РОТАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01N11/00 

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения вязкости жидкостей, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидких сред.

Известен способ определения динамической вязкости η по времени падающего в жидкости твердого шарика (см. Гораздовский Т.Я., Сарбтова Л.Ф. Экспериментальные методы и принципиальные схемы средств реологических исследований. Часть 1. – М.: Московский гидромелиоративный институт. С.27. 1976 г.). Недостатком данного способа является трудность изготовления малых шариков точной формы, в следствие чего – невозможность измерения η маловязких жидкостей, так как

где ρ_т; ρ_ж – плотности соответственно шарика и жидкости; v – линейная скорость шарика; g – ускорение свободного падения; r – радиус шарика, а для малых η радиус шарика должен быть малым.

За прототип принят ротационный способ (см. Гораздовский Т.Я., Сарбатова Л.Ф. Экспериментальные методы и принципиальные схемы средств реологических исследований. Часть 2. – М.: Московский гидромелиоративный институт. С.34-79: вискозиметры с обозначениями V1-V23 и V39-V40. 1976 г.), заключающийся в помещении исследуемой жидкости между коаксиальными цилиндрами, внешний или внутренний цилиндры приводят во вращение, а мерой вязкости η является частота вращения или угол закрутки при измерении усилия неподвижного цилиндра. В случаях V16-V18 и V21-V22 поверхности не цилиндрические, а сферические, однако это не изменяет сути способа.

Недостатком прототипа является погрешность определения η при больших скоростях вращения (начиная уже со скорости 1 об/сек) из-за термореологического эффекта (см. Гораздовский Т.Я. О термореологическом эффекте// доклады Академии наук СССР. Том 195, №5. 1970 г.): в зоне скольжения средняя температура выше, чем в остальном объеме жидкости. В этой зоне вязкость снижается на порядок и даже больше, что приводит к дополнительной погрешности определения η. Конкретные ошибки определения вязкости η показаны в статье: Гораздовский Т.Я., Регирер С.А. Движение ньютоновской жидкости между вращающимися коаксиальными цилиндрами при наличии внутренних тепловых процессов, влияющих на вязкие свойствах// Журнал технической физики. Том XXVI. Вып.7. 1956 г.

Термореологический эффект усиливается при наличии в жидкости твердых включений из-за центрафугирования твердых частиц.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности определения вязкости.

Данный технический результат достигается тем, что в ротационном способе определения вязкости, заключающемся в помещении исследуемой жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведении его во вращение, замкнутый полый цилиндр вращают в течение времени, пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_пп между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, в его параметры определяются угловой скоростью жидкости ω₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости ω_пор, время t_пп принятия жидкости второго состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости и определяется по формуле:

где k=15.4/а; а – радиусу цилиндра; ρ – плотность; η – вязкость исследуемой жидкости.

На чертеже показана структурная схема, поясняющая сущность предлагаемого способа. 1 – исследуемая жидкость; 2 – вращающийся цилиндр; 3 – ось вращения; 4 – электродвигатель.

Сущность способа заключается в следующем. Жидкость помещается в одиночный пустотелый цилиндр, при этом заполнение является частичным. Приводят цилиндр во вращение с угловой скоростью ω=ω₁. Вследствие внутреннего трения внутри цилиндра жидкость придет во вращение и через определенное время t_вращ примет вид параболоида вращения, уравнение которого имеет вид (см. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газов. – М.: Наука. 1970):

ρgh–0.5gω²(x²+y²)=const, (1)

где ρ – плотность жидкости; ω – угловая скорость вращения жидкости, g – ускорение свободного падения.

Минимальная и максимальная высота соответственно равны:

где h₀ – высота жидкости в цилиндре при ω=0. Чем больше ω, тем больше разность h_max–h_min.

Прекращают вращение цилиндра. Начинается переходный процесс между двумя стационарными режимами, при этом первый стационарный режим характеризуется угловой скоростью ω=ω₁ (поверхность жидкости – параболоид вращения); второй стационарный режим характеризуется угловой скоростью ω=ω_пор (а частном случае ω=0: поверхность жидкости – плоскость). Время t_пп принятия жидкости второго стационарного состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости. Решение уравнения для вращающейся в цилиндре ньютоновской жидкости имеет вид:

где ω(r) – поле угловых скоростей по радиусу; k – постоянная.

Время перехода процесса t_пп имеет вид:

где k – коэффициент, обратно пропорциональный радиусу цилиндра. Эксперимент показал, что величина ka≈15,4. В эксперименте использовались модельные жидкости с вязкостью 3,3·10^-4-1,22·10^-3 кг/м·сек и плотностью 7,9·10²-10³ кг/м³ (вода, ацетон и этиловый спирт при различных температурах); радиус а варьировался в пределах от 3 до 4,5 см. Максимальное отклонение величины kа от среднего значения не превышало 1,5%.

Время переходного процесса для авиационного керосина марки РТ1 составляет ≈ 20 сек при температуре 22°С (ω изменялась от значения ω=ω₁=14 рад/сек до ω_пор=4,4 рад/сек).

Границей применимости предложенного способа, на наш взгляд, является характерное время переходного процесса ≈ 0,2-0,4 сек. Этому t_пп соответствует вязкость ≈ от 1 до 2 кг/сек·м. Это средневязкие жидкости. Следовательно, предлагаемый ротационный способ применим к слабо и средневязким жидкостям.

Возможность реализации способа.

Точная фиксация t_пп возможна с помощью датчика на основе цилиндрического объемного резонатора (ЦОР). Поэтому стенки вращающегося цилиндра (см. чертеж) необходимо выполнять металлическими. Алгоритм работы датчика следующий. В ЦОР горизонтально помещается исследуемая жидкость заданного уровня h₀. При этом h₀/l<1, где l – длина ЦОР. С помощью перестраиваемого по частоте генератора СВ4 ЦОР вводится в резонанс на одном из типов колебаний (например, Е₀₁₀ или Е₀₁₁). Начинается вращение цилиндрической боковой стенки с угловой скоростью ω=ω₁. Форма поверхности жидкости начинает деформироваться и принимает форму параболоида вращения (уравнение (1). ЦОР выходит из резонанса. Через время t_вращ вращение боковой стенки ЦОР скачком прекращается. Начинается переходный процесс изменения ω от ω=ω₁ до ω=ω_пор. По истечении времени t_пп переходного процесса ЦОР опять входит в резонанс. Точность фиксации определяется добротностью ЦОР. Как известно, добротность ЦОР может достигать от нескольких тысяч до десятков тысяч: в отличие от систем с сосредоченными параметрами, где добротность не превышает 100-200.

Так как параметры параболоида вращения не зависят от вязкости, а определяются плотностью и угловой скоростью (см. (1)), то даже если происходит нагревание пристенной области (термореологический эффект) это не сказывается на параметрах параболоида вращения, и, следовательно, позволяет отстроиться от погрешности, вызванной термореологическим эффектом. А точная фиксация момента окончания переходного процесса, например, с помощью датчика на основе ЦОР позволяет определять кинематическую вязкость с большей точностью, чем в прототипе. Предложенный способ свободен от влияния атмосферного давления, так как время переходного процесса зависит от отношения ω₁/ω_пор (см. (3)).

Использование: для контроля состава и свойств жидких сред. Сущность: способ заключается в помещении исследуемой жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведении его во вращение, причем вращают его в течение времени, пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_пп между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, а его параметры определяются угловой скоростью жидкости ω₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости ω_пор, время t_пп принятия жидкости второго состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости и определяется по формуле:

где k=15.4/а; а - радиус цилиндра; ρ - плотность; η - вязкость исследуемой жидкости. Технический результат - повышение точности определения вязкости. 1 ил.

Ротационный способ определения вязкости, заключающийся в помещении исследуемой жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведение его во вращение, отличающийся тем, что замкнутый полый цилиндр вращают в течение времени пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_пп между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, а его параметры определяются угловой скоростью жидкости ω₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости ω_пор, время t_пп принятия жидкости второго состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости и определяется по формуле:

где k=15,4/а;

а - радиус цилиндра;

ρ - плотность; η - вязкость исследуемой жидкости.