СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N11/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения кинематической вязкости жидкости в широком диапазоне значений.

Известны различные способы измерения вязкости, например, по скорости движения шарика в исследуемой жидкости (авт. св. СССР N 1300333, кл. G 01 N 11/10, 9/10, 1987) или по параметрам колебания жидкости в горизонтальной трубке, совершающей колебательные движения (заявка Великобритании N 2186092, кл. G 01 N, 1989).

Недостатком данных способов является наличие движущихся элементов, что усложняет их реализацию.

Наиболее близким из известных является способ (Степанов Л.П. Чесноков Н. А. Современное состояние техники измерения вязкости. М. Стандартгиз, 1959, с. 5-9), заключающийся в измерении времени истечения определенного объема жидкости через капилляр, причем моменты начала и конца времени истечения фиксируются по прохождению мениском определенных уровней в камере истечения. Этому методу присущ ряд недостатков:
способ требует заливки в вискозиметр строго определенного количества жидкости;
время измерения зависит от вязкости жидкости;
фиксация времени прохождения лишь двух уровней жидкостей не обеспечивает высокой точности измерений.

Целью изобретения является упрощение процедуры измерения, повышение надежности и возможность измерения вязкости малых объемов жидкости.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения вязкости жидкости, включающем истечение исследуемой жидкости из камеры через капилляр и определение вязкости расчетным путем, истечение жидкости из капилляра осуществляют в виде отдельных капель, выбирают не менее двух интервалов времени, в течение которых подсчитывают количество истекших капель, а вязкость определяют из функциональной зависимости

где n₁ число капель, вытекших за время t_i; α - коэффициент регрессии; A константа прибора; g ускорение свободного падения; n кинематическая вязкость.

При истечения жидкости из камеры скорость вытекания определяется выражением:

где V объем жидкости в камере, t -время истечения, R радиус капилляра, l -длина капилляра, x высота уровня жидкости в камере, отсчитываемая от нижнего конца капилляра.

Зависимость V от x определяется соотношением
V₀-V=S(x₀-x), (3)
где V₀ и x₀ объем и уровень в начальный момент времени, S площадь горизонтального сечения камеры истечения.

Тогда из (2) получаем

Объем вытекшей жидкости пропорционален числу вытекших капель
V₀-V=V_kn, (5)
где n число капель; V_k объем одной капли.

Подставляя (5) в (4), получим

где A константа прибора, равная

Интегрируя уравнение (6), получим

где
Предлагаемая формула (8) представляет собой функциональную зависимость числа вытекших капель от времени истечения. По этой формуле, подставляя экспериментально измеренные значения числа капель n_i и времени их истечения t_i, можно определить коэффициент вязкости одним из известных способов расчета. Причем измерение числа вытекших капель n_i и времени их вытекания t_i всегда производится от начала истечения жидкости. Конкретный способ расчета следует выбирать в зависимости от практической реализации предлагаемого способа измерения.

Так, в общем случае, если число вытекших капель измерено в произвольные моменты времени, расчет вязкости должен производиться по правилам статистической обработки результатов эксперимента (Бурдун Г.Д. Марков Б.М. Основы метрологии. М. Изд-во стандартов, 1975, с. 211).

Пусть, например, измерение числа вытекших капель n_i и соответствующего им времени истечения t_i произведено m раз, то есть получено m пар значений n_i и t_i. Каждая пара значений должна удовлетворять выражению (1). В результате получаем систему уравнений с двумя неизвестными

Значения этих двух неизвестных находятся из этой системы, применяя к ней метод "наименьших квадратов".

Минимальное число уравнений, необходимое для нахождения двух неизвестных, должно быть равно двум. Поэтому для расчета вязкости необходимо измерить не менее двух пар значений n_i и t_i. Однако, для увеличения точности определения вязкости желательно проводить большее число измерений.

Такой метод расчета является довольно сложным и может найти применение лишь при использовании вычислительной техники при реализации способа в автоматическом режиме.

Можно предложить более простой, однако менее точный метод расчета. Выражение (6) можно представить в виде

Значение производной можно приближенно записать в виде

тогда получаем

Данное выражение имеет линейный вид и поэтому величину можно найти как тангенс угла наклона прямой на графике зависимости n: от Типичный график этой зависимости, построенный по экспериментальным точкам для воды, представлен на чертеже.

Значение константа A должно быть для каждого вискозиметра определено либо по выражению (7), либо по результатам предварительно проведенных экспериментов с жидкостью с известной вязкостью.

Так как для измерения вязкости достаточно вытекания всего лишь нескольких капель жидкости, а размер камеры истечения не имеет значения, то очевидно, что необходимое количество жидкости для измерения может составлять порядка 1 мл.

Способ реализуют следующим образом.

Изготовлен вискозиметр, камера истечения которого представляла собой стеклянную трубку диаметром 3,5 мм, соединенную с капилляром диаметром примерно 0,25 мм. Измерения проводили с дистиллированной водой при 20^oC. С помощью двухстрелочного секундомера были определены интервалы времени между отрывом 20 капель и по уравнению (8) рассчитана величена , как коэффициент регрессии в уравнении (7). Принимая значение кинематической вязкости воды равным 1,002•10^-6 м²/с (табличное значение), а ускорение свободного падения равным 9,8 м/с², было рассчитано значение константы вискозиметра A, которое оказалось равным 1,535•10^-9 м.

Затем на этом же вискозиметре были проведены измерения с этиловым спиртом и ацетоном. Так как константа A уже известна, то были рассчитаны коэффициенты кинематической вязкости, которые оказались равными для спирта 1,51•10^-6 м²/с и 4,18•10^-7 м²/с для ацетона. Эти значения находятся в хорошем согласии с имеющимися табличными значениями.

Предлагаемый способ значительно упрощает измерения, так как не требует никакого электроизмерительного оборудования, что в свою очередь обеспечивает его надежность.

Использование: способ предназначен для измерения кинематической вязкости жидкости. Сущность изобретения: способ измерения вязкости жидкости включает истечение исследуемой жидкости из камеры через капилляр в виде отдельных капель и определение вязкости расчетным путем. Выбирают не менее двух интервалов времени, в течение которых подсчитывают количество истекших капель, и с учетом измеренных значений рассчитывают вязкость. 1 ил.

Способ измерения вязкости жидкости, включающий истечение исследуемой жидкости из камеры через капилляр и определение вязкости расчетным путем, отличающийся тем, что истечение жидкости из капилляра осуществляют в виде отдельных капель, выбирают не менее двух интервалов времени, в течение которых подсчитывают количество истекших капель, а вязкость определяют из функциональной зависимости

где n_i число капель, вытекших за время t_i;
α - коэффициент регрессии;
A константа прибора;
ν - кинематическая вязкость.