СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ВИСКОЗИМЕТР Российский патент 2000 года по МПК G01N11/14 

Предпосылки создания изобретения
Изобретение касается способа измерения вязкости жидкости, в котором вращающуюся измерительную головку вводят в жидкость и считывают вращающий момент, действующий на измерительную головку, Кроме того, изобретение касается вискозиметра, предназначенного для выполнения этого способа, причем упомянутый измерительный прибор содержит приводной двигатель, который обеспечен датчиком крутящего момента и приспособлен для вращения вводимой в жидкость измерительной головки.

Описание известного уровня техники
Во многих промышленных процессах вязкость рассматриваемых жидкостей имеет решающее значение для осуществимости. Типичным случаем является изготовление стеклянных емкостей, при котором подается жидкость (здесь, конечно, расплавленное стекло), тщательно отрегулированными порциями, из чего по так называемым желобам подающего механизма в установку для выдувания стеклянных бутылок. Несмотря на то, что вязкость расплавленного стекла существенна для размера и формы дозировок, а также для пластичности расплавленного стекла при выдувании стекла, в настоящее время действительное измерение вязкости расплавленного стекла не выполняют. Вместо этого, ограничиваются определением вязкости косвенно путем считывания температуры расплавленного стекла, необязательно в сочетании с контролем формы отрезаемой порции расплавленного стекла.

При непрерывном процессе такое решение в большинстве случаев дает удовлетворительные результаты, но особенно при пуске после перерыва или при смене, например, сорта стекла (то есть цвета или качества) едва можно избежать первоначальной потери какого-то размера.

Одной причиной отсутствия измерения вязкости при производстве стеклянной тары в настоящее время, несмотря на явные преимущества, приносимые таким измерением, является, например, то, что существующие способы измерения и вискозиметры не пригодны для этой цели.

Среди известных вискозиметров особенно заслуживают внимания ротационные вискозиметры. Ротационные вискозиметры содержат двигатель, который вращает измерительную головку, предназначенную для введения этим способом в жидкость, вязкость которой надлежит определить. Затем вязкость на самом деле определяется путем считывания вращающего момента, которому подвергается измерительная головка при вращении в жидкости.

Если требуется получить достоверные результаты, должны быть известны скорость вращения и глубина введения измерительной головки в жидкость, поскольку эти параметры естественно влияют на вращающий момент и, следовательно, на результаты измерения. Кроме того, должно быть хорошо определено положение измерительной головки при введении в жидкость, поскольку на вращающий момент также влияют, например, боковые стенки резервуара, содержащего жидкость. В дальнейшем это влияние будет называться краевым эффектом.

Однако в питающем желобе упомянутого во введении типа невозможно достоверно определить ни глубину введения измерительной головки, ни ее положение, отчасти потому, что анализируемое расплавленное стекло находится в непрерывном движении, отчасти потому, что расплавленное стекло постепенно изнашивает стенки питающего желоба, так что условия течения в питающем желобе претерпевают непрерывное изменение.

Совершенно независимо от их ограниченной осуществимости, известные ротационные вискозиметры отличаются тем, что наибольшее внимание должно уделяться качеству и калибровке прибора, измеряющего вращающий момент (должен быть известен уход измерителя крутящего момента), поскольку для определения вязкости получается только одно значение крутящего момента на местоположение измерения.

В свете недостатков известного уровня техники, целью данного изобретения является обеспечить способ измерения вязкости, устраняющий недостатки известных способов, а также простой вискозиметр, предназначенный для выполнения этого способа.

Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с изобретением, данная цель достигается с помощью способа, который представляет собой установленный во вводной части тип, и который отличается тем, что измерительная головка вращается по существу с постоянной скоростью, тем, что вращающий момент считывается на двух глубинах введения измерительной головки в жидкость, и тем, что вязкость жидкости вычисляется на основании изменения вращающегося момента между двумя глубинами введения и расстояния между ними. Соответственно, используемый для осуществления данного способа вискозометр отличается тем, что измерительная головка является круглоцилиндрической и приспособлена для вращения относительно ее оси цилиндра, а также для введения ее в жидкость вдоль упомянутой оси и на произвольную глубину.

Соответствующий изобретению способ, в котором, таким образом, не используется измеряемое значение данной глубины введения, а в котором используется разность между двумя измеренными значениями на разных и некритических глубинах введения, таким образом обеспечивает, неожиданно простым образом, измерение с высокой достоверностью вязкости анализируемой жидкости. Кроме того, поскольку интерес здесь представляет только разность между двумя измеряемыми значениями, используемый при измерении вискозиметр может иметь чрезвычайно простую конструкцию, и вращающий момент можно считывать, например, с помощью простого преобразователя углового перемещения.

В предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению способа измерительную головку вводят в жидкость по существу с постоянной скоростью, способствуя таким образом определению расстояния, охватываемого между двумя глубинами введения.

И наконец, предпочтительный вариант осуществления соответствующего изобретению вискозиметра отличается тем, что свободный конец измерительной головки имеет закругленную или коническую форму, поскольку это снижает как образование воронки, возникающей при начальном введении измерительной головки в жидкость, так и вклад от конца измерительной головки во вращающий момент во время измерения вращающего момента.

Краткое описание чертежей
Теперь будет более подробно описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет вид в поперечном разрезе подающего желоба для расплавленного стекла и в частичном поперечном разрезе соответствующего изобретению вискозиметра, расположенного над подающим желобом.

Фиг. 2 изображает представленный на фиг. 1 вискозиметр в более крупном масштабе.

Фиг. 3 представляет вискозиметр сбоку и с частичным разрезом.

Фиг. 4 схематически иллюстрирует свободный конец соответствующей изобретению измерительной головки и дополнительно изображает несколько параметров, используемых при вычислениях вязкости, применяемых в соответствующем изобретению способе.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Известная сама по себе формула для расчета вязкости жидкости на основании значений вращающего момента ротационного вискозиметра учитывает частичные вращательные моменты, передаваемые жидкостью измерительной головке от боковых сторон и нижней стороны (конца) ее. Кроме того, учитываются концевые эффекты, возникающие на конце измерительной головки. Формулу вычисления для измерения в свободном поле с использованием гладкого вращающегося тела постоянного диаметра в ньютоновской текучей среде можно представить следующим образом:
M = π•a⁴•n•Ω•(1+ (1)
(1•4•h)/(a⁴•(1/a²)-(1/в²))+ (2)
4•1/a•Σ(A_n•I₂•n•a/1)+ (3)
8•1/(π•a²)•Σ(B_n•(sh(K_n•h)/K_n)), (4)
где М - вращающий момент, оказываемый жидкостью на измерительную головку;
Ω - скорость вращения измерительной головки;
a - радиус измерительной головки;
h - высота измерительной головки.

Слагаемые (3) и (4) иллюстрируют дополнительный вращающий момент, обусловленный краевыми эффектами.

Из уравнения получают вязкость n.

При использовании, в соответствии с изобретением, разности между двумя значениями вращающего момента, измеряемыми в двух разных местоположениях в жидкости, и затем вычислении вязкости, получим:
a) что измеряемая разность вращающего момента соответствует изменению вращающего момента, получаемому при заранее определенном изменении глубины введения в жидкость. Короче говоря, другие параметры, такие как скорость вращения и площадь поперечного сечения жидкости считаются постоянными. Таким образом, разность вращающего момента становится мерой вязкости в слое жидкости, расположенном между двумя положениями измерения;
b) что дополнительный вращающий момент, вызываемый краевыми эффектами, можно вычесть при вычислении вязкости. Краевые эффекты, то есть изменения вращающего момента, вызываемые, например, боковыми стенками подающего желоба, можно рассматривать постоянными в продолжение установки на место измерительной головки. Поскольку глубина введения измерительной головки меняется лишь на небольшую ступень в отношении расстояния кончика измерительной головки до ближайшей стенки, ошибка пренебрежимо мала; и
c) что ошибки отклонения датчика вращающего момента, то есть девиации фактического измеряемого вращающего момента, компенсируются способом, который раскрыт в приведенном выше пункте b).

При использовании, в соответствии с изобретением, становится возможным непрерывное регулирование местоположения (введения) измерительной головки для:
d) вычисления вязкости с помощью дифференциала значения вращающего момента;
e) исключения способом, описанным выше в пункте b), образования воронки, которая появляется при разрыве поверхности жидкости измерительной головкой в результате погружения в материал измерительной головки во время ее расположения на месте, где образование воронки влияет на вращающий момент, получаемый от измерительной головки; и
f) получения, с помощью второго дифференциала, числового значения относительной величины изменения вязкости, если оно вообще имеется, по поперечному сечению, которое проходит измерительная головка.

С помощью устройства, содержащего измерительную головку, которая перемещается относительно жидкости во время измерения, можно:
g) определить вязкость жидкости в нескольких различных точках.

При описанном выше способе, в котором изменение вращающего момента во время изменения местоположения измерительной головки используется для вычисления вязкости, используют следующую формулу для круглой измерительной головки, которую вращают в жидкости:

где M - вращающий момент, оказываемый на измерительную головку;
δh - изменение глубины введения;
h - текущая глубина введения, и
C - постоянная, содержащая количество оборотов измерительной голодовки, а также ее диаметр.

Вязкость n вычисляют для частичных интервалов dh, и можно отображать для разных глубин введения, а также для разных моментов времени, если измерения осуществляют с целью контроля обтекающей жидкости.

В одном применении, где вязкость определяют в интервале между двумя глубинами введения h₁ и h₂ путем измерения увеличения крутящего момента у верхнего и нижнего пределов интервала, вязкость можно получить из приведенной выше формулы следующим образом:
n(h₂) = М₃-M₁/C•(h₃-h₁).

Этот пример показан из применения, где измерительная головка непрерывно изменяет свое местоположение (вводится) в жидкости, а индекс 3 показывает начальное значение для вычислений последующего частичного интервала.

Теперь будет представлено краткое описание типичного устройства, предназначенного для осуществления вышеупомянутого способа измерения при технологическом процессе, где жидкость обтекает устройство по существу при непрерывном течении.

Жидкость 1 (здесь расплавленное стекло) течет с достаточно постоянной скоростью по падающему желобу 2, показанному в поперечном разрезе, перпендикулярном направлению течения жидкости 1.

Для того, чтобы круглоцилиндрическую измерительную головку 3 вращать относительно ее оси цилиндра, она с помощью вала подсоединена к приводному двигателю 7, который, в свою очередь, подсоединен к кожуху 14. Приводной двигатель 7 подсоединен к кожуху 14 через чувствительный к вращательному моменту узел, содержащий спиральную пружину 8 и преобразователь углового перемещения 9 в форме индуктивного датчика скорости вращения (ИДСВ).

Кожух 14 подсоединен к раме 4 через блок управления, обеспечивающий возможность линейного перемещения кожуха 14 и, следовательно, измерительной головки 3, и содержащий шариковый винт 5, который можно вращать с помощью шагового двигателя 6. Блок управления 10 управляет шаговым двигателем 6 и приводным двигателем 7 и производит выборку измеряемых значений с преобразователя углового перемещения 9.

Блок управления 10 подсоединен к вычислительной машине (не показанной), содержащей программы для управления управляющим блоком 10, приема измеряемых значений и вычисления величины вязкости, и составляет средство сопряжения с пользователем или другим оборудованием.

Удобно, что измерительное устройство закрыто внешним чехлом, имеющим вход, через который может поступать воздух для охлаждения устройства. Устройство термически изолировано от подающего желоба 2 с помощью изоляции 13.

При измерении и вычислении вязкости жидкости измерительное устройство работает следующим образом.

Измерительная головка 3 с постоянной скоростью вводится в осевом направлении вниз в жидкость 1. В произвольной точке h₁ для конца измерительной головки измеряют первый вращающий момент М₁. Затем измерительная головка непрерывно опускается вдоль оси в h-направлении до тех пор, пока достигнет глубины введения h₁ + δh, где измеряют второй вращающий момент М₂. Полученное в результате изменение вращающего момента, вычисляемое в виде разности М₂ минус M₁, делится на изменение δh глубины введения. Частное от деления умножается на постоянную, содержащую диаметр и скорость вращения измерительной головки 3, с целью определения расчетной величины вязкости в частном интервале δh.

Следует помнить, что измерительную головку 3 предпочтительно так перемещают, что осуществляется полное или частичное проникание в жидкость, причем значения вязкости вычисляются для различных частных интервалов. Кроме того, следует понимать, что если необходимо производить измерение температуры на разных глубинах введения в жидкость, то измерительную головку 3 выгодно объединять с датчиком температуры (не показанным), встроенным в свободный конец измерительной головки 3.

Способ и устройство предназначены для измерения вязкости жидких сред, например стекол. Вращающаяся измерительная головка вводится в жидкость и считывается вращающий момент, действующий на измерительную головку. Она вращается по существу с постоянной скоростью, вращающий момент считывается по крайней мере на двух глубинах. По полученным данным численно рассчитывают величину вязкости. Изобретение позволяет относительно простым методом с достаточной точностью контролировать вязкость, например, жидких стекол при производстве стеклянной тары. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения вязкости жидкости, по которому вращающуюся измерительную головку вводят в жидкость и считывают вращающий момент (М), действующий на измерительную головку, отличающийся тем, что измерительную головку вращают по существу с постоянной скоростью, тем, что вращающий момент считывают на двух глубинах введения (h₁, h₂) измерительной головки в жидкость, и тем, что вязкость (n) жидкости вычисляют по формуле

где M - вращающий момент, действующий на измерительную головку;
C - постоянная, содержащая скорость вращения и диаметр измерительной головки;
h - текущая глубина введения;
n - вязкость жидкости;
δh - изменение глубины введения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительную головку вводят в жидкость по существу с постоянной скоростью. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость представляет собой расплавленное стекло. 4. Вискозиметр для измерения вязкости жидкости, содержащий круглоцилиндрическую измерительную головку, имеющую постоянный диаметр и установленную с возможностью вращения вокруг ее оси цилиндра, устройство для ввода измерительной головки в жидкость, приводной двигатель, который снабжен датчиком вращающего момента и который обеспечивает вращение измерительной головки, блок управления, осуществляющий управление операций измерения, по которой устройство ввода вводит измерительную головку в жидкость по ее оси цилиндра, по меньшей мере, на две глубины введения (h₁, h₂), по которой приводной двигатель вращает измерительную головку по существу с постоянной скоростью, и по которому датчик вращающего момента считывает вращающий момент (М), действующий на измерительную головку, по меньшей мере, на двух глубинах введения измерительной головки, и вычислительное устройство, соединенное с блоком управления, которое вычисляет вязкость жидкости (n ) по формуле

где М - вращающий момент, действующий на измерительную головку;
C - постоянная, содержащая скорость вращения и диаметр измерительной головки;
h - текущая глубина введения;
n - вязкость жидкости;
δh - изменение глубины введения. 5. Вискозиметр по п. 4, отличающийся тем, что свободный конец измерительной головки имеет закругленную или коническую форму. 6. Вискозиметр по п.4, отличающийся тем, что устройство ввода обеспечивает ввод измерительной головки в жидкость для выполнения измерения по существу с постоянной скоростью вдоль оси ее цилиндра. 7. Вискозиметр по п.4, отличающийся тем, что жидкость представляет собой расплавленное стекло.