КАПИЛЛЯРНЫЙ ВИСКОЗИМЕТР Российский патент 2005 года по МПК G01N11/04 

Капиллярный вискозиметр относится к технике измерения вязкости различных неорганических и органических жидкостей, а также нефтей и нефтепродуктов, получаемых на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях и заводах, где показатель вязкости у выпускаемых ими продуктов является величиной, определяющей их качество.

В настоящее время для измерения вязкости применяются: капиллярные вискозиметры; вискозиметры с падающим телом; вискозиметры с измерением крутящего момента (ротационные); вибрационные вискозиметры (Основы автоматики и автоматизации химических производств, А.В.Казаков, П.В.Кулаков, Ю.К.Мелюшев, М., Машиностроение, 1970 г., с.164-170). Работа данных вискозиметров основана на определении силы сопротивления, возникаемой между слоями измеряемой жидкости при движении их в ламинарном режиме в общем потоке и одновременном скольжении друг относительно друга. Движение потока слоями создается с помощью различных движущихся и вращающихся механических узлов, образующих в каждом конкретном случае систему дозирования и подачи измеряемой жидкости с постоянным расходом.

Недостатки данных вискозиметров. Наличие механических узлов, предназначенных для создания вращательных, возвратно-поступательных, пульсирующих и прочих движений в слоях измеряемой жидкости усложняет конструкцию вискозиметров, понижает их эффективность при эксплуатации и ограничивает применение для измерения вязкости жидкостей непосредственно на технологических линиях в производстве, реакторах, рабочих емкостях, транспортных трубопроводах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится капиллярный вискозиметр, защищенный А.С. №1010517, СССР, МКИ G 01 N 11/04 от 07.04.83 г., БИ №13. Данный капиллярный вискозиметр состоит из: системы нагружения и подачи измеряемой жидкости в капилляр под давлением; системы термостатирования измеряемой жидкости; системы измерения и регистрации величины вязкости. Образуемая данными системами конструкция капиллярного вискозиметра содержит корпус, закрепленный внутри него термостат, поворотную головку с установленной на ней устройством нагружения, включающим привод, шток, пружину, платформу, упругий элемент, съемную емкость в виде гильзы, жестко установленной в гильзе капилляр, измеритель силы давления, регистратор силы нагружения, отградуированный в единицах динамической вязкости, элемент, передающий усилие.

Работает прототип следующим образом. В термостат устанавливается гильза, заправленная измеряемой жидкостью. В таком исходном положении удерживается пружиной, которая отрегулирована таким образом, что элемент /стакан/ в исходном положении касается верхнего конца штанги, а нижний конец опирается на силоизмеритель. При перемещении гильзы с капилляром стакан остается неподвижным, а пружина сжимается, при этом стакан, находящийся внутри гильзы упирается в верхний конец штанги и создает давление внутри гильзы. Измеряемая жидкость под действием возрастающего давления выталкивается вверх через капилляр. В момент выталкивания давление передается через штангу на силоизмеритель и регистратор силы. После того как вся жидкость будет вытеснена, шток возвращается в исходное положение приводом системы нагружения и подачи, а гильза перемещается вверх пружиной в исходное положение. Штанга вновь уравновешивается на упругом элементе и в исходном состоянии не нагружает силоизмеритель. Готовность вискозиметра к работе по температурному режиму передается от датчика температуры на регистратор температуры. После проведения испытания гильза с капилляром и элемент-стакан извлекаются из термостата для подготовки к следующим анализам.

Недостатки прототипа. Конструкция капиллярного вискозиметра сложна как в изготовлении, так и в работе. Большое количество кинематически связанных между собой механических узлов и деталей делают его не технологичным и неэффективным. Кроме того, наличие в системе нагружения и подачи привода, штока, штанги, элементов и деталей, передающих усилия, - ограничивает применение прототипа непосредственно на производстве. Поэтому большинство вискозиметров данного типа - это лабораторные приборы.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции капиллярного вискозиметра и повышения его технологичности.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции, капиллярного вискозиметра и повышения его технологичности.

Поставленная задача решается тем, что система нагружения и подачи измеряемой жидкости содержит шприц для подачи точно дозированного объема воздуха в цилиндрическую гильзу через трехходовой кран, которая соединена с капиллярной трубкой трехходовым краном, мерный стакан, связанный через трехходовый кран с дифманометром, при этом шприц, цилиндрическая гильза, мерный стакан имеют равные диаметры и одинаковые объемы, причем измеряемая жидкость вытесняется из цилиндрической гильзы через капиллярную трубку в мерный стакан.

На чертеже представлена схема конструктивного выполнения предлагаемого капиллярного вискозиметра. Он состоит из: корпуса 1; шприца 2; цилиндрической гильзы 3; капиллярной трубки 4; мерного стакана 5; дифманометра 6 со шкалой измерения, отградуированной в единицах динамической вязкости; трехходовых кранов 7, 8, 9; съемной воронки 10 для залива измеряемой жидкости в цилиндрическую гильзу 3.

Приведенные отличительные признаки, способствуют решению поставленной задачи следующим образом.

Отсутствие в предлагаемом капиллярном вискозиметре движущихся механических узлов и деталей: привода, штока, штанги, пружины, прижимного стакана, упругого элемента - упрощает конструкцию вискозиметра и, как следствие этого, сокращает трудовые, материальные и энергетические затраты на его изготовление.

Технологическая связка: шприц 2, цилиндрическая гильза 3, капиллярная трубка 4, мерный стакан 5 - и равенство диаметров и объемов у них позволяют решить задачу повышения технологичности капиллярного вискозиметра, связанного с применением его не только в лаборатории как лабораторный прибор, но и на производстве на технологических линиях, реакторах и рабочих емкостях.

Необходимость равенства диаметров и объемов у шприца 2, цилиндрической гильзы 3, мерного стакана 5 была установлена расчетно-конструкторскими проработками и экспериментальными исследованиями, спланированными с учетом закона Пуайзела, по которому динамическая вязкость определяется соотношением:

,

где μ - динамическая вязкость, r - радиус капилляра, Q - количество жидкости, вытекающей из капилляра, ΔP - перепад давления на концах капилляра, l - длина капилляра, К - постоянный числовой коэффициент, зависящий от принятой размерности (Основы автоматики и автоматизации химических производств, А.В.Казаков, М.В.Кулаков, Ю.К.Мелюшев, М., Машиностроение, 1970 г., с.165-166). С помощью уравнения Пуазейля было установлено, что если равенство диаметров и объемов шприца 2, цилиндрической гильзы 3, мерного стакана 5 не соблюдаются, величина погрешности измерения динамической вязкости увеличивается прямо пропорционально допущенным отклонениям от установленных значений.

Определение вязкости у измеряемой жидкости осуществляется по следующей схеме. У шприца 2, предназначенного для подачи воздуха в точно дозированном объеме в цилиндрическую гильзу 3, шток опускается до конца. Воздух, поступивший в цилиндрическую гильзу 3 снимается и создает давление в ней. Под давлением воздуха определенная часть измеряемой жидкости вытесняется через капиллярную трубку 4 в мерный стакан 5. Воздух, находящийся в мерном стакане 5 снимается, образуя давление, соответствующее степени сжатия. Данное давление фиксируется дифманометром 6, а значение его измеряется и определяется по шкале, и соответствует оно перепаду давления, образуемому в системе: цилиндрическая гильза 3 - капиллярная трубка 4 - мерный стакан 5. Поскольку шкала дифманометра 6 отградуирована в значениях динамической вязкости, получаемое по шкале измерения значение соответствует величине вязкости измеряемой жидкости.

Предлагаемый капиллярный вискозиметр применяется как лабораторный прибор, так и производственный.

ПРИМЕР 1. Вискозиметр лабораторный. Последовательность операций при определении на нем вязкости жидкости следующая (см. чертеж).

В термостат, входящий в систему термостатирования, устанавливается корпус 1, представляющий собой плоскую крышку. Под крышкой крепятся цилиндрическая гильза 3, капиллярная трубка 4, мерный стакан 5, трехходовой кран 7. На крышке крепятся шприц 2, дифманометр 6 со шкалой измерения, трехходовые краны 8 и 9, ручка 10 для наружного регулирования положением трехходового крана 7, воронка 11 для залива в цилиндрическую гильзу 3 измеряемой жидкости. После операции установки проводится операция залива. Для этого с помощью ручки 10 кран 7 ставится в положение, соединяющее воронку 11 с низом цилиндрической гильзы 3, а кран 8 в положение, соединяющее верх цилиндрической гильзы 3 с атмосферой для выхода воздуха. Через воронку 11 цилиндрическая гильза 3 заливается полностью измеряемой жидкостью. Возможные ее излишки сливаются через кран 8 в предусмотренную посуду. После заполнения цилиндрической гильзы 3 начинается операция термостатирования жидкости и всей системы подачи. Как только температура в термостате установится постоянной, начинается операция измерения вязкости. Для этого краны 8 и 9 ставятся в положения, соединяющие шприц 2 с цилиндрической гильзой 3, мерный стакан 5 с дифманометром 6, а кран 7 с помощью ручки 10 в положение, соединяющее цилиндрическую гильзу 3 с капиллярной трубкой 4. Сразу после установки кранов шток шприца 2 опускается до конца. Точно дозированный объем воздуха поступает из шприца 2 в цилиндрическую гильзу 3 и вытесняет из нее под давлением часть измеряемой жидкости через капиллярную трубку 4 в мерный стакан 5. Поступая в мерный стакан, данная жидкость сжимает находящийся в нем воздух. Создается перепад давления, который фиксируется дифманометром 6. Значение перепада давления измеряется по шкале измерения. Поскольку шкала измерения отградуирована в значениях динамической вязкости, то данное значение указывает на величину вязкости измеряемой жидкости. Конечная операция - подготовка вискозиметра к следующему анализу. Для этого из цилиндрической гильзы 3, капиллярной трубки 4, мерного стакана 5 сливается жидкость, а сами элементы промываются растворителем.

ПРИМЕР 2. Вискозиметр производственный. Последовательность операций на нем при определении вязкости следующая (см. чертеж).

В специальное установочное отверстие на рабочей емкости или трубопроводе вставляется корпус 1, представляющий собой также плоскую крышку, с закрепленными на ней: на крышке - шприцем 2, дифманометром 6 со шкалой измерения, ручкой 10, трехходовыми кранами 8 и 9; под крышкой - цилиндрической гильзой 3, капиллярной трубкой 4, мерным стаканом 5, трехходовыми кранами 8 и 9, воронкой. В отличие от Примера 1 воронка 11 крепится под крышкой и располагается горизонтально движению потока измеряемой жидкости (расположение ее указано пунктирными линиями). После установки вискозиметра в отверстие начинается операция залива измеряемой жидкости. Для этого с помощью ручки 10 кран 7 ставится в положение, соединяющее воронку 11 с цилиндрической гильзой 3, а кран 8 ставится в положение, соединяющее верхнюю часть цилиндрической гильзы 3 с отводом, предназначенным для перелива излишней жидкости обратно в рабочую зону емкости или трубопровода. Измеряемая жидкость под действием скоростного напора или под действием правила сообщающихся сосудов поступает через воронку 11 и кран 7 в цилиндрическую гильзу 3. После ее заполнения краны 7, 8 и 9 переводятся в положения, соединяющие шприц 2, цилиндрическую гильзу 3, капиллярную трубку 4, мерный стакан 5 и дифманометр 6. Поскольку операция термостатирования для производственных вискозиметров исключается (вязкость определяется при рабочей температуре), следующей операцией после операции заполнения будет операция измерения вязкости, а конечной операцией - операция подготовки вискозиметра к следующему анализу. Обе операции проводятся аналогично Примеру 1.

Таким образом, из описания и приведенных примеров 1 и 2 видно, что предлагаемый капиллярный вискозиметр по конструкции менее сложный, чем аналоги и прототип. Отсутствие движущихся и вращающихся механических узлов и элементов в конструкции способствуют сокращению трудовых, материальных и энергетических затрат при изготовлении и эксплуатации.

Технологическая связка: шприц 3 - цилиндрическая гильза 3 - капиллярная трубка 4 - мерный стакан 5 - дифманометр 6, а также равенство диаметров и объемов у шприца 2, цилиндрической гильзы 3 и мерного стакана 5 позволяют решить задачу повышения технологичности капиллярного вискозиметра и способствуют применению его как в качестве лабораторного прибора, так и производственного.

Использование: на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях и заводах. Сущность: в вискозиметре система нагружения и подачи измеряемой жидкости содержит шприц для подачи точно дозированного объема воздуха в цилиндрическую гильзу через трехходовый кран, которая соединена с капиллярной трубкой трехходовым краном, мерный стакан, связанный через трехходовый кран с дифманометром, при этом шприц, цилиндрическая гильза, мерный стакан имеют равные диаметры и одинаковые объемы, причем измеряемая жидкость вытесняется из цилиндрической гильзы через капиллярную трубку в мерный стакан. Технический результат: упрощение конструкции капиллярного вискозиметра и повышение его технологичности. 1 ил.

Капиллярный вискозиметр, состоящий из системы нагружения и подачи измеряемой жидкости в капилляр под давлением, системы термостатирования, системы измерения и регистрации динамической вязкости, отличающийся тем, что система нагружения и подачи измеряемой жидкости содержит шприц для подачи точно дозированного объема воздуха в цилиндрическую гильзу через трехходовой кран, которая соединена с капиллярной трубкой трехходовом краном, мерный стакан, связанный через трехходовой кран с дифманометром, при этом шприц, цилиндрическая гильза, мерный стакан имеют равные диаметры и одинаковые объемы, причем измеряемая жидкость вытесняется из цилиндрической гильзы через капиллярную трубку в мерный стакан.