СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК G01N11/12 

Изобретение относится к способам измерения физико-химических характеристик жидких сред, в частности, их вязкости.

Известен способ снижения скорости погружения шарового зонда за счет введения противовеса, связанного с шаровым зондом, перекинутым через блок эластичным тросом [1] Однако его недостатком является ухудшение метрологических характеристик измерения прежде всего из-за наличия трения в подшипниках блока.

Известен способ измерения вязкости и плотности жидкости [2] включающий погружение шарового зонда радиуса R и плотностью материала ρ_з в жидкость с начальной скоростью V_о, измерение скорости равномерного перемещения зонда V_р и определение вязкости. Измерение осуществляют на участке ускоренного движения зонда в моменты времени t оценкой координат L или скоростей V, или ускорений dv/dt. Определяют постоянную времени Т движения зонда как решение соответствующего уравнения:
L=V_р•t-T•(V_р-V_o)1-e
V=V_р-(V_р-V_o)•e
e и определяют значение вязкости η по соотношению
η
Однако недостатком известного способа является то, что в процессе погружения его скорость может стать столь большой, что закон Стокса, на котором основывается способ измерения, может не выполняться.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит шаровой зонд 1, ускоритель 2, измеритель 3 параметров движения, вычислительный блок 4. Вход и два выхода вычислительного блока 4 соединены с выходом измерителя 3 и его входом и входом ускорителя 2 соответственно.

Индексом 5 на чертеже обозначена исследуемая жидкость.

Способ измерения вязкости жидкости может быть реализован следующими способами в зависимости от измеряемого параметра.

1. В начале измерения вычислительный блок 4 выдает напряжения на собственные выходы, под воздействием которых включаются в работу ускоритель 2 и измеритель 3. При срабатывании ускорителя 2 зонд 1 разгоняется до горизонтальной скорости, величина которой находится в некотором обусловленном диапазоне. Поскольку движение шарового зонда 1 происходит в жидкости, она оказывает сопротивление движению зонда 1, его скорость в процессе движения уменьшается. Измеритель 3, контролирующий текущее положение зонда 1, формирует аналоговое напряжение, пропорциональное увеличению горизонтальной составляющей траектории движения зонда 1. Это напряжение передается на вход вычислительного блока 4. В обусловленные программой работы вычислительного блока 4 моменты времени t_i измеряют текущее значение горизонтальной составляющей траектории движения зонда L_i и запоминают очередные пары значений t_i, L_i в собственной памяти. По окончании выполнения всех замеров вычислительный блок 4 выключает ускоритель 2 и измеритель 3 и переходит к расчету постоянной времени экспоненты Т путем решения системы уравнений (8) одним из известных методов решения систем нелинейных уравнений. После расчета постоянной времени Т им осуществляется расчет измеряемой вязкости по соотношению (3) и, в частности, печать полученного результата.

Значения радиуса зонда 1 и плотности его материала вводятся в память вычислительного блока 4 до начала эксперимента.

2. В основном повторяется эксперимент предыдущего примера, но в процессе движения в жидкости зонда 1 измеритель 3 формирует на собственном выходе аналоговое напряжение, пропорциональное текущему значению горизонтальной составляющей скорости движения зонда 1. Это напряжение передается на вход вычислительного блока 4, которым в обусловленные моменты времени t_i производится измерение текущего значения горизонтальной составляющей скорости движения V_i. Пары значений t_i, V_i записываются в память вычислительного блока 4. Расчет значения постоянный времени Т выполняется путем решения системы нелинейных уравнений, формируемой на основании соотношения (7).

3. В основном повторяется эксперимент примера 1. Однако в процессе движения зонда 1 в жидкости измеритель 3 формирует на выходе аналоговое напряжение, пропорциональное текущему значению ускорения зонда 1. Это напряжение подается на вход вычислительного блока 4, которым в обусловленные моменты времени t_i производится измерение текущего значения ускорения ()_i. Пары значений t_i, ()_i записываются в память вычислительного блока 4. Система нелинейных уравнений, решение которой позволяет оценить измеренное значение постоянной времени Т, составляется на основании соотношения (9).

Динамику движения в жидкости шарового зонда 1 характеризует следующее дифференциальное уравнение
R 6πRηV, (1) где η измеряемая вязкость жидкости;
R радиус шарового зонда;
ρ_з плотность материала шарового зонда;
V текущее значение горизонтальной составляющей скорости движения шарового зонда.

Дифференциальное уравнение (1) может быть преобразовано к виду
V (2)
Вводится обозначение
T (3)
С учетом соотношения (3) дифференциальное уравнение (2) может быть преобразовано к виду
(4)
Интегрирование левой и правой частей полученного дифференциального уравнения (4) приводит к соотношению
lnV= + lnC (5)
Cоотношение (5) позволяет получить следующее уравнение
V=C•e (6)
Постоянная интегрирования С может быть найдена с учетом, что при t 0 текущая скорость равна начальной скорости V V_o. Следовательно, С V_o, а формула для расчета текущей скорости V имеет вид
V=V_o•e (7)
Формула для расчета горизонтальной составляющей координаты L может быть получена интегрированием по времени уравнения (7). Она имеет вид
L=V_o•T1-e (8)
И, наконец, формула для расчета горизонтальной составляющей ускорения движения шарового зонда 1 может быть получена путем дифференцирования уравнения (7)
e (9)

Использование: для измерения физико-химических характеристик жидких сред. Способ измерения вязкости жидкости включает движение шарового зонда в исследуемой жидкости, расчет постоянной времени экспоненты, характеризующей изменение скорости движения зонда в переходном режиме, и определение вязкости расчетным путем. На участке замедленного движения зонда по горизонтальной составляющей в момент времени t после начала движения измеряют значение горизонтальной составляющей перемещения L или скорости V, или ускорения dV/dt, а постоянную времени рассчитывают путем решения соответствующего уравнения. 1 ил.

Способ измерения вязкости жидкости, включающий движение шарового зонда радиусом R и плотностью ρ₃ в исследуемой жидкости, расчет постоянной времени экспоненты T, характеризующей изменение скорости движения зонда в переходном режиме, и определение вязкости по формуле

отличающийся тем, что на участке замедленного движения зонда по горизонтальной составляющей в момент времени t после начала движения измеряют значение горизонтальной составляющей перемещения L, или скорости v, или ускорения dv / dt, а постоянную времени T рассчитывают путем решения соответствующего уравнения



где v_о скорость зонда в первоначальный момент движения.