СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2003 года по МПК G01N25/00 G01N11/00 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и вязкости и может быть использовано для определения теплофизических свойств и вязкости жидкости или газа, в том числе и в быстропротекающих и необратимых процессах, в потоках при неустановившемся режиме и т.п., а также для измерения нестационарных температур (скоростей).

Известен способ определения коэффициента теплопроводности жидкости или газа, содержащий генератор и измерительный мост с источником питания и ключом, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, а одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенному источнику питания и ключу. Устройство содержит блок регистрации дискретных значений напряжения, блок памяти, вычислительный блок, усилитель и блок управления, один вход которого соединен с одним выходом генератора, второй вход - с первым выходом блока регистрации, девять других - с девятью выходами вычислительного блока, один выход блока управления соединен с первым входом блока регистрации и одним входом блока памяти, второй выход с одним входом ключа и одним входом блока памяти, а три других - с тремя другими входами блока памяти, десять входов которого соединены с десятью выходами блока регистрации, второй вход которого соединен через усилитель с двумя выходами измерительного моста, а девять выходов блока памяти соединены с девятью входами вычислительного блока, см. SU 1631386 А, МПК 5 G 01 N 25/18, 1991.

Работа этого устройства основана на измерении и запоминании дискретных значений амплитуды импульса через известные временные интервалы, характеризующих разбаланс моста, в связи с изменением сопротивления нагревательной нити-датчика. Длительность измеряемого импульса задается с помощью генератора. По команде "ПУСК" с клавиатуры компьютера по восьми выходам проходит сигнал "Упр.", выбирающий нужное внешнее устройство. Через элемент И проходит сигнал "Упр. " и устанавливает в ожидание элементы 4И, с выходов которых в двоичном коде по два байта будут передаваться дискретные значения напряжений через каждые τ (в данном случае τ = 2 мс). Сигнал "ВВ" с 9-го выхода компьютера n раз подтверждает состояние триггера, в течение которого на датчике генерируется импульс, амплитуда которого определяется источником напряжения. Импульс разбаланса с двух входов другой диагонали моста через дифференциальный усилитель поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Делитель частоты задает длительность импульса и длительность интервалов между дискретными измерениями, т.е. через каждые τ с одного выхода триггера через элемент ИЛИ подается на АЦП разрешение на измерение, через время преобразования сигнал "Конец измерения" с первого выхода АЦП поступает через некоторую задержку на другой вход триггера, чтобы по следующему сигналу с делителя частоты через интервал между дискретным измерением вновь подать разрешение на АЦП для измерения следующего дискретного значения. По сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И формируются два импульса для передачи первого и второго байтов формирователями. Сигнал "ВВ" с компьютера через формирователь дважды устанавливает триггер в исходное состояние, а по сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И и формирователи на одном выходе триггера устанавливается дважды сигнал "СИП", который поступает на вход компьютера, он и дает разрешение на запись компьютера двух последовательных байтов с выходов элементов 4И блока. В блоке вывода информации через инвертор элементы 4И устанавливаются в состояние ожидания, через инвертор и формирователь проходит сигнал "ВВ" на один из входов триггера, который формирует сигналы "СИП", дающие разрешение на последовательное прохождение первого и второго байтов на входы компьютера. В блоке памяти компьютера запись двух байтов в двоичном коде переводится по программе измерений в десятичное число.

Недостатками этого способа и устройства для его осуществления являются: невозможность измерения нескольких свойств жидкости или газа, например коэффициентов теплопроводности и температуропроводности.

Наиболее близкими к предлагаемому объекту по технической сущности и достигаемому результату являются способ и устройство для осуществления способа определения свойств жидкости или газа.

Устройство для определения теплофизических свойств жидкости и газа, включающее генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе, в плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью-датчиком и источником питания, последовательно включена дополнительная нить-датчик с таким же температурным коэффициентом, как и у первой. Мост предварительно балансируют для эталонной, а затем для измеряемой жидкости или газа. Строят термограммы и рассчитывают искомые теплофизические характеристики.

Если диаметр нити датчика столь мал, что ее тепловой инерционностью можно пренебречь, то из уравнения теплопроводности можно получить известную зависимость избыточной температуры нити во времени

или для двух моментов времени τ и τ₀

где - тепловой поток мощности с единицы длины нити-датчика L, α - коэффициент температуропроводности жидкости (газа), τ - время, r - радиус нити-датчика, λ - коэффициент теплопроводности жидкости или газа, с = 1.781 - постоянная Эйлера, I - постоянный электрический ток, проходящий через нить-датчик, R - сопротивление нити-датчика до подачи нагрева.

Из (1) следует уравнение для определения коэффициента теплопроводности, приведенное в описании работы устройства. В соотношение (1) также входит коэффициент температуропроводность, что свидетельствует о возможности определения α, см. RU 2139528 С1, МПК 6 G 01 N 25/18, 1999.

Основными недостатками этого способа и устройства для осуществления способа являются:
1) невозможность измерения коэффициента кинематической вязкости;
2) невозможность измерения двух теплофизических свойств жидкости или газа в течение одного коротковременного (1-2 с) импульса нагрева, например коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости.

Задачей изобретения является повышение информативности за счет создания возможности дополнительного измерения - коэффициента кинематической вязкости.

Техническая задача решается способом определения теплофизических свойств и вязкости жидкости или газа с использованием устройства для осуществления способа, включающим предварительную балансировку измерительного моста устройства, нагревательная нить-датчик которого находится в исследуемой среде, задание длительности измерительного импульса и длительности между импульсами, построение термограммы и вычисление определяемых величин по формулам. Причем балансировку моста, задание длительности измерительного импульса и длительности между импульсами, измерение n дискретных значений напряжения и построение термограммы проводят предварительно для эталонной жидкости (газа), определяют для некоторого момента времени величину где К_э - расчетная величина для эталонной жидкости (газа), ΔT(τ_iэ) и ΔT(τ₀) - избыточная температура нити-датчика в моменты времени τ_iэ и τ₀, затем проводят балансировку моста, задание длительности измерительного импульса и длительности между импульсами, измерение n дискретных значений напряжения для исследуемой жидкости, отличающееся тем, что построение термограммы на начальном участке проводят для направленного потока исследуемой жидкости или газа внутри трубки со скоростью w, когда
F_o≤C₁(Re)^-1/2 • Ре^-1, (3)
где - число Фурье, C₁= 200, - число Рейнольдса, - число Пекле, определяют ΔT(τ_i)-ΔT(τ₀) и τ_i, при условии где К_и - расчетная величина для исследуемой жидкости (газа), ΔT(τ_i) - избыточная температура нити-датчика в момент времени τ_i, и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемой жидкости или газа по зависимости , где α_i и α_iэ - коэффициенты соответственно исследуемой жидкости или газа и эталонной жидкости или газа. Измерение коэффициента теплопроводности и коэффициента кинематической вязкости проводят следующим образом: схема переводится в положение измерения коэффициента теплопроводности λ, замкнув накоротко вход и выход дополнительной нагревательной нити-датчика, при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме, равного нулю, в котором внутри цилиндрической трубки с нагревательной нитью-датчиком создается поток исследуемой жидкости или газа со скоростью w, вначале строят термограмму на начальном участке при условии (3) и определяют коэффициент теплопроводности λ по зависимости (2), а затем на конечном участке термограммы, когда
F_o≥C₂(Re)^-1/2 • Ре^-1,
где С₂= 800, определяют значение коэффициента кинематической вязкости ν исследуемой жидкости по зависимости где С₃= 0,00082, r - радиус нити-датчика, λ - коэффициент теплопроводности исследуемой жидкости или газа, измеренный ранее по зависимости (2), Т - температура исследуемой жидкости, ΔT - перегрев нити-датчика до достижения горизонтального участка на термограмме.

Техническая задача решается использованием устройства для определения свойств и вязкости жидкости или газа, включающее генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе. Причем в плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью-датчиком и источником питания, последовательно включена дополнительная нить-датчик, имеющая такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у первой нити-датчика, при этом нагревательная нить-датчик расположена внутри цилиндрической трубки, в которой создается направленный поток исследуемой жидкости или газа.

Решение технической задачи позволяет определять теплофизические свойства - теплопроводность и температуропроводность и дополнительно кинематическую вязкость жидкости или газа.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для автоматического измерения теплофизических свойств, где 1 - измерительная система, 2 - источник питания, 3 - ключ.

Две нити-датчика R_к и R_i (из платиновой нити диаметром 5 мкм) включены в разные плечи моста. Причем R_к во всех измерениях находится в одной и той же среде (в эксперименте использовался н-пентадекан), при одной и той же температуре (в термостате с тающим льдом). Его назначение - выдавать постоянный сигнал сравнения. Это обеспечивается тем, что силу тока в обоих плечах моста поддерживают неизменной, для чего суммы сопротивлений должны быть равны, то есть R₁+R₃+R_к= R₂+R₄+R_i. При этом температурные изменения сопротивления R_i компенсируют магазином сопротивлений R₄. Для обеих нитей-датчиков R_i и R_к температурные коэффициенты сопротивления одинаковы.

Работа устройства основана на измерении и запоминании дискретных значений амплитуды импульса через известные временные интервалы, характеризующие разбаланс моста, в связи с изменением сопротивления нагревательной нити-датчика.

Длительность измеряемого импульса задают с помощью генератора. По команде "ПУСК" с клавиатуры компьютера по восьми выходам проходит сигнал "Упр.", выбирающий нужное внешнее устройство. Через элемент И проходит сигнал "Упр." и устанавливает в ожидание элементы 4И, с выходов которых в двоичном коде по два байта будут передаваться дискретные значения напряжений через каждые τ (в данном случае τ = 2 мс). Сигнал с выхода элемента И блока управления измерениями в блоке синхронизации на одном входе элемента 3И устанавливает одно из разрешений и одновременно через формирователь триггер устанавливается в исходное состояние, выходной сигнал с которого устанавливает в исходное состояние делитель частоты. Сигнал "ВВ" с 9-го выхода компьютера и сигнал с выхода делителя частоты управляют состоянием триггера, т.е. сигнал "ВВ" с компьютера n раз подтверждает состояние триггера, в течение которого на втором выходе появляется задающий импульс, в течение длительности которого через оптрон и открытый транзисторный ключ на нити-датчике измерительного моста генерируется импульс, амплитуда которого определяется источником напряжения.

Импульс разбаланса с двух входов другой диагонали моста через дифференциальный усилитель поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Делитель частоты задает длительность импульса измерения Т на нити-датчике измерительного моста, управляя состоянием триггера, и длительность интервалов между дискретными измерениями, т.е. через каждые τ с одного выхода триггера через элемент ИЛИ подается на АЦП разрешение на измерение (сигнал "Запуск АЦП"), через время преобразования сигнал "Конец измерения" с первого выхода АЦП поступает через некоторую задержку на другой вход триггера, т.е. переводит его в состояние ожидания, чтобы по следующему сигналу с делителя частоты через интервал между дискретным измерением вновь подать разрешение на АЦП для измерения следующего дискретного значения. Вместе с измерением происходит преобразование, на десяти выходах АЦП устанавливается U_i в двоичном коде. Другая особенность устройства связана с тем, что в машину можно одновременно передать код по восьми входам, а АЦП для большей точности измерения используются с точностью 8, 16, 32 выходами и т.д.

Поэтому в интервале между измерением двух соседних дискретных значений нужно передать U_i в двоичном коде двумя байтами, это передается на четвертые входы элементов 4И. Управляется эта передача сигналами "ВВ" и "СИП". По сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент И формируются два импульса для передачи первого и второго байтов формирователями. Сигнал "ВВ" с компьютера через формирователь дважды устанавливает триггер в исходное состояние, а по сигналу "Запуск АЦП" с триггера через элемент "И" и формирователи на одном выходе триггера устанавливается дважды сигнал "СИП", который передается на один из трех входов элемента 3И, на двух других входах которого уже установлены разрешения сигналом "Упр." и импульсом измерения Т. Дважды на выходе элемента 3И формируется сигнал "СИП", который поступает на девятый вход компьютера, он и дает разрешение на запись компьютера двух последовательных байтов с выходов элементов 4И блока. В блоке вывода информации через инвертор элементы 4И устанавливаются в состояние ожидания, через инвертор и формирователь проходит сигнал "ВВ" на один из входов триггера, состоянием которого управляют два сигнала "ВВ" и "Запуск АЦП", сигналы с выходов этого триггера формируют сигналы "СИП", дающие разрешение на последовательное прохождение первого и второго байтов на входы компьютера. Первый байт передает информацию с первого по восьмой выходов АЦП, второй - с девятого и десятого выходов. В блоке памяти компьютера запись двух байтов в двоичном коде переводится по программе измерений в десятичное число. Таким образом, чтобы провести измерение в режиме автоматизации с помощью предлагаемого устройства, достаточно запустить программу измерения и нажать клавишу "Пуск". Время измерения равно сумме длительности измеряемого импульса и длительности машинных команд. Предлагаемое устройство позволяет измерять параметры кратковременных процессов, например теплопроводность растворов при полимеризации, длительность которых ≤ 1 с и т.п., при необходимости из режима измерения можно обратится к режиму вычисления необходимого параметра с выводом на печать.

В качестве исследуемых жидкостей взяты н-октан, н-тетрадекан, н-гексан.

Результаты определения коэффициентов температуропроводности α, теплопроводности λ и кинематической вязкости ν н-гексана, н-тетрадекана, н-октана представлены в таблице. Из таблицы видно, что экспериментальные значения α, λ и ν хорошо согласуются с данными приведенными в:
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720с.;
Варгафтик Н. Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -352с.;
Тарзиманов А. А. , Шарафутдинов Р. А., Габитов Ф.Р., Юзмухаметов Ф.Д. Теплопроводность жидких н-алканов и 1-алкенов, не искаженная радиационным переносом энергии.

Источник информации
1. Результаты экспериментального исследования. //Инж.-физ. Журнал. 1990. Т.59. 4. С.662-667.

Устройство включает генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик. В плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью-датчиком и источником питания, последовательно включена дополнительная нить-датчик, имеющая такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у первой нити-датчика, при этом нагревательная нить-датчик расположена внутри цилиндрической трубки. Способ для измерения теплофизических свойств жидкостей и газов с использованием указанного выше устройства позволяет наряду с коэффициентом теплопроводности, температуропроводности определять и вязкость жидкости и газов. Технический результат - повышение информативности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ определения свойств жидкости или газа, включающий построение термограммы для эталонной и исследуемой жидкости или газа, измерение коэффициента теплопроводности и коэффициента температуропроводности, отличающийся тем, что построение термограммы проводят при направленном потоке исследуемой жидкости или газа внутри цилиндрической трубки с нагревательной нитью-датчиком со скоростью w, при измерении коэффициента температуропроводности строят начальный участок термограммы, характеризующийся параметрами
Fo ≤ C₁(Re)^-1/2•Pe^-1, (1)
где - число Фурье;
С₁ = 200;
- число Рейнольдса;
- число Пекле,
и рассчитывают значение коэффициента температуропроводности исследуемой жидкости по зависимости α_i = (α_iэτ_iэ)/τ_i где α_i и α_iэ - коэффициенты температуропроводности соответственно исследуемой и эталонной жидкости, а измерение вязкости проводят в режиме измерения коэффициента теплопроводности, замкнув накоротко вход и выход дополнительной нагревательной нити-датчика при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме, равного нулю, при этом вначале строят начальный участок термограммы, характеризующийся условием (1), и определяют коэффициент теплопроводности λ по зависимости

где q_L - плотность теплового потока с поверхности нити-датчика;
ΔТ₁ и ΔТ₂ - значения перегрева нити-датчика на термограмме в моменты времени τ₁ и τ₂,
; I - сила тока; U - напряжение; L - длина нити-датчика,
а затем на конечном участке термограммы, когда
Fo ≤ C₂(Re)^-1/2•Pe^-1,
где С₂ = 800,
определяют значение коэффициента кинематической вязкости ν исследуемой жидкости по зависимости

где С₃ = 0,00082;
; ΔТ - перегрев нити-датчика до достижения горизонтального участка на термограмме, Т - температура исследуемой жидкости;
r - радиус нити-датчика;
λ - коэффициент теплопроводности исследуемой жидкости или газа. 2. Устройство для определения свойств жидкости или газа, включающее генератор, источник питания, ключ, измерительный мост, в одно плечо которого включена нагревательная нить-датчик, в три других - переменные сопротивления, одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания и ключу, вторая диагональ параллельно подключена к измерительной системе, в плечо моста с нагревательной нитью-датчиком последовательно включено дополнительное переменное сопротивление, в другое плечо моста, один из входов которого соединен с первой нагревательной нитью и источником питания, последовательно включена дополнительная нить-датчик, имеющая такой же температурный коэффициент сопротивления, как и у первой нити-датчика, отличающееся тем, что нагревательная нить-датчик расположена внутри цилиндрической трубки, в которой создается направленный поток исследуемой жидкости или газа, при этом измерение коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости проводится при замкнутых накоротко входе и выходе дополнительной нагревательной нити-датчика и при значении дополнительного переменного сопротивления в мостовой схеме, равного нулю.