Sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)OPIS PATENTOWY (19)PL (11)167948
(13) B1
(21) Numer zgłoszenia: 2 9 3 6 9 2
(51) IntCl6:
G 01N 1 1 /1 6
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(
5
4
)
(22) Data zgłoszenia: 0 4 .0 3 .1 9 9 2
G01R 19/20
Sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy
(73) Uprawniony z patentu:
Przedsiębiorstwo "SECURA B.C.” Spółka z
o.o., Warszawa, PL
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
06.09.1993 BUP 18/93
(4 5 )
(72)
Twórcy wynalazku:
Włodzimierz Piłaciński, Warszawa, PL
Bogusław Korecki, Warszawa, PL
Leon Gradoń, Warszawa, PL
Ryszard Płowiec, Warszawa, PL
Andrzej Kaczyński, Warszawa, PL
Jacek Bodasiński, Warszawa, PL
O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.12.1995 WUP 12/95
(74)
Pełnomocnik:
Padée Grażyna, Politechnika Warszawska
PL 167948 B1
(57)
1. Sposób pomiaru lepkości cieczy, polegający na
pomiarze szybkości zaniku drgań przetwornika zanurzonego w badanej cieczy, w którym sygnał ten poddaje
się przetworzeniu na napięcie stałe, a następnie całkowaniu, znamienny tym, że z sygnału przetwornika, stanowiącego sondę pomiarową (S) wydziela się składową
aperiodyczną, którą następnie całkuje się w dwu kolejnych przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio po
sobie.
2. Układ do pomiaru lepkości cieczy, zawierający
przetwornik badanej cieczy na wejściu którego włączony
jest generator wzbudzenia przetwornika, zaś wyjście jest
połączone poprzez wtórnik ze wzmacniaczem, wyjście
którego jest połączone poprzez detektor napięcia z
przetwornikiem napięcie - częstotliwość z kompensacją
ładunku oraz zawierający klucze analogowe i blok sterujący, znamienny tym, że wyjście generatora (G) jest połączone poprzez pierwszy klucz analogowy (K1) z wtórnikiem (WT) oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę pomiarową (S), zaś wyjście wtórnika (WT)
jest połączone poprzez drugi klucz analogowy (K2) ze
wzmacniaczem pasmowo - przepustowym (W) oraz poprzez trzeci klucz analogowy (K3) z masą układu pomiarowego, ponadto wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość (P) jest połączone z wejściem bloku sterowania
(BS), zaś wyjścia sterujące (Wy1, Wy2, Wy3) bloku sterowania (BS) są połączone z wejściami sterującymi kluczy
analogowych (K1, K2, K3).
Sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy
Zastrzeżenia
patentowe
1. Sposób pomiaru lepkości cieczy, polegający na pomiarze szybkości zaniku drgań przetwornika zanurzonego w badanej cieczy, w którym sygnał ten poddaje się przetworzeniu na napięcie
stałe, a następnie całkowaniu, znamienny tym, że z sygnału przetwornika, stanowiącego sondę
pomiarową (S) wydziela się składową aperiodyczną, którą następnie całkuje się w dwu kolejnych
przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio
po sobie.
2. Układ do pomiaru lepkości cieczy, zawierający przetwornik badanej cieczy na wejściu
którego włączony jest generator wzbudzenia przetwornika, zaś wyjście jest połączone poprzez
wtórnik ze wzmacniaczem, wyjście którego jest połączone poprzez detektor napięcia z przetwornikiem napięcie - częstotliwość z kompensacją ładunku oraz zawierający klucze analogowe i blok
sterujący, znamienny tym, że wyjście generatora (G) jest połączone poprzez pierwszy klucz analogowy (K1) z wtórnikiem (WT) oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę pomiarową
(S), zaś wyjście wtórnika (WT) jest połączone poprzez drugi klucz analogowy (K2) ze wzmacniaczem pasmowo-przepustowym (W) oraz poprzez trzeci klucz analogowy (K3) z masą układu
pomiarowego, ponadto wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość (P) jest połączone z wejściem
bloku sterowania (BS), zaś wyjścia sterujące (Wy1, Wy2, Wy3) bloku sterowania (BS) są połączone z
wejściami sterującymi kluczy analogowych (K1, K2, K3).
3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że blok sterujący (BS) wyposażony jest w licznik i
procesor oraz połączony jest z wyświetlaczem (WS) i klawiaturą (KL).
* * *
Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru lepkości cieczy, zwłaszcza do
pomiaru lepkości płynów biologicznych.
Znany sposób pomiaru lepkości krwi polega na pomiarze szybkości zanikania drgań przetwornika magnetostrykcyjnego zawierającego rdzeń ferrytowy umieszczony w polu magnetycznym
cewki. Cewka zasilana jest z generatora obcowzbudnego, który wymusza powstanie pola magnetycznego powodując drgania rdzenia ferrytowego. Drgania te poprzez pręt kwarcowy przenoszone są
do czujnika zanurzonego w cieczy. Pomiar lepkości cieczy polega na pomiarze sygnału elektrycznego tłumienia wnoszonego przez badaną ciecz i porównaniu z sygnałem tłumienia w stanie
swobodnym drgań. Sygnały te są następnie całkowane i przetwarzane na napięcie stałe, które jest
mierzone za pomocą elektrycznego przyrządu wychyłowego.
Wadą takiego sposobu pomiaru lepkości oraz układu pomiarowego jest to, że ze względu na
słabe sprzężenie magnetyczne rdzenia ferrytowego z cewką, niemożliwe jest zbudowanie generatora o częstotliwości drgań własnych przetwornika, ponieważ sygnał zwrotny z przetwornika jest
zbyt słaby. Ponadto niedogodnością jest zależność wartości napięcia od wartości początkowej
amplitudy drgań, niestabilności termicznych układu i czasu całkowania.
Znane jest z książki pt. „Miernictwo elektroniczne“ aut. Zdzisław Karkowski, Wydawnictwa
Szkolne i Pedagogiczne, 1981, rozwiązanie przetwornika AC z całkowaniem podwójnym w którym, w pierwszym okresie całkowany jest sygnał mierzony, natomiast w drugim okresie (o równym
bądź różnym czasie trwania) całkowany jest sygnał odniesienia, a następnie porównywane są czasy
całkowania, na podstawie których wnioskuje się o wartości sygnału wejściowego. W rozwiązaniu
tym, przez podwójne całkowanie eliminowane są błędy integratora takie jak nieliniowość układu
oraz inne zakłócenia, zaś efektem końcowym jest wartość (amplituda) sygnału wejściowego.
Znane są również układy elektroniczne wyposażone w klucze analogowe i bloki sterujące.
167 948
3
Sposób według wynalazku polega na tym, że z sygnału przetwornika zanurzonego w badanej
cieczy, który stanowi sondę pomiarową wydziela się składową aperiodyczną, którą następnie
całkuje się w dwu kolejnych przedziałach czasu, przy czym przedziały czasu całkowania są jednakowe i występują bezpośrednio po sobie.
Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że wyjście generatora jest połączone poprzez
pierwszy klucz analogowy z wtórnikiem oraz przetwornikiem badanej cieczy, stanowiącym sondę
pomiarową, zaś wyjście wtórnika jest połączone poprzez drugi klucz analogowy ze wzmacniaczem
pasmowo-przepustowym oraz poprzez trzeci klucz analogowy z masą układu pomiarowego.
Wyjście przetwornika napięcie - częstotliwość jest połączone z wejściem bloku sterowania, którego
wyjścia sterujące są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych.
Korzystne jest jeśli blok sterujący wyposażony jest w licznik i procesor oraz połączony jest z
wyświetlaczem oraz klawiaturą.
Zgodnie ze sposobem poprzez dwukrotne całkowanie sygnału wejściowego uniezależniono
wynik pomiaru od ampiltudy drgań sondy, wzmocnienia toru pomiarowego, wartości współczynnika przetwarzania przetwornika napięcie częstotliwość.
W układzie według wynalazku, pobudzenie sondy do drgań na własnej częstotliwości rezonansowej pozwala uzyskać dużą dobroć sondy.
Przykład stosowania sposobu jest objaśniony w oparciu o przykład wykonania układu,
przedstawiony na rysunku w ujęciu blokowym.
Sposób pomiaru lepkości cieczy, polega na pomiarze tłumienia drgań sondy pomiarowej S.
Szybkość zaniku drgań sondy S wyznacza się na podstawie zmiany amplitudy sygnału elektrycznego z przetwornika napięcie-częstotliwośćP.
Sygnał elektryczny sondy S opisany jest wzorem:
U = U o sin(2πf t) e -αt
gdzie:
Uo - amplituda początkowa sygnału, f - częstotliwość drgań sondy, a - dekrement tłumienia,
t-czas.
Po detekcji sygnału z sondy S w detektorze napięcia D, z którego otrzymywany jest sygnał
napięcia stałego, zanika czynnik zależny od częstotliwości. Sygnałem poddanym dalszemu przetworzeniu jest:
U1= U oAe-αt
gdzie:
A - wzmocnienie toru pomiarowego.
Otrzymywany sygnał napięciowy U1 poddaje się pierwszemu całkowaniu w przedziale czasu
(to, to + T ), a więc:
stąd
a następnie drugiemu całkowaniu w przedziale czasu (to + T, to + 2T)
S2=
Uo
α
e -at1∙(1-e- T ) ∙ e- T ∙ A
gdzie:
S1 - całkowana wartość sygnału napięciowego z przetwornika zanurzonego w badanej cieczy w
przedziale czasu (to + T).
S 2 - całkowana wartość sygnału napięciowego z przetwornika zanurzonego w badanej cieczy w
przedziale czasu (to + T, to + 2T) wówczas stosunek dwóch wartości całkowanych S1 do S2 jest
równy e-αT i nie zależy od amplitudy sygnału napięciowego, ani wzmocnienia toru pomiarowego,
lecz tylko od szybkości zaniku drgań sondy S. Nie zależy również od momentu rozpoczęcia
4
167 948
pomiaru. Czynnikiem wpływającym na pomiar jest dokładność czasu całkowania. Całkowanie
sygnału napięcia stałego prowadzi się w przetworniku P z kompensacją ładunku (przetwornik
sigma - delta) i w postaci ciągu impulsów podaje się na wejście WE bloku sterującego BS
wyposażonego w licznik, w którym się je zlicza. Dalsze przetwarzanie sygnału prowadzi się w
procesorze bloku sterowania BS w postaci cyfrowej.
Układ do pomiaru lepkości cieczy posiada wyjście generatora G połączone poprzez pierwszy
klucz analogowy K1 z wtórnikiem WT oraz sondą pomiarową S, zaś wyjście wtórnika WT ma
połączone poprzez drugi klucz analogowy K2 ze wzmacniaczem pasmowo - przepustowym W oraz
poprzez trzeci klucz analogowy K3 z masą układu pomiarowego. Wyjście wzmacniacza pasmowo
-przepustowego W jest połączone poprzez detektor napięcia D z przetwornikiem napięcie - częstotliwość P, którego wyjście jest połączone z wejściem WE bloku sterowania BS, zaś wyjścia sterujące
Wy1, Wy2, Wy3 bloku sterowania BS są połączone z wejściami sterującymi kluczy analogowych
K1, K2, K3 ponadto z blokiem sterowania BS są połączone klawiatura K1 oraz wyświetlacz WS.
Układ działa w sposób niżej opisany. Układ składa się z części nadawczej i odbiorczej,
pracujących naprzemiennie. Wspólne są tylko sonda S i blok sterowania BS. Część nadawczą
tworzą generator G wraz z sondą S. W czasie pracy nadawczej klucze K1, K3 są zwarte, zaś klucz
K2 rozwarty. Zwarcie klucza K1 powoduje połączenie sondy S z generatorem G. Sonda S stanowiąca element rezonansowy generatora G zostaje pobudzona do drgań na własnej częstotliwości
rezonansowej. Amplituda drgań sondy S jest stabilizowana przez blok automatycznej regulacji
wzmocnienia (ARW) generatora G. Po rozwarciu klucza K 1 praca generatora G ustaje. W czasie
pracy odbiorczej klucze K 1, K3 są rozwarte, zaś klucz K2 zwarty. Sonda S pobudzona do drgań,
drga nadal z wykładniczo malejącą amplitudą. Zadaniem części odbiorczej jest takie przetworzenie
sygnału z sondy S aby można było wyznaczyć szybkość zaniku drgań. Sygnał z sondy S zostaje
podany na wejście wtórnika WT. Wtórnik WT jest układem separującym sondę od kluczy K2, K3.
Wzmacniacz pasmowo - przepustowy W eliminuje sygnały zakłócające, zwłaszcza pochodzące od
sieci energetycznej i wzmacnia sygnał sondy S. Detektor D zamienia sygnał zmienny z sondy S na
równoważny mu sygnał stały, ponieważ składowa stała sygnału na wyjściu detektora D jest
proporcjonalna do amplitudy sygnału zmiennego na wejściu. Przetwornik napięcie - częstotliwość
P przetwarza sygnał stały z detektora D na sygnał impulsowy. Na wejście WE bloku sterowania BS
podawane są impulsy, których chwilowa częstotliwość jest proporcjonalna do chwilowej wartości
amplitudy drgań sondy S. Liczba impulsów przetwornika P w dowolnym przedziale czasu jest
proporcjonalna do całki pod obwiednią sygnału sondy S w tym czasie. Jeżeli zostanie zcałkowany
sygnał z sondy S w dwóch następujących bezpośrednio po sobie przedziałach czasowych to,
to + T = to + T, to + 2T, to stosunek dwóch wartości całkowanych S1 i S2 będzie zależał wyłącznie
od szybkości zaniku drgań sondy S. Otrzymany wynik jest niezależny od amplitudy sygnału z
sondy S, wzmocnienia toru pomiarowego, wartości współczynnika przetwarzania przetwornika
napięcie - częstotliwość P. Blok sterowania BS, spełnia dwie podstawowe funkcje, a mianowicie,
obsługuje proces pomiarowy i oblicza wyniki oraz umożliwia współpracę z użytkownikiem. Obsługa procesu pomiarowego polega na włączaniu i wyłączaniu kluczy K 1, K2, K3 według określonego algorytmu oraz zliczaniu w określonych przedziałach czasowych impulsów z przetwornika P.
Po zakończeniu pomiaru następuje obliczanie wyniku i jego wyświetlenie na wyświetlaczu WS.
Dodatkowo blok sterowania BS umożliwia zaprogramowanie parametrów pomiaru.
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.
Cena 1.50 zł