УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N11/12 G01N9/10 

Изобретение относится к техническим средствам измерения физико-химических характеристик жидких сред, в частности их вязкости и плотности.

Известны устройства, реализующие способ "падающих шариков" измерения вязкости жидкой среды, при применении которых о вязкости жидкости судят по равномерной скорости погружения в ней шарового зонда известного радиуса и с известной плотностью материала.

Однако недостатком известного устройства является невозможность с его помощью измерить плотность исследуемой жидкости. Более того, для измерения даже вязкости жидкости при его применении требуется измерение ее плотности с помощью каких-либо дополнительных технических средств.

Известны устройства, расширяющие функциональные возможности технических средств, реализующих способ "падающих шариков", при использовании которых одновременно измеряются и вязкость, и плотность жидкости. При их применении измерение осуществляют двумя шаровыми зондами, имеющими различающиеся плотности материалов. В процессе свободного погружения зондов в жидкости измеряют равномерные скорости их погружения. Измеряемые вязкость и плотность жидкости рассчитывают подстановкой измеренных скоростей в систему из двух уравнений с двумя неизвестными.

Известно устройство, в котором измерение и вязкости, и плотности жидкости осуществляется с помощью одного шарового зонда. Однако с этой целью обеспечивают поочередное погружение и всплытие шарового зонда и при каждом движении измеряют равномерные скорости погружения и всплытия, а по ним рассчитывают вязкость и плотность исследуемой жидкости.

Недостатком известных устройств является сравнительно высокая погрешность измерения с их помощью. Во втором устройстве она обусловлена погрешностью в оценке разности близких величин (плотности материалов шаровых зондов не могут различаться значительно), а в третьем устройстве большую погрешность вводит трос, связывающий зонд с противовесом.

Известны устройства, реализующие способ измерения вязкости. При их применении в процессе достижения зондом равномерной скорости погружения оценивается постоянная времени T экспоненты, характеризующей изменение во времени скорости движения шарового зонда. Вязкость жидкости при этом рассчитывается по измеренному значению постоянной времени T экспоненты.

Однако недостатком известных устройств является вероятность того, что в процессе погружения скорость зонда превысит предельно допустимое значение, после чего закон Стокса перестает выполняться, что ведет к недопустимо большой погрешности измерения.

Задача изобретения повышение точности измерения.

В устройство введены вычислительный блок, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел возврата зонда в исходное положение. Вход и выход вычислительного блока соединены с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда соответственно. Шаровой зонд взаимодействует кинематически с узлом разгона в начале движения при измерении и с узлом возврата зонда в исходное положение в конце движения при измерении соответственно.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить его соответствие критерию "новизна" изобретения: в устройство введена целая группа новых элементов, имеющих связи как между собою, так и с ранее имевшимся в прототипе шаровым зондом. При изучении других технических решений данной области техники и смежных областей признаки, отличающие заявляемое техническое решение не были выявлены. Следовательно, они обеспечивают ему соответствие критерию "существенные отличия" изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства.

В состав устройства входят: зонд 1, воспринимающий воздействие исследуемой жидкости; узел разгона зонда 2, обеспечивающий разгон зонда 1 до начальной скорости, принадлежащей обусловленному множеству величин и направлений; вычислительный блок 3, управляющий процессом измерения, оценивающий времена поступления сигналов на собственный вход и вертикальные составляющие скорости зонда 1, а в конце измерения рассчитывающий вязкость и плотность жидкости; измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда 4, выдающий на вход вычислительного блока 3 требуемую первичную информацию; узел возврата зонда в исходное положение 5, подготавливающий зонд 1 к очередному замеру. Кроме того, на чертеже показаны исследуемая жидкость 6 и ванна 7, в которой хранится исследуемая жидкость.

Устройство работает следующим образом.

В начале каждого очередного измерения вычислительный блок 3 выдает на собственный выход и с него на вход узла разгона зонда 2 напряжение, под воздействием которого происходит срабатывание этого узла. При срабатывании наносится направленный удар по зонду 1. Под воздействием этого удара зонд 1 начинает двигаться вертикально вверх, причем величина и направление скорости находятся в некоторых обусловленных пределах.

В процессе всплытия зонда 1 скорость его движения уменьшается прежде всего из-за сопротивления вязкой жидкости. Однако запасенной зондом 1 кинетической энергии оказывается достаточно для того, чтобы он поднялся, постоянно оставаясь в жидкости, выше измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4. В момент входа зонда 1 в зону действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4 на вход вычислительного блока 3 подается сигнал, по которому осуществляется оценка времени его поступления и запись значения этого времени в оперативную память вычислительного блока 3. При выходе зонда 1 из зоны действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4 на вход вычислительного блока 3 вновь выдается сигнал, время поступления которого также измеряется, а результат записывается в память вычислительного блока 3. Второй сигнал может содержать код измеренного значения вертикальной составляющей скорости движения зонда 1. Иначе это значение рассчитывается вычислительным блоком 3 как отношение расстояния, проходимого зондом 1 за промежуток времени между двумя сигналами (постоянное расстояние, определяемое параметрами измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4) на длительность временного промежутка между двумя сигналами. В результате, после прохождения зондом 1 зоны действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4, в памяти вычислительного блока 3 оказываются записанными значения вертикальной составляющей скорости движения зонда 1 и время прохождения зондом 1 зоны действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4 (в частности, в виде среднего значения временного промежутка между двумя сигналами).

Всплывая далее в исследуемой жидкости, зонд 1 полностью расходует запас кинетической энергии, и вертикальная составляющая его скорости становится равной нулю. После этого начинается процесс погружения зонда 1 в жидкости под действием собственного веса. В процессе погружения зонд 1 вновь войдет в зону действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4. На входе вычислительного блока 3 появится сигнал, время возникновения которого будет измерено и записано в оперативную память блока. При дальнейшем погружении зонда 1, он выйдет из зоны действия измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4, о чем будет выдан сигнал на вход вычислительного блока 3 в виде импульса или импульсного кодового сигнала. Вычислительный блок 3 вновь измерит время поступления сигнала и запишет результат измерения в собственную оперативную память, куда также записывается значение вертикальной составляющей скорости движения зонда 1 (принятое с выхода измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда 4 или рассчитанное вычислительным блоком 3). В результате в памяти вычислительного блока 3 после выполнения замеров будут храниться два значения вертикальных составляющих скоростей движения зонда 1 и два значения времен выполнения замеров этих скоростей.

Как будет показано далее, указанных замеров достаточно для расчета постоянной времени T экспоненты изменения скорости зонда 1, что позволяет рассчитать измеряемую вязкость жидкости по соотношению

где: η измеряемая вязкость жидкости;
R радиус шарового зонда 1;
T постоянная времени экспоненты изменения скорости зонда 1.

Далее имеется возможность рассчитать измеряемую плотность исследуемой жидкости

ρ_ж измеряемая плотность жидкости;
v_р равномерная скорость погружения шарового зонда 1;
v₀ начальная скорость движения зонда 1.

При строго вертикальном всплытии зонда 1 или для его вертикальной составляющей движения в соответствии со вторым законом Ньютона справедливо следующее дифференциальное уравнение

где: v мгновенное значение вертикальной составляющей скорости движения зонда;
g ускорение свободного падения.

На основании закона Стокса справедливо соотношение

С учетом соотношения (4) уравнение (3) преобразуем к виду

Введем обозначение
Проведя в уравнении (5) необходимые преобразования с учетом сделанного обозначения и введя под знак дифференциала вместо v выражение v + v_р (при этом справедливость дифференциального уравнения не нарушится), причем к следующему дифференциальному уравнению с разделенными переменными

Его интегрирование приводит к следующему решению

Его преобразование позволяет получить соотношение

Значения входящих в соотношение (9) неизвестных v_р и C находим, исходя из начальных условий. Подстановка в уравнение (9) значения t 0 и v v₀ приводит к следующему результату v₀ + v_р C (10)
Второе уравнение, необходимое для определения неизвестных может быть получено при учете, что в момент времени t_m достижения высшей точки всплытия зонда 1 его скорость равна нулю. Из последнего утверждения следует, что

Уравнения (10) и (11) позволяют получить соотношение для расчета C

Подстановкой соотношения (12) в соотношение (11) получаем уравнение для расчета равномерной скорости погружения зонда 1

Уравнение (9) с учетом соотношений (12) и (13) позволяет получить следующее выражение для расчета мгновенной скорости всплытия зонда 1

Интегрирование по времени мгновенной скорости всплытия зонда 1 за промежуток времени от 0 до t_m позволяет рассчитать максимальную высоту всплытия зонда

На участке погружения зонда 1 динамика его движение характеризуется следующим дифференциальным уравнением

Закон Стокса при этом имеет следующее выражение

Преобразуем уравнение (16) с учетом соотношения (17) к следующему виду

Введем в дифференциальное уравнение (18) обозначение (6), введем под знак дифференциала функции вместо v выражение v v_р и разделим в нем переменные. Получим

Интегрирование левой и правой частей этого уравнения приведет к выражению

Преобразуем выражение (20) к виду
v-v_p= C•e^-t/T. (21)
Постоянную интегрирования C в выражении (21) найдем из условия, что в момент начала погружения, т.е. при t t_m, вертикальная составляющая скорости движения зонда равна нулю v 0. Получаем При этом уравнение для расчета мгновенной скорости погружения зонда имеет вид

Учитывая, что в момент времени измерения скорости погружения зонда 1 t_k, измеренного и зафиксированного в памяти вычислительного блока 3, вертикальная составляющая скорости движения зонда 1 имеет измеренное значение v_k, получаем следующее уравнение

Интегрирование по времени выражения (22) приводит к следующей зависимости вертикальной составляющей пути, пройденного зондом 1 от времени

Учитывая, что в момент времени t_k глубина погружения зонда 1 равна h_m, получаем уравнение следующего вида

Уравнения (13), (15), (23) и (25) содержат четыре неизвестные переменные v_р, t_m, T и h_m. Следовательно они могут представлять собою систему из четырех нелинейных уравнений с четырьмя неизвестными, которая может быть решена одним из известных математических методов. Учитывая, что переменная h_m не представляет интереса при измерении вязкости и плотности жидкости, ее можно исключить из рассмотрения, приравняв правые части уравнений (15) и (25). Получаем

Поскольку величина V_р участвует в расчетах лишь на заключительной стадии расчетов при расчете плотности исследуемой жидкости, исключив ее из уравнения (13) и (23), придем к следующему уравнению

Уравнения (26) и (27) образуют систему из двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными t_m и T. Решив эту систему и, тем самым, рассчитав значение постоянной времени экспоненты T, получаем возможность рассчитать измеряемую вязкость жидкости по соотношению (1). Подставив рассчитанные значения величин t_m и T в уравнения (13) или преобразованное уравнение (23) (скорости v₀ и v_k соответственно измеренные скорости зонда 1 при всплытии и погружении), рассчитываем значение скорости равномерного движения v_р, а затем по соотношению (2) измеряемую плотность жидкости.

После окончания измерения вычислительный блок 3 снимает напряжение с собственного выхода, подготавливая узел разгона зонда 2 к очередному измерению.

Таким образо, предлагаемым техническим решением полностью достигается поставленная цель предлагаемого изобретения. В предлагаемом устройстве максимальная скорость движения зонда 1 определяется начальной скоростью его движения, которая задается настройкой узла разгона зонда 2 и всегда может быть выбрана заведомо меньше скорости, при которой еще справедлив закон Стокса.

Не вызывает сомнения и простота реализации устройства. В него входят только легко изготавливаемые и надежно работающие элементы, не требующие какой-либо сложной настройки и регулировки. Узел разгона зонда 2 может представлять собою соленоид, якорь которого при срабатывании ударяет по мембране, герметически защищающей узел разгона зонда 2 от исследуемой жидкости с применением резиновой прокладки. Вычислительный блок 3 может представлять собою микроЭВМ и даже современный калькулятор, полностью обеспечивающие выполнение всех требуемых функций. Измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда 4 может быть выполнен в виде сонографа, изменяющего выходной сигнал на время нахождения в тени всплывающего или погружающегося зонда 1. Узел возврата зонда в исходное положение 5 может представлять собою воронку, по стенкам которой зонд 1 возвращается в исходное положение, необходимое для выполнения следующего измерения.

Использование: устройство предназначено для измерения вязкости и плотности жидкости. Сущность изобретения: устройство содержит зонд, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда, узел возврата зонда в исходное положение и вычислительный блок. Вход вычислительного блока соединен с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда. Выход вычислительного блока соединен с входом угла разгона зонда. 1 ил.

Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости, содержащее погруженный в жидкость шаровой зонд радиусом R и плотностью материала ρ_з, отличающееся тем, что в него введены вычислительный блок, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел возврата зонда в исходное положение, причем вход и выход вычислительного блока соединены с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда соответственно, а шаровой зонд взаимодействует кинематически с узлом разгона в начале движения при измерении и с узлом возврата зонда в исходное положение в конце движения при измерении соответственно.