курсовая работа / изобретение магнитожидкостного ротационного

МИНИСТЕРСТВО РФ ПО ВЫСШЕМУ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ

КАФЕДРА УИТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По курсу: «Основы патентоведения»

Тема: «Заявка на выдачу патента РФ на изобретение магнитожидкостного ротационного

вискозиметра»

Выполнил: ст. гр. УИТ-42

Ефремов Р. В.

Принял: преп. каф.

Знамцев Ю. М.

Балаково 1999

Описание изобретения

Данное изобретение представляет собой ротационный магнитожидкостный вискозиметр.

Изобретение относится к ротационным вискозиметрам проточного типа и может быть использовано в различных устройствах автоматики, системах автоматического регулирования и контроля технологических процессов (Абдулаев А. А., Бланк Б. В., Юфин В. А. Контроль в процессах транспорта и хранения нефтепродуктов. –М.: Недра, 1990).

Вискозиметр – это прибор, служащий для измерения вязкости контролируемой среды.

Вязкость – это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой, обуславливающее возникновение в них при их движении касательных напряжений (Майфис И. М. Химия диэлектриков. – М.: Химия,).

В производстве полимеров, пластических масс, нефтепродуктов, синтетических красок, смазочных материалов и многого другого вязкость является важнейшим показателем, характеризующим качество получаемой продукции (Гатчек Э. Вязкость жидкостей, пер. с анг., 2 изд. – М-Л, 1935). Вязкость является одним из важнейших параметров, точность и надежность измерения которого определяют достоверность результатов экспериментальных исследований, качество технологических процессов, оптимальные режимы работы объектов в энергетике, транспорте, эффективность добычи и переработки нефти и нефтепродуктов (Белянин Б. В., Эрих В. Н., Корсаков В. Г. Технический анализ нефтепродуктов и газа. –5-е изд., перераб. – Л.: Химия,1986). На основании показателя вязкости можно оценивать способность жидкого диэлектрика отводить тепло от нагревательных элементов электрического оборудования. В связи с этим во многих случаях важно непрерывное автоматическое измерение вязкости (Фукс Г. Н. Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М.,1956).

Идеальный вискозиметр должен отвечать следующим требованиям:

1. Независимость точности показаний от физико-химических свойств контролируемой среды и содержания в ней примесей и включений;

2. Широкий диапазон измеряемой величины;

3. Широких диапазон контролируемых сред (без осуществления существенной переналадки);

4. Массо-габаритные показатели приборного класса;

5. Возможность применения не в лабораторных условиях, а непосредственно на производстве;

6. Проточный тип вискозиметра;

7. Электрический выходной сигнал:

8. Максимально достижимая точность показаний.

Многообразие требований к технической реализации измерения вязкости, различные физико-химические свойства контролируемых сред способствуют появлению, разработке и внедрению в практику множества вискозиметров различной конструкции. (Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. – М.: Машиностроение, 1983).

Существует довольно много различных видов вискозиметров и их конструкций (Арутюнов О. С. Датчики состава и свойств вещества. – М.: Энергия, 1966).

Принцип работы вискозиметров с падающим шариком основан на зависимости времени свободного падения шарика в среде с измеряемой вязкостью от вязкости этой среды (Авторское свидетельство СССР № 530465, Кл. Н 03К 19/36, 06.08.75). Но данный тип вискозиметров весьма чувствителен к загрязнениям контролируемой среды и к наличию в ней пузырьков газа, поэтому их применяют только для контроля однородных жидкостей. Кроме того данный тип требует вертикального участка трубопровода и мало приспособлен для контроля вязкости проточных сред.

Ультразвуковые вискозиметры работают за счет зависимости скорости ультразвука от вязкости проводящей ультразвук среды (Авторское свидетельство СССР № 581950, Кл. Н 03Н 19/36, 23.03.78). Их широкому применению препятствуют как более высокая стоимость по сравнению с другими типами вискозиметров, так и зависимость скорости ультразвука от температуры среды. Они обладают ограниченным диапазоном измерения, ограниченной точностью. На показания влияют примеси в среде и загрязнение приемников и излучателей ультразвука.

Вибрационные вискозиметры сравнивают скорость распространения вибрации в измеряемой и эталонной жидкости (Авторское свидетельство СССР № 784808, Кл. Н 03Н 19/36, 25.02.83). Их показания также зависят от целого ряда физико-химических параметров, наличия примесей.

Новые модели вискозиметров созданы на основе электрогидродинамического эффекта, так как произведение удельной проводимости и вязкости для данной жидкости остается постоянным при различных температурах (если пренебречь током тепловой диссоциации) или линейно возрастает с ростом температуры. Другими словами между удельной проводимостью и вязкостью среды диэлектрика существует зависимость, выделив которую можно проектировать вискозиметры проточного типа для непрерывного контроля вязкости, относительно простой конструкции и высокой надежности и точности. Но и здесь существует целый ряд еще не разрешенных проблем, которые препятствуют широкому внедрению этого типа вискозиметров на производстве.

В приборах для автоматического контроля и измерения вязкости жидких продуктов наибольшее применение в производственных условиях получили ротационные вискозиметры, работа которых основана на методе вращающихся поверхностей и зависимости скорости вращения от вязкости среды. Однако наличие большого количества подвижных частей, различного рода вспомогательных электроагрегатов, сложность конструкции являются существенными недостатками этого типа вискозиметров. Существующие вискозиметры, как отечественного производства (ВЗМ – 5,ВАП – 2, АКВ – 2, УВВ – 59 и прочие), так и зарубежного (VISKORATOR, VISKOSITY MOWITOR, JEIJCOUR и прочие) обладают достаточно большими (не приборного класса) габаритами и весом, либо предназначены для лабораторного контроля. Наличие устройства термостабилизации в зоне измерения является обязательным условием, обеспечивающим точность измерения.

Таким образом, можно отметить, что проблема автоматического измерения и контроля вязкости проточной среды решена не полностью.

В качестве прототипа данного изобретения можно указать ротационный вискозиметр для измерения вязкости чернил, созданный фирмой “Crosfield” (Фертман В. Е. Магнитные жидкости. Справочное пособие. – Минск.: Вышэйная школа, 1988), содержащий постоянный цилиндрический магнит 1 (см. рис.1 приложения), который вместе с полюсными наконечниками 7 жестко крепится к внешнему немагнитному цилиндру 3, приводимому во вращение со скоростью n = 2000 об/мин электродвигателем 2.

Магнитная жидкость 4 удерживается в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и цилиндрическим корпусом 8 из магнитомягкого материала. Корпус в свою очередь жестко связан со второй частью внешнего цилиндра 5, внутри которого располагается тонкий цилиндрический торсион, передающий момент вращения от цилиндра 3 коническому элементу 6. По углу закручивания торсиона рассчитывают вязкость чернил.

Данная модель вискозиметра обладает тем недостатком, что выходная величина является механической по своей природе – механическое угловое перемещение стрелки указателя, прикрепленной к торсиону, и для дальнейшего использования показаний вискозиметра в САР технологического процесса их необходимо преобразовывать в электрический сигнал, что связано с применением дополнительных устройств, привнесением в сигнал дополнительной погрешности. Дополнительный недостаток – узкий диапазон измеряемой величины, а следовательно и узкий набор контролируемых сред, для которых можно обойтись без механической переналадки вискозиметра.

Сущность изобретения в использовании зависимости величины приложенного к магнитной жидкости внешнего магнитного поля (а следовательно и тока создающего это магнитное поле) от величины возникающего в магнитной жидкости электромагнитного момента, равного по величине моменту сил вязкого трения контролируемой проточной среды.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей ротационного магнитожидкостного вискозиметра и улучшение его технических характеристик.

Как было уже отмечено выше, измерение и контроль вязкости проточных сред играет большую роль во многих динамических процессах с развитыми системами автоматического контроля и регулирования, поэтому это прежде всего повышение быстродействия и чувствительности вискозиметра; расширение диапазона измеряемой величины и рода контролируемых сред; получение электрического выходного сигнала, пригодного для дальнейшего использования в системах автоматики без дополнительных преобразований рода сигнала, что более удобно, а также способствует повышению точности и надежности измерений; снижение зависимости показаний прибора от физико-химических факторов среды, повышение точности измерения контролируемой величины.

С этой целью в конструкцию внесены существенные принципиальные изменения, а именно: роль преобразователя контролируемой величины (вязкости) в выходной электромагнитный сигнал возложена непосредственно на магнитную жидкость, а в конструкцию вискозиметра включен электромагнит.

Ротационный магнитожидкостный вискозиметр содержит два цилиндрических магнита в форме стакана 1 и 2 (см. рис.2), первый из которых жестко крепится к валу электродвигателя 4 и приводится им во вращение. Магнит 2 в свою очередь жестко связан с коническим элементом 5, погруженным в проточную часть трубопровода 6 с контролируемой средой. Между магнитами 1 и 2 находится магнитная жидкость 3, к которой через электромагнит 8 приложено управляемое магнитное поле. Она осуществляет передачу вращающего момента от магнита 1 к магниту 2, а следовательно и коническому элементу. Магнит 2, соединенный с коническим элементом фиксируется шарикоподшипником. Прибор помещается в корпус 7 из оргстекла во избежание влияния внешних магнитных полей на показания прибора. Ток через электромагнит является функцией вязкости протекающей по трубопроводу жидкой среды.

Возможность удерживать неоднородным магнитным полем объем магнитной жидкости, на которую действует сторонняя сила известна давно и широко применяется. Также широко применяется и возможность управления величиной передаваемого момента от величины приложенного внешнего магнитного поля. В данном устройстве взята за основу обратная зависимость величины внешнего магнитного поля от величины возникающего в магнитной жидкости электромагнитного момента, равного по величине моменту сил вязкого трения в контролируемой проточной среде.

2. Под действием внешнего магнитного поля магнитные частицы жидкости в зазоре между полюсами постоянных магнитов ориентируются вдоль силовых линий (см. рис. 3а) и вектор намагниченности направлен строго вертикально (то есть имеет только нормальную составляющую F_n).Возникающие магнитная сила и ее момент также направлены нормально. Магнитная сила, действующая на слой магнитной жидкости в этом положении, равна (Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей, М-Л, 1945)

где S – площадь свободной поверхности слоя жидкости;

к₀ – коэффициент характеризующий род магнитной жидкости;

М – магнитный вектор;

Н – электрический вектор.

При приведении верхнего магнита во вращение электродвигателем вектор силы смещается и появляется тангециальная составляющая силы F_ и момента (см. рис. 3б), уравновешивающая силу вязкого трения конического элемента в контролируемой проточной среде. Величина тангенциальной составляющей зависит от момента вязкого трения (от коэффициента вязкости). С другой стороны (Блум Э. Я., Цеберс А. О. Магнитные жидкости. – М.: Знание, 1989)

где  - коэффициент.

Так как ток I=f(H), а Н=f(₀), то I=f(₀). То есть в магнитной жидкости возникает внутреннее магнитное поле, тангенциальная составляющая которого взаимодействует с внешним магнитным полем электромагнита, вызывая изменение протекающего через его обмотку постоянного тока (см. рис. 4).

При изменении рода контролируемой проточной среды изменение компенсируется все тем же током электромагнита и выходной градуировочный график всего лишь смещается, что легко учесть соответствующим коэффициентом, что позволяет легко изменять род контролируемой проточной среды, без конструктивной переналадки вискозиметра. Сам же график практически линейный и обладает большим рабочим участком, что существенно расширяет диапазон контролируемой величины.

В слабых магнитных полях намагниченность жидкости линейно зависит от величины поля, поэтому выражение для силы, действующей на каплю магнитной жидкости объемом V, принимает вид (Берковский Б. М. Магнитные жидкости. – М.: Химия, 1989):

Очевидно, что величина тангенциальной составляющей зависит от момента вязкого трения (от коэффициента вязкости) по третьему закону Ньютона, а следовательно и Н=f(₀). Тогда очевидно, что и ток I=f(H)=f(₀).

Действующая модель данного вискозиметра была собрана при кафедре УИТ БИТТУ СГТУ (чертежи прилагаются).

Формула изобретения

Ротационный магнитожидкостный вискозиметр, содержащий два магнита, один из которых упруго крепится к валу электродвигателя и приводится им во вращение, а второй в свою очередь связан с элементом, погруженным в часть трубопровода с контролируемой средой и на который воздействует момент сил вязкого трения, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей вискозиметра, улучшения его технических характеристик и получения электрического выходного сигнала, передача вращающего момента между магнитами осуществляется посредством магнитной жидкости к которой приложено управляемое магнитное поле введенного в конструкцию вискозиметра электромагнита, ток через катушку которого является функцией вязкости протекающей по трубопроводу жидкой среды.