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

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

Известен способ снижения скорости погружения шарового зонда за счет введения противовеса, связанного с шаровым зондом, перекинутым через блок эластичным тросом [1] Однако недостатком этого способа 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 радиусом 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 координат L или скоростей V, или ускорения . Определяют постоянную времени Т ускоренного 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 [2] является то, что в процессе погружения его скорость может стать столь большой, что закон Стокса, на котором основывается способ измерения, может не выполняться.

Цель изобретения улучшение метрологических характеристик измерения за счет осуществления измерения при обусловленном максимальном значении скорости движения.

Цель достигается тем, что измеряют плотность исследуемой жидкости ρ_ж, рассчитывают средние значения вертикальных составляющих скоростей движения зонда V_bi в точках, соответствующих координатам h_i, а значение η вязкости жидкости рассчитывают по соотношению:
η
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что при его применении появляются новые операции, заключающиеся в измерении плотности жидкости, оценке средних значений скоростей в заданных точках, а для расчета вязкости жидкости предложена новая формула.

Технический эффект, полученный при реализации изобретения, состоит в повышении точности измерения.

На чертеже представлена структурная схема реализующего способ устройства.

Устройство содержит шаровой зонд 1, видеокамеру 2, вычислительный блок 3, пускатель 4. Кроме того, на чертеже обозначены масштабирующая линейка 5, а индексом 6 обозначена исследуемая жидкость. Вход и первый и второй выходы вычислительного блока 3 соединены с выходом и входом видеокамеры 2 и с входом пускателя 4 соответственно.

Предлагаемый способ измерения вязкости жидкости реализуют следующим образом.

Перед началом измерения в память вычислительного блока 3 вводится программа проведения эксперимента по измерению вязкости, а также измеренные значения радиуса используемого шарового зонда 1, плотности его материала и плотности исследуемой жидкости, измеренной плотномером с требуемой точностью.

Измерение начинается подачей напряжения с первого и второго выходов вычислительного блока 3 на входы видеокамеры 2 и пускателя 4. Видеокамера 2 включается в работу и происходит срабатывание пускателя 4. При срабатывании пускатель 4 освобождает зонд 1, после чего начинается свободное погружение зонда 1 в жидкости. В процессе работы видеокамера 2 формирует телевизионный сигнал, отображающий погружение зонда 1 в жидкости 6, и передает его на вход вычислительного блока 3. Стационарной составляющей в телевизионном сигнале присутствует изображение масштабирующей линейки 5, позволяющей идентифицировать линейные размеры зонда 1 и его текущее положение на траектории движения в любой момент времени.

Сигнал с выхода видеокамеры 2 передается на вход вычислительного блока 3, которым записывается в собственную память.

Через заданный промежуток времени, заведомо превышающий промежуток времени погружения зонда 1 на обусловленную глубину, вычислительный блок 3 снимает напряжение с собственных выходов, превращая формирование телевизионного сигнала видиокамерой 2 и подготавливая к новому циклу измерения пускатель 4. После этого он переходит к обработке хранящейся в памяти информации.

Прежде всего вычислительный блок 3 находит в записи телевизионного сигнала в собственной памяти К+1 кадр (где К обусловленное число пропускаемых кадров, в которых изображение может быть неустойчивым при включении) изображения. На этом кадре выделяется центр изображения шарового зонда 1 и, соотнося его с масштабирующей линейкой 5, определяется высота зонда 1 над нулевым уровнем h_o в начале измерения. Время начала измерения определяется по соотношению:
t_o=m•T_с+t_но=m + T_c (1) где t_o принятое время начала измерений;
m число строк развертки до строки, проходящей наиболее близко к центру изображения зонда 1;
Т_c период строчной развертки;
L_с длина строчной развертки;
L_о расстояние от начала строки, проходящей наиболее близко к центру изображения зонда 1, до центра изображения зонда 1.

После этого циклически вычисляют значения высот зонда 1 в i-ых точках h_i h_o i · Δh и рассчитывают для них времена достижения зондом 1 этих высот. Величина Δh характеризует расстояние между анализируемыми точками вертикальной составляющей траектории движения зонда 1. Расчет времени достижения зондом 1 i-ой точки осуществляется по соотношению:
t_i=t_i-1+K_i•T_к+P_i-1+m_i + T_с (2)
где t_i-1 время достижения зондом 1 предыдущей точки;
K_i количество пропущенных кадров в телеизображении от i-1 до i-ой точки;
Т_к период кадровой развертки,
Р_i-1 число строк от строки, проходящей наиболее близко к центру изображения зонда 1, до последней строки кадра с изображением i-1-ой точки;
m_i число строк от начала кадра с изображением i-ой точки до строки, наиболее близко проходящей от центра изображения зонда 1;
L_кi-1 длина строки, наиболее близко проходящей от центра изображения зонда 1, начиная от центра изображения зонда I до конца этой строки в кадре с i-1 точкой;
L_нi длина от начала строки, наиболее близко проходящей от центра изображения зонда 1 до изображения центра зонда 1 в i-ом кадре.

Цикл расчетов заканчивается после того, как значение t_i и k_iрассчитаны для обусловленных h+2 точек вертикальной составляющей траектории движения зонда 1.

Следующим этапом является циклический расчет средних значений вертикальных составляющих скоростей движения зонда I по отношению:
V_i (3)
После этого расчет измеряемой вязкости жидкости может быть осуществлен по формуле:
η
(4)
Правомерность применения формулы (4) для расчета измеряемой вязкости жидкости основывается на следующих закономерностях.

В процессе погружения шарового зонда 1 уменьшается его высота, а следовательно, уменьшается его потенциальная энергия. Одновременно увеличивается скорость погружения зонда 1 (до достижения равномерной скорости), вследствие чего увеличивается его кинетическая энергия. При погружении зонда 1 совершается работа при преодолении сопротивления движению вязкой жидкости. На каждом i-ом участке траектории погружения сохраняется равенством между уменьшением потенциальной энергии Wni и суммой увеличения кинетической энергии W_ki и выполненной работы A_i:
W_ni=W_ki+A_i, (5)
т.е. R³(ρ_з-ρ_ж)g(h_i-h_i+1) R + 6πR (h_i-h_i+1) (6)
где R радиус шарового зонда;
ρ_з плотность материала зонда;
g ускорение свободного падения;
V_i начальное значение вертикальной составляющей скорости движения зонда 1 на i-ом участке вертикальной составляющей траектории погружения;
V_i+1 конечное значение вертикальной составляющей скорости погружения на том же участке;
η измеряемая вязкость жидкости;
ρ_ж плотность исследуемой жидкости;
h_i начальное значение i-го участка вертикальной составляющей траектории движения зонда 1;
h_i+1 конечное значение i-го участка вертикальной составляющей траектории движения зонда 1.

Анализируемая траектория движения зонда 1 включает в себя n участков. На основании соотношения (6) получают следующие суммы, в которых величины, не зависящие от индекса i, вынесены за знаки сумм:
h
(7)
С учетом соотношения (7) формула для расчета измеряемой жидкости η представлена в виде (4), непосредственно применяемом при измерении вязкости.

Использование: при измерении физико-химических характеристик жидких сред. Способ измерения вязкости жидкости включает погружение шарового зонда в жидкость, измерение в момент времени t_i значения координаты h_i в вертикальной составляющей траектории движения зонда и расчет среднего значения вертикальных составляющих скоростей движения зонда v_i в точках, соответствующих координатам h_i. Определение вязкости производится расчетным путем с учетом плотности исследуемой жидкости. 1 ил.

Способ измерения вязкости жидкости, включающий погружение шарового зонда радиусом R и плотностью ρ_з в жидкость, измерение в момент времени t_i значения координаты h_i вертикальной составляющей траектории движения зонда и расчет вязкости, отличающийся тем, что дополнительно измеряют плотностью ρ_ж жидкости, рассчитывают среднее значение вертикальных составляющих скоростей движения зонда V_i в точках, соответствующих координатам h_i, а искомое значение рассчитывают по формуле