчика 59
3.1 Принцип эквивалентности 60
3.2 Разработка эквивалентной электрической принципиальной схемы
вибровискозиметрического датчика с управляемой жесткостью 62
3.3 Результаты моделирования 64
3.3.1 Вынужденные колебания с возбуждением от внешнего генератора 64
3.3.2 Собственные колебания без обратной связи 65
3.3.3 Собственные колебания с обратной связью 67
3.3.4 Изменение эквивалентной жесткости 69
3.4 Выводы 71
4 Экспериментальная проверка эффекта управления жесткостью колебательной системы ... 72
4.1 Особенности конструкции экспериментальной установки 72
4.2 Расчет параметров необходимых для реализации 73
4.3 Результаты эксперимента 74
4.4 Выводы 76
Заключение 77
Список использованных источников 79
1 Обзор методов и технических средств, применяемых для измерения вязкости жидкостей .. 7
1.1 Понятие вязкости 7
1.1.1 Динамическая вязкость 8
1.1.2 Кинематическая вязкость 10
1.1.3 Условная вязкость 12
1.1.4 Обзор вязкостей жидкостей, используемых при калибровке вискозиметров 13
1.2 Методы и технические средства измерения вязкости.
Классификация вискозиметров 14
1.2.1 Ротационные вискозиметры 14
1.2.1.1 Вискозиметры Брукфильда 15
1.2.1.2 Экспресс-анализаторы вязкости RVA 16
1.2.2 Капиллярные вискозиметры 17
1.2.3 Вискозиметр с падающим шариком 19
1.2.3.1 Вискозиметры Anton Paar 21
1.2.4 Вибрационные вискозиметры 22
1.2.4.1 Вибрационный вискозиметр для процесса непрерывного
действия L-vis 520 series 24
1.2.4.2 Вискозиметр вибрационный низкочастотный ВВН-8 25
1.2.4.3 Вибровискозиметр камертонного типа 26
1.3 Способы возбуждения колебаний в вибровискозиметре 27
1.3.1 Механический метод возбуждения 28
1.3.2 Радиационный метод возбуждения 29
1.3.3 Магнитный и магнитострикционный метод возбуждения 30
1.3.4 Пьезоэлектрический метод возбуждения 32
1.4 Выводы 37
2 Моделирование и экспериментальное исследование характеристик
вибровискозиметрического датчика 38
2.1 Конструкция датчика 38
2.2 Разработка физической модели датчика 39
2.3 Результаты моделирования 43
2.3.1 Анализ свободных колебаний в вибровискозиметрическом датчике 43
2.3.2 Анализ влияния параметров элементов вибровискозиметрического датчика на его характеристики 46
2.3.2.1 Анализ влияния массы зонда 46
2.3.2.2 Изменение длины пьезотрубок 49
2.3.3 Анализ влияния исследуемой жидкости на характеристики
вибровискозиметрического датчика 51
2.3.3.1 Изменение коэффициента вязкости жидкости 51
2.3.3.2 Изменение присоединенной массы 53
2.3.4. Сравнение экспериментальных значений и значений, полученных моделированием 54
2.4 Выводы 58
3 Управление эквивалентной жесткостью колебательной системы вибровискозиметрического датчика 59
3.1 Принцип эквивалентности 60
3.2 Разработка эквивалентной электрической принципиальной схемы
вибровискозиметрического датчика с управляемой жесткостью 62
3.3 Результаты моделирования 64
3.3.1 Вынужденные колебания с возбуждением от внешнего генератора 64
3.3.2 Собственные колебания без обратной связи 65
3.3.3 Собственные колебания с обратной связью 67
3.3.4 Изменение эквивалентной жесткости 69
3.4 Выводы 71
4 Экспериментальная проверка эффекта управления жесткостью колебательной системы ... 72
4.1 Особенности конструкции экспериментальной установки 72
4.2 Расчет параметров необходимых для реализации 73
4.3 Результаты эксперимента 74
4.4 Выводы 76
Заключение 77
Список использованных источников 79
Вязкость является параметром, характеризующим интенсивность межмолекулярных взаимодействий в жидкостях. Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. Современные вискозиметры характеризуются высокой степенью автоматизации процесса измерения, а при их производстве используются самые современные технологии [1]. Вибровискозиметры являются перспективной разновидностью подобных приборов. В них для измерения вязкости используется колебательная система, взаимодействующая с исследуемой жидкостью.
Благодаря тому, что вязкость несет информацию о внутреннем строении жидкости, возникает возможность ее использования для оценки потребительских свойств различных жидкостей, используемых в химической и пищевой промышленности, для оценки эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей и топлив. Особое значение и актуальность, в связи с этим, приобретает задача повышения точности измерений и расширение функциональных возможностей вискозиметров.
Один из перспективных образцов вибровискозиметра был разработан в УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН в ходе исследований свойств многокомпонентных жидкостей. Его основу составляет вибровискозиметрический датчик с колебательной системой на основе трубчатых пьезоэлементов [2]. Выпускная квалификационная работа посвящена моделированию и экспериментальному исследованию влияния параметров колебательной системы данного датчика на метрологические характеристики вибровискозиметра. С целью расширения функциональных возможностей вибровискозиметра в работе анализируется возможность электрического управления эквивалентной жесткостью колебательной системы датчика.
Работа представлена в рамках четырех глав.
В первой главе рассмотрен физический смысл понятия вязкости, а также физические величины, используемые для описания вязкостных свойств жидкости. Дан обзор способов и технических средств измерения вязкости. Рассмотрены различные способы возбуждения колебаний в вибрационных вискозиметрах.
Вторая глава посвящена описанию установки для исследования вязкостных свойств жидкостей, одной из составных частей которой является вибровискозиметрический датчик. Описана структурная схема установки, предложен вариант конструкции датчика. Приведены результаты моделирования колебательной системы: математическое описание, анализ свободных колебаний, спектр колебаний, АЧХ колебательной системы и анализ результатов при различных изменениях вязкости, массы и других параметров элементов системы.
В третьей главе рассматривается возможность управления коэффициентом жёсткости колебательной системы. В основе управления коэффициентом жесткости лежит введение сигнала обратной связи пропорционального смещению колеблющейся массы из положения равновесия. Проведено моделирование колебательной системы с управлением жёсткостью с использованием программы Multisim. Для проведения моделирования механическая колебательная система была преобразована в эквивалентную электрическую.
В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования по управлению коэффициентом жесткости. Эксперименты проводились с использованием разработанного макета колебательной системы с электромагнитным возбуждением. Исследовалась зависимость частоты собственных колебаний от коэффициента обратной связи. Проведен анализ полученных результатов.
Благодаря тому, что вязкость несет информацию о внутреннем строении жидкости, возникает возможность ее использования для оценки потребительских свойств различных жидкостей, используемых в химической и пищевой промышленности, для оценки эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей и топлив. Особое значение и актуальность, в связи с этим, приобретает задача повышения точности измерений и расширение функциональных возможностей вискозиметров.
Один из перспективных образцов вибровискозиметра был разработан в УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН в ходе исследований свойств многокомпонентных жидкостей. Его основу составляет вибровискозиметрический датчик с колебательной системой на основе трубчатых пьезоэлементов [2]. Выпускная квалификационная работа посвящена моделированию и экспериментальному исследованию влияния параметров колебательной системы данного датчика на метрологические характеристики вибровискозиметра. С целью расширения функциональных возможностей вибровискозиметра в работе анализируется возможность электрического управления эквивалентной жесткостью колебательной системы датчика.
Работа представлена в рамках четырех глав.
В первой главе рассмотрен физический смысл понятия вязкости, а также физические величины, используемые для описания вязкостных свойств жидкости. Дан обзор способов и технических средств измерения вязкости. Рассмотрены различные способы возбуждения колебаний в вибрационных вискозиметрах.
Вторая глава посвящена описанию установки для исследования вязкостных свойств жидкостей, одной из составных частей которой является вибровискозиметрический датчик. Описана структурная схема установки, предложен вариант конструкции датчика. Приведены результаты моделирования колебательной системы: математическое описание, анализ свободных колебаний, спектр колебаний, АЧХ колебательной системы и анализ результатов при различных изменениях вязкости, массы и других параметров элементов системы.
В третьей главе рассматривается возможность управления коэффициентом жёсткости колебательной системы. В основе управления коэффициентом жесткости лежит введение сигнала обратной связи пропорционального смещению колеблющейся массы из положения равновесия. Проведено моделирование колебательной системы с управлением жёсткостью с использованием программы Multisim. Для проведения моделирования механическая колебательная система была преобразована в эквивалентную электрическую.
В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования по управлению коэффициентом жесткости. Эксперименты проводились с использованием разработанного макета колебательной системы с электромагнитным возбуждением. Исследовалась зависимость частоты собственных колебаний от коэффициента обратной связи. Проведен анализ полученных результатов.
В ходе работы проведен обзор научной литературы по методам и техническим средствам, применяемым для измерения вязкости жидкостей. Проведен комплексный анализ существующих методов возбуждения колебательных систем и классификации вискозиметрических датчиков, который показал наиболее подходящие по точности и условиям параметры.
Во второй главе проведено моделирование колебательной системы ВВД на основе пьезотрубок. Подтвержден сложный характер колебательных процессов в вибровискозиметрическом датчике. С использованием метода свободных колебаний и спектра свободных колебаний были выявлены характерные пики, соответствующие отдельным компонентам колебательной системы. Результатами исследования так же являются выявленные зависимости от изменения параметров колебательной системы.
В третьей главе описывается моделирование управления коэффициентом жесткости. В ходе проведенного моделирования было подтверждено, что частота собственных колебаний зависит от коэффициента обратной связи. Была выявлена АЧХ, на которой подтверждается наличие резонанса при значении 300 Гц. Изменение полярности обратной связи приводит либо к увеличению частоты, либо к ее уменьшению, что эквивалентно либо увеличению, либо уменьшению коэффициента жесткости. Исследовалась зависимость частоты собственных колебаний от коэффициента обратной связи.
В четвертой главе экспериментально управление коэффициентом жесткости было подтверждено, выявлена зависимость резонансной частоты от коэффициента усиления сигнала обратной связи.
По результатам проведенных исследований были сделаны доклады, а также принималось участие в научно-технических конференциях, школах- семинарах, научно-теоретической конференции. Были опубликованы тезисы и получен Диплом 2-ей степени за лучший доклад на 22-ой Всероссийской молодежной научной школе-семинаре “АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ” (Ульяновск, 2019).
Во второй главе проведено моделирование колебательной системы ВВД на основе пьезотрубок. Подтвержден сложный характер колебательных процессов в вибровискозиметрическом датчике. С использованием метода свободных колебаний и спектра свободных колебаний были выявлены характерные пики, соответствующие отдельным компонентам колебательной системы. Результатами исследования так же являются выявленные зависимости от изменения параметров колебательной системы.
В третьей главе описывается моделирование управления коэффициентом жесткости. В ходе проведенного моделирования было подтверждено, что частота собственных колебаний зависит от коэффициента обратной связи. Была выявлена АЧХ, на которой подтверждается наличие резонанса при значении 300 Гц. Изменение полярности обратной связи приводит либо к увеличению частоты, либо к ее уменьшению, что эквивалентно либо увеличению, либо уменьшению коэффициента жесткости. Исследовалась зависимость частоты собственных колебаний от коэффициента обратной связи.
В четвертой главе экспериментально управление коэффициентом жесткости было подтверждено, выявлена зависимость резонансной частоты от коэффициента усиления сигнала обратной связи.
По результатам проведенных исследований были сделаны доклады, а также принималось участие в научно-технических конференциях, школах- семинарах, научно-теоретической конференции. Были опубликованы тезисы и получен Диплом 2-ей степени за лучший доклад на 22-ой Всероссийской молодежной научной школе-семинаре “АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ” (Ульяновск, 2019).