СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2011 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к бесконтактным аэрогидродинамическим способам контроля вязкости жидкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например химической, пищевой и др.

Известен способ измерения вязкости жидкости (А.с. №492787 СССР, МКИ G01N 11/08. Способ измерения вязкости жидкости по ее колебаниям / М.М.Мордасов, Ю.С.Шаталов // Опубл. 25.11.1975. Бюл. №43), включающий воздействие струи газа на жидкость с образованием углубления и формированием устойчивых автоколебаний на ее поверхности, изменение частоты колебаний на заданную величину путем изменения давления подаваемой струи, по которому судят о вязкости.

Недостатками указанного способа являются невысокая точность, что обусловлено влиянием многих неконтролируемых факторов на колебательный процесс, и сравнительно низкий верхний предел измерения, что связано с трудностями в получении автоколебаний на поверхности вязких жидкостей.

Перечисленные недостатки устранены в способе измерения вязкости жидкости (Пат. №2211444 РФ, МКИ G01N 11/16. Способ измерения вязкости жидкости по ее колебаниям / С.В.Мищенко, Д.М.Мордасов, М.М.Мордасов // Опубл. 27.08.2003. Бюл. №24), выбранном в качестве прототипа. Согласно этому способу на поверхность жидкости струей газа оказывают периодическое импульсное воздействие, приводящее к деформации поверхности жидкости и ее колебаниям, изменяют частоту следования импульсов до значения, при котором амплитуда колебаний поверхности жидкости достигает заданной величины, измеряют эту частоту, по измеренному значению частоты определяют вязкость исследуемой жидкости.

Такие признаки прототипа, как переменное воздействие струи газа на поверхность жидкости, формирование колебаний на ее поверхности и изменение их частоты, совпадают с существенными признаками заявляемого способа.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невысокая точность измерения вязкости.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения.

В предлагаемом способе эта задача решается путем фиксации заданного сдвига фаз между колебаниями скорости газа в струе и колебаниями поверхности жидкости. Это позволяет применять простые, например, оптические индикаторы достижения поверхностью жидкости заданной формы и перейти от измерения амплитуд к измерению временных интервалов, что осуществляется точнее при помощи простых технических средств.

Низкая точность способа измерения вязкости, принятого за прототип, также обусловлена применением импульсного воздействия, при котором углубление, формируемое струей газа на поверхности жидкости, во время отсутствия силового действия струи восстанавливается, приобретая форму конуса, точность измерения высоты для которого существенно ниже, чем для полусферы, соответствующей форме углубления при его росте. Для исключения формирования остроконечных углублений в изобретении предложено использовать не импульсное, а гармоническое воздействие вида

где w, w₀, w_m - мгновенное, среднее значения и амплитуда колебаний скорости газа в струе, соответственно, м/с; f - частота колебаний скорости газа в струе, Гц; t - время, с. Среднее значение w₀ скорости газа в струе больше амплитудного w_m.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе путем воздействия струей, скорость газа в которой изменяется по гармоническому закону, формируют на поверхности жидкости вынужденные колебания, измеряют сдвиг фаз между колебаниями скорости газа и колебаниями поверхности жидкости, изменяют частоту колебаний скорости газа, о вязкости судят по частоте колебаний скорости газа в струе, при которой сдвиг фаз достигает заданной величины.

На фиг.1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого метода измерения вязкости. На фиг.2 представлена временная диаграмма его работы.

При реализации предлагаемого способа над поверхностью контролируемой жидкости 1 располагают сопло 2 и чувствительный элемент 3 (фиг.1), подают на соответствующие входы устройства пневмо- и электропитание. Блок управления 4 формирует на выходе 5 сигнал U₅, который поступает на вход генератора 6 гармонических колебаний расхода газа управляемой частоты. Под действием сигнала U₅ на выходе генератора 6 формируется поток газа с расходом Q, изменяющимся во времени по гармоническому закону. Этот поток с выхода генератора 6 поступает в сопло 2, на выходе которого формируется струя, скорость w газа в которой изменяется согласно уравнению (1) (фиг.2, а).

Струя газа, вытекающая из сопла 2, взаимодействует с поверхностью жидкости 1 и формирует на ней углубление 7 с переменной высотой h. Величина высоты h изменяется во времени с частотой f по гармоническому закону (фиг.2, б). Сдвиг фаз φ между колебаниями скорости газа в струе и колебаниями поверхности жидкости 1 зависит от частоты f и физико-химических свойств жидкости 1: вязкости η и плотности ρ (фиг.2, а, б). Амплитуда колебаний поверхности жидкости зависит также от амплитуды w_m колебаний скорости газа в струе.

Чувствительный элемент 3 формирует на своем выходе сигнал U₃=1, если высота h углубления 7 равна заданному значению h₃ (фиг.1, фиг.2, б, в). В результате изменения высоты h на выходе чувствительного элемента 3 возникают импульсы, поступающие на вход блока управления 4 и используемые им для определения сдвига фаз φ.

Сдвиг фаз φ вычисляется на основании величин моментов времени (фиг.2)

где t₁ и t₄ - моменты времени, в которые на выходе чувствительного элемента 3 формируются импульсы, в интервале между которыми находится минимум w_min=w₀-w_m скорости газа в струе, с; t₂ - момент времени, соответствующий минимальной скорости w_min, с. Информацию о моменте t₂ блок управления 4 имеет благодаря тому, что он сам формирует сигнал U₅, под действием которого генератор 6 формирует газовый поток. Фактически сдвиг фаз φ вычисляется исходя из интервала времени между моментами t₂ и t₃ достижения минимальных значений скорости w_min газа в струе и высоты h_min углубления 7, так как величина есть ни что иное, как момент времени t₃ (фиг.2, б, в). Непосредственное определение момента t₃ достижения минимальной высоты h_min углубления 7 представляется нецелесообразным, ввиду усложнения конструкции устройства и снижения точности измерения. Это связано с тем, что результат вычисления сдвига фаз φ по значениям t₁ и t₄ не зависит от заданного значения h_з высоты углубления 7 и амплитуды колебаний высоты h.

Вычисленное значение сдвига фаз φ блок управления 4 сравнивает с заданным φ_з. При φ<φ_з блок управления 4 увеличивает частоту колебаний f скорости газа в струе посредством формирования соответствующего сигнала U₅ на выходе 5 (фиг.1), при φ>φ_з - уменьшает. С течением времени частота f становится постоянной. Это установившееся значение частоты f используется для вычисления вязкости η. Получив значение вязкости η, блок управления 4 формирует на выходе 8 соответствующий код N₈, поступающий на вход индикатора 9, который преобразует его в удобную для оператора форму.

На фиг.3 приведены логарифмические фазовые частотные характеристики (ЛФЧХ) системы «струя газа - жидкость» для жидкостей различной вязкости.

Исследования ЛФЧХ системы «струя газа - жидкость» позволили установить, что с целью расширения диапазона измерения вязкости следует выбирать заданное значение φ_з сдвига фаз не превышающим π/6 рад. По фиг.3 видно, что в диапазоне φ от 0 до π/6 рад при увеличении вязкости η частота f, соответствующая заданному сдвигу фаз φ_з, уменьшается. Статическая характеристика устройства, реализующего предлагаемый способ, является обратно пропорциональной.

Таким образом, в предлагаемом способе переход от фиксации заданной амплитуды колебаний к фиксации заданного сдвига фаз позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента реализующего устройства и повысить точность измерения вязкости. К достоинствам способа следует также отнести уменьшение влияния расстояния от чувствительного элемента до поверхности жидкости и нестабильности амплитуды генерируемых колебаний скорости газа на результат измерения вязкости. Кроме того, для измерения вязкости предлагаемым способом требуется меньшая амплитуда колебаний высоты углубления, формируемого на поверхности жидкости, чем в способе, принятом за прототип.

Способ измерения вязкости жидкостей целесообразно применять для контроля жидкостей с высокой вязкостью в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Способ измерения вязкости жидкости осуществляют путем воздействия на ее поверхность струей газа переменной скорости и формирования вынужденных колебаний поверхности. Затем осуществляют изменение и измерение частоты колебаний скорости газа в струе. Причем скорость газа в струе изменяют по гармоническому закону. Далее измеряют сдвиг фаз между колебаниями скорости газа и колебаниями поверхности жидкости. При этом о вязкости судят по частоте колебаний скорости газа в струе, при которой сдвиг фаз достигает заданной величины. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения вязкости, а также упрощение конструктивной реализации способа. 3 ил.

Способ измерения вязкости жидкости путем воздействия на ее поверхность струей газа переменной скорости и формирования вынужденных колебаний поверхности, изменения и измерения частоты колебаний скорости газа в струе, отличающийся тем, что скорость газа в струе изменяют по гармоническому закону, измеряют сдвиг фаз между колебаниями скорости газа и колебаниями поверхности жидкости, о вязкости судят по частоте колебаний скорости газа в струе, при которой сдвиг фаз достигает заданной величины.