УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к технике измерения вязкости, а более конкретно к устройству вискозиметров для контроля структурированных жидкостей в исследовательских лабораториях, в медицине, в промышленности.

Многие технологические жидкости в статических условиях проявляют отчетливую тенденцию к образованию структуры. При этом энергия связи частиц такова, что встречающиеся в практике интенсивности механического воздействия достаточны для ее разрушения. Источником такого воздействия могут быть технологические аппараты типа смесителей, насосов. Для характеристики таких жидкостей одного значения вязкости, которая может быть измерена любым методом, недостаточно.

Обычно используют ротационные вискозиметры. Экспериментально получают зависимость напряжения от скорости сдвига. По наклону зависимости при малых значениях скорости определяют вязкость сформировавшейся структуры. Вязкость разрушенной структуры определяют как тангенс наклона зависимости при больших скоростях. Измерения, выполненные при одной скорости сдвига, дают значение эффективной вязкости, связанной с неопределенной степенью разрушения.

С точки зрения характеристики структуры применение вибрационных методов является более корректным, т.к. ротационные вискозиметры предполагают режим установившегося течения (длительный сдвиг) и сами "провоцируют" формирование анизотропной структуры вдоль потока, образование цепочечных агрегатов.

Использование вибрационных вискозиметров ньютоновских жидкостей для контроля структурированных жидкостей дает значение эффективной вязкости. Обычно используют небольшие амплитуды колебаний низкой частоты, которые оказывают меньшее разрушающее действие, чем длительный сдвиг с постоянной скоростью.

Известны вибрационные вискозиметры (ВВ), например ВВМ-ЗМ [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. -М.: Недра, 1988, 232 с.] .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является камертонный вискозиметр [Гочжень Чжу, Лаоцзы Сюй. Измерение вязкости и плотности при помощи колеблющегося шарика //Приборы для научных исследований. 1985, N 8, с. 144 - 147], датчик которого включен в цепь обратной связи генератора, поддерживающего частоту резонанса.

Определять вязкость разрушенной и сформировавшейся структуры такие устройства не могут.

Задачей изобретения является увеличение объема получаемой при измерении информации.

Технический результат достигается тем, что вискозиметр, содержащий измерительный генератор, вибрационный датчик и устройство регистрации дополнительно содержит высоковольтный генератор мощности, блок переключения режима (БПР) и имитатор датчика.

Описание устройства (фиг. 1).

Основным элементом конструкции является вибрационный датчик (1) с присоединенным пробным телом (7). В режиме измерения U датчик (1) соединен с измерительным генератором (4) и обеспечивает гармонические колебания пробного тела с малой амплитудой. Происходит трение пробного тела о жидкость. При этом выходное напряжение U, пропорциональное механическому сопротивлению и связанное с вязкостью, фиксируется с помощью регистратора (5). В режиме разрушения P датчик (1) соединен с высоковольтным генератором (6) и обеспечивает колебательное движение пробного тела с большой амплитудой, способной разрушить структуру окружающей жидкости. В нейтральном состоянии H датчик (1) и имитатор (3) не подключены ни к одному из генераторов. Измерительный генератор (4) и высоковольтный генератор (6) представляют собой автогенераторы, в цепь обратной связи которых в соответствующем режиме подключается либо датчик (1), либо имитатор (3). Они (датчики) имеют сходные электрические параметры и при замене одного на другой генераторы продолжают работать в том же частотном и амплитудном диапазоне. То есть при переключении не требуется дополнительного времени для выхода измерительного генератора на режим. Это позволяет начинать регистрацию сразу после переключения. Переключение осуществляется с помощью блока переключения режимов (БПР) (2).

Измерения проводят следующим образом. С помощью блока переключения режимов (БПР) (2) включают датчик (1) в цепь обратной связи измерительного генератора (4). Определяют (отмечают на поле регистратора (5)) выходное напряжение U_в при положении пробного тела (7) в воздухе. В ячейку (8) помещают калибровочную жидкость (КЖ). В КЖ погружают пробное тело (7). Определяют (отмечают на поле регистратора (5)) выходное напряжение U_к при положении пробного тела в КЖ. В ячейку (8) помещают контролируемую жидкость. В жидкость погружают пробное тело (7) и с помощью БПР (2) включают датчик (1) в цепь обратной связи высоковольтного генератора (6), а имитатор (3) в цепь обратной связи измерительного генератора (4). Выдерживают режим разрушения P в течение заданного времени (в приведенном примере - 2 мин).

С помощью блока БПР включают режим измерения (И) - датчик (1) соединяют с измерительным генератором (4) и запускают регистратор (5). При этом на поле регистратора фиксируются последовательные значения U_i выходного напряжения U, соответствующие процессу восстановления структуры, разрушенной в режиме P. То есть получается график зависимости выходного напряжения U от времени, имеющий отмеченные уровни напряжения, соответствующие колебаниям зонда в воздухе (U_в) и в калибровочной жидкости (U_к).

Для ньютоновских жидкостей трение между колеблющимся пробным телом и жидкостью описывается формулой

(расшифровку символов см. ниже).

Реально кроме сопротивления жидкости присутствует собственное механическое сопротивление датчика и полное наблюдаемое механическое сопротивление Z=Z_ж+Z_в.

При измерении устройство поддерживает постоянной амплитуду колебаний, и выходное напряжение U пропорционально возбуждающей силе и соответственно полному действующему сопротивлению

U = E • Z.

Расшифровка символов:
Z - полное действующее механическое сопротивление;
F - сила, возбуждающая движение;
ξ - амплитуда движения, постоянная при измерениях;
ξ′ - амплитуда скорости движения, постоянная при измерениях;
U_F - напряжение, пропорциональное силе F - возбуждающее напряжение;
ρ - плотность жидкости;
η - вязкость жидкости;
U_ξ - напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний, постоянное при измерениях;
U - выходной сигнал - текущее значение выходного напряжения, пропорциональное Z, F и U_F.

Нижний индекс "в" указывает на измерение при движении пробного тела в воздухе.

напряжение, пропорциональное возбуждающей силе при положении зонда в воздухе;
U_в - выходной сигнал при положении зонда в воздухе.

Нижний индекс "к" указывает на измерение при движении пробного тела в калибровочной жидкости.

напряжение, пропорциональное возбуждающей силе при положении зонда в калибровочной жидкости (КЖ);
U_к - выходной сигнал при положении зонда в КЖ.

Нижний индекс "ж" указывает на измерение при движении пробного тела в исследуемой жидкости.

напряжение пропорциональное возбуждающей силе при положении зонда в исследуемой жидкости (Ж);
U_ж - выходной сигнал при положении зонда в исследуемой жидкости;
U_i - выходной сигнал U_ж в избранной точке на графике зависимости напряжения от времени t, соответствует моменту времени t_i;
ΔU = U - U_в = E(Z - Z_в);
ΔU_i = U_i - U_в = E•Z_i;
ΔU_к = U_к - U_в = E•Z_к;
ΔU_ж = U_ж - U_в = E•Z_ж;

Z_ж - механическое сопротивление исследуемой жидкости;
ρ_ж - плотность исследуемой жидкости;
η_ж - вязкость исследуемой жидкости;

Z_к - механическое сопротивление калибровочной жидкости;
ρ_к - плотность калибровочной жидкости;
η_к - вязкость калибровочной жидкости;
A, B, C, D, E, K - коэффициенты пропорциональности;


Z_отн - относительное механическое сопротивление, используется для сравнения реологических (вязких) свойств жидкостей со стандартом (КЖ).

После получения зависимости U от t возможны две последовательности действий:
1. После окончания регистрации полученную зависимость U-t экстраполируют к нулевому начальному моменту времени и определяют U₀. Затем находят асимптотическое значение U_max, к которому стремится U с увеличением времени наблюдения. Определяют относительное механическое сопротивление разрушенной структуры

Определяют относительное механическое сопротивление сформировавшейся структуры

2. После окончания регистрации зависимость U-t превращают в зависимость

или, что то же Z_отн-t, вычитая U_в от уровней U_i зафиксированных точек и находя соответствующие отношения разностей напряжений

Z_max и Z₀ находят непосредственно по графику или используя аппроксимирующее уравнение.

Рассчитывают значение вязкости разрушенной структуры по формуле

Рассчитывают значение вязкости сформированной структуры по формуле

Пример конкретного выполнения. Камертон из стали с частотой резонанса 700 Гц имеет пробное тело - зонд в виде иглы диаметром 1,5 мм. Зонд погружен в ячейку диаметром 10 мм, емкостью 1 см³. Имитатор - такой же камертон без зонда. Измерительный автогенератор собран на микросхемах 140 серии, обеспечивает возбуждающее напряжение на воздухе ≤ 1 В. Автогенератор мощности имеет трансформаторный выход, обеспечивает возбуждающее напряжение на воздухе ≥ 300 В. БПР - многоконтактный переключатель. Регистратор - самописец "Эндим 622.01". Амплитуда колебаний зонда в режиме измерения ≈ 0,01 мм. Амплитуда колебаний зонда в режиме разрушения ≥ 3 мм.

Измеряли вязкость нефти Чкаловского месторождения (фиг. 2) при 15^oC (кривая 1) и 19^oC (кривая 2). В качестве калибровочной жидкости использовали глицерин. Развертка самописца 10 с/см. Диаграмму оцифровывали вручную и находили относительное механическое сопротивление для 16 точек (далее нижний индекс _отн. не указывается). Значения Z_i, привязанные к соответствующему времени, вводили в IBM-совместимый компьютер. Аппроксимировали зависимости уравнением
Z = Z₀+ΔZ(1-e^t/τ),
где t - текущее время, τ - время релаксации структуры, ΔZ = Z_max-Z₀ - изменяющаяся часть сопротивления.

Получены следующие значения:
Z_max;15 = 3,1; Z_max;19 = 1,36;
Z_0;15 = 0,79; Z_0;19 = 0,62;
ΔZ₁₅ = 2,31; ΔZ₁₉ = = 0,74;
τ₁₅ = 96,5 с; τ₁₉ = = 95,7 с;
ρ_ж ≈ 0,81 г/см³;
ρ_к ≈ 1,26 г/см³;
η_к ≈ 1000 мПа•с.

Вязкость разрушенной структуры при 15^oC

Вязкость сформировавшейся структуры при 15^oC

Вязкость разрушенной структуры при 19^oC

Вязкость сформировавшейся структуры при 19^oC

Таким образом, предлагаемое устройство позволило получить больше информации и дать более полную характеристику объекта, чем было бы возможно при использовании обычных вибрационных вискозиметров.

Изобретение относится к технике измерения вязкости и предназначено для контроля структурированных жидкостей в исследовательских лабораториях, в медицине, промышленности. Устройство содержит вибрационный датчик с пробным телом-зондом, погруженным в ячейку, измерительный автогенератор и автогенератор мощности. В устройство также введены имитатор датчика и блок переключения режимов. Блок переключения режимов имеет возможность попеременного синхронного подключения к измерительному автогенератору имитатора или датчика и одновременно к автогенератору мощности датчика или имитатора. Это позволяет увеличить объем получаемой при измерении информации, а именно определить вязкость разрушенной и сформировавшейся структуры. 2 ил.

Устройство для измерения вязкости, содержащее вибрационный датчик с пробным телом-зондом, ячейку, измерительный автогенератор, соединенный с датчиком, и регистратор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит автогенератор мощности, имитатор датчика и блок переключения режимов с возможностью попеременного синхронного подключения к измерительному автогенератору имитатора или датчика и одновременно к автогенератору мощности - датчика или имитатора.