СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК G01N11/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вязкости жидкости в медицине, биологии, а также для научных исследований в условиях новых космических технологий.

Известен способ определения вязкости, основанный на методе капиллярного вискозиметра [1] в котором используется зависимость времени движения жидкости через капилляр от вязкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения вязкости жидкости методом капиллярного вискозиметра, заключающийся в фиксации уровня жидкости при постоянном установившемся режиме течения [2]
Оба способа требуют относительно большого количества исследуемой жидкости (до 10 г), занимают много времени на одно измерение (порядка 10 мин) и не позволяют проводить измерения в условиях слабых гравитационных полей и невесомости без создания дополнительных устройств обеспечивающих поток жидкости через капилляр.

Техническим результатом являются: экономия исследуемой жидкости путем измерения вязкости ее микроколичеств (не более 10 мкл на одно измерение); расширение диапазона использования способа (проведение измерений в условиях слабых гравитационных полей и невесомости космические летательные аппараты, орбитальные станции и т.п.); повышение экспрессности способа за счет сокращения времени термостатирования микроколичеств жидкости при измерениях.

Это достигается тем, что в способе определения вязкости диэлектрической жидкости методом капиллярного вискозиметра, заключающемся в измерении времени движения жидкости по капилляру, один срез капилляра помещают в жидкость, а с помощью двух электродов типа острие-плоскость создают неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра и измеряют напряжение между электродами. Вязкость жидкости определяют по формуле
(1)
где η коэффициент вязкости жидкости; e_o электрическая постоянная; ε диэлектрическая проницаемость жидкости; U напряжение между электродами; t время движения жидкости по длине l капилляра под действием сил электрического поля; b фокусное расстояние электрода-острия; L - расстояние между электродами; r радиус капилляра.

В случае стационарного ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости вдоль оси Z цилиндрического капилляра радиуса r при совместном действии градиента давления ∂p/∂z и внешней массовой силы f(z), действующей со стороны неоднородного электрического поля на жидкость с диэлектрической проницаемостью ε, уравнение Навье-Стокса имеет вид (Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. М. Наука, 1986)
(2)
где V(y) скорость течения жидкости по капилляру; y радиальная координата; η и r динамическая вязкость и плотность жидкости соответственно.

Так как правая часть (2) не зависит от y, то
(3)
Значение постоянной l находится из граничных условий
p=p₀ при z=0 и p=p(l) при z=l (4)
где l длина столба жидкости в капилляре, образованного за время t под действием сил электрического поля; p₀ давление на поверхности жидкости; p(l) гидростатическое давление столба жидкости в капилляре.

Из (3), (4) следует, что

где Δp = p(l) - p_o.
Очевидно, что в условиях слабых гравитационных полей и невесомости

В этом случае
(5)
Следовательно, каждому положению мениска жидкости в капилляре соответствует определенное значение λ(t). Величину скорости движения жидкости по капилляру находят из уравнения (2), которое при указанных условиях сводится к обыкновенному дифференциальному уравнению
(6)
с граничными условиями:
при y=r V=0 условие прилипания на стенке;
при y=0 dv/dy=0 условие стационарности течения.

Решение уравнения (6) при данных граничных условиях есть

Отсюда средняя по сечению скорость жидкости в капилляре равна
(7)
Величина массовой силы, действующей со стороны электрического поля на жидкость в капилляре равна (Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Т. 8. -М. Наука, 1982, с. 95)
(8)
где E(z) напряженность электрического поля между электродами.

Расчетную модель электродов удобно представить в виде софокусных гиперболоидов вращения, один из которых аппроксимирует игольчатый электрод, а другой вырождается в плоскость. Тогда можно показать, что напряженность электрического поля на оси капилляра есть
(9)
где U напряжение на электродах; L расстояние между ними; b фокусное расстояние гиперболоида-острия.

Время t, за которое жидкость под действием сил электрического поля пройдет расстояние l, равно
(10)
Подставляя выражение (9) в (8) и проведя интегрирование в (7), с учетом (10) получают формулу (1), по которой определяют вязкость жидкости.

Из приведенного следует, что в данном способе определяющими силами, которые обеспечивают движение жидкости по капилляру, являются силы электрического поля f(z), так как величину dE/dz можно сделать сколь угодно большой за счет соответствующей конфигурации электрода-острия. Поэтому f(z)>g, где g ускорение свободного падения. Следовательно, предложенный способ измерения вязкости диэлектрической жидкости применим в условиях слабых гравитационных полей и невесомости.

Количество жидкости, требуемое на одно измерение, очевидно, очень мало, так как жидкость при измерениях занимает лишь объем капилляра, не вытекая из него. В данном способе объем жидкости для одного измерения не превышает 10 мм³. Отсюда следует, что для такого малого количества жидкости необходимо и малое время его термостатирования, а следовательно и время, необходимое на одно измерение, будет значительно меньше, чем в каких-либо других способах.

На чертеже представлена схема реализации способа.

В микроемкость 1 с исследуемой жидкостью помещают срез капилляра 2. С помощью электродов 3, 4 типа плоскость-острие, которое подключают к источнику 5 постоянного тока высокого напряжения, создают неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра. Измеряют напряжение между электродами по киловольтметру 6 и время движения жидкости на известной длине капилляра. Вязкость жидкости вычисляют по формуле (1).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Измерялась вязкость этиленгликоля и трансформаторного масла. Измерения проводились при нормальных условиях (температура 20 ± 0,5^oС) в поле тяжести Земли (g ≃ 9,81 м/с²). На электроды подают постоянное напряжение от высоковольтного источника УПУ-10, которое измеряют электростатическим вольтметром С196. Смещение мениска жидкости в капилляре на расстояние l за время t определяют с помощью катетометра КМ-6 и секундомера GОС. Остальные условия проведения измерений представлены в таблице.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет преимущество в экономии исследуемой жидкости так как позволяет проводить измерение вязкости малых ее количеств и сокращает время измерений.

Расширяет область его использования, так как позволяет измерять вязкость жидкости в условиях невесомости или слабых гравитационных полей, так как во всех случаях определяющими являются силы электрического поля, действующие на жидкость.

Использование: для определения вязкости микроколичеств диэлектрической жидкости. Сущность изобретения: способ включает измерение времени движения жидкости по капилляру, с использованием которого вычисляют вязкость. Один конец капилляра помещают в анализируемую жидкость, создают с использованием пары электродов острие-плоскость неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра, измеряют напряжение между электродами и с использованием измеренных величин рассчитывают вязкость. 1 табл., 1 ил.

Способ определения вязкости диэлектрической жидкости, включающий измерение времени движения жидкости по капилляру, с использованием которого вычисляют вязкость, отличающийся тем, что один конец капилляра помещают в анализируемую жидкость, создают с использованием пары электродов "острие-плоскость" неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра, измеряют напряжение между электродами, а вязкость жидкости вычисляют по формуле

где η динамическая вязкость жидкости;
e_o электрическая постоянная;
ε диэлектрическая проницаемость жидкости;
U напряжение между электродами;
t время движения жидкости по длине l капилляра под действием сил электрического поля;
b фокусное расстояние электрода-острия;
L расстояние между электродами;
r радиус капилляра.