Устройство для измерения вязкости жидкости Советский патент 1992 года по МПК G01N11/06 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к капиллярным автоматическим вискозиметрам свободного истечения.

Принцип действия таких вискозиметров основан на законе Пуазейля

/

тгсГ -д АР

ОХ

128 V01 где ц- динамическая вязкость жидкости;

d - диаметр .капилляра;

I-длина капилляра;

g - ускорение силы тяжести;

ДР - перепад давления между концами трубки;

t - время истечения через капилляр заданного объема жидкости V0.

ель авого

ров

ОХ

и;

ами

заПри постоянной геометрии измерений максимальная относительная погрешность AjU/// измерения вязкости определяется выражением .

А/ АУр , At /f V0 t V где AVo-погрешность отмеривания Vo;

At.- погрешность измерения времени t истечения Vo.

Так как известные технические средства позволяют измерять время истечения жидкости с очень высокой точностью, то относительная погрешность измерения вязкости с помощью вискозиметров свободного истечения в основном определяется относительной погрешностью отмеривания заданного объема Vo контролируемой жидкости.

О СА 00 Ю

Известно устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд для исследуемой жидкости с капиллярной трубкой вднищё| электродные датчики верхнего и нижнего уровня жидкости в сосуде, подключенные к блоку измерения времени истечения заданного объема.

Недостатком известного устройства является ограниченность его применения - оно может быть использовано для измерения вязкости только электропроводящих жидкостей, тогда как для широкого круга диэлектрических жидкостей (лаки, краски, клеи, нефтепродукты и др,) вязкость является одним из важнейших технологических параметров, подлежащих контролю.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд с капиллярной трубкой в Днище, блок измерения времени истечения заданного объема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объема жидкости, включающий в себя источник и приемник акустических колебаний.

В известном устройстве измерительный сосуд выполнен в виде пустотелого сдвоенного камертона/в котором с помощью источника акустических колебаний возбуждаются колебания на резонансной частоте, детектируемые приемником акустических колебаний, а время истечения заданного объема V жидкости определяется как время изменения частоты f колебаний камертона от одного фиксированного значения частоты fi до другого фиксированного значения h.

Частота f свободных колебаний камертона определяется зависимостью

1

f Атт

(2)

и

Yftik + тж где А - коэффициент, зависящей от формы колебаний, жесткости и податливости изгибов ветвей сдвоенного камертона, длины его колеблющихся ветвей,модуля упругости материала трубки камертона, момента инерции поперечного сечения ветви камертона относительно его оси; v. .тк- масса камертона;

тж - масса заполняющей его жидкости.

Основным недостатком известного устройства является то. что оно фактически измеряет не время истечения заданного объема контролируемой жидкости, а ее массу т.

По формуле (2) имеем

fl VrriK +mi ; @)

2 тЛт2:(4)

где mi и т2 - масса жидкости, находящейся в камертоне в моменты начала и окончания измерения времени истечения соответственно.

Поскольку ГП2 mi - m(m - масса жидкости, время истечения которой контролируется), то, решая систему уравнений (3) - (4) относительно т, получим

-Л

fT

Из выражения (3) имеем

т (тк + miXl

(5)

.(Пк + mi г -у

15 Подставляя последнее выражение в формулу (5), получим

20

25

30

45

50

55

т А24-1)-(6)

П 12

Из выражения (6) видно, что измеряя время, в течение которого частота камертона измеряется от значения fi до f2, с высокой точностью отмеривается масса m контролируемой жидкости. При постоянной отмеренной массе т0 контролируемой жидкости ее объема V равен .. m

Г/

а погрешность AV отмеривания заданного объема V0 равна

AV -VoИз последнего выражения видно, что 0 только при одном значении плотности р ро контролируемой жидкости. Величина погрешности AV тем больше, чем больше отличается плотность р контролируемой жидкости отра (независимо от того, связано ли это изменение плотности жидкости с изменением ее состава или температуры).

Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения погрешности, связанной с погрешностью отмеривания заданного объема жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения вязкости жидкости, содержащем измерительный сосуд с капиллярной трубкой в днище, блок измерения времени истечения заданного объема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объема жидкости, включающий в себя источник и приемник акустических колебаний, узел отмеривания заданного объема жидкости представляет, собой акустический резонансный цилиндр, выполненный в виде трубки, размещенной внутри измерительного сосуда так, что ее ось перпендикулярна поверхности жидкости, причем в верхней части трубки разме35 :

40

щены источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, выход которого через детектор и интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход компаратора через мультиплексор соединен с управляющими входами ключей пуска и останова электронного хронометра.

Использование предлагаемого устрой ства позволяет повысить точность и измерения вязкости как проводящих, так и диэлектрических жидкостей,

На чертеже схематично показано предлагаемое устройство для определения вязкости жидкости.

Устройство содержит генератор 1 переменного напряжения, источник 2 акустических колебаний, приемник 3 акустических колебаний, резонансный цилиндр, выпрл- ненный в виде трубки 4, измерительный сосуд 5, капиллярную трубку 6, детектор 7, интегратор 8, компаратор 9, источник 10 опорного напряжения, мультиплексор 11, ключи 12, 13, электронный хронометр 14.

Частота генератора 1 устанавливается такой, чтобы длина волны Я звуковых колебаний, излучаемых источником 2 в направ- лении оси трубки, удовлетворяла условию Я Vo

. 2 а1

где S - сечение измерительного сосуда.

Длина Урубки 4, в которой расположен источник 2 колебаний до ее нижнего среза

от плоскости, равна-к- , где А-длина волны

звуковых -колебаний, возбуждаемых источником 2 (п 2, 3, 4). Трубка 4 размещена

внутри измерительного сосуда 5 так, что ее ось вертикальна, а расстояние между плоскостью, в которой расположен источник 2 акустических колебаний, и плоскостью максимального уровня жидкости в измерительном сосуде 5 равно -д -

Устройство для измерения вязкости жидкости работает следующим образом.

Измерительный сосуд 5 заполняется контролируемой жидкостью. Жидкость из сосуда 5 вытекает через капиллярную трубку 6, в результате уровень жидкости в сосуде 5 понижается. В те моменты, когда расстояние I между плоскостью, в которой расположен источник 2 акустических колебаний, и плоскостью, в которой находится уровень

жидкости, равно длине полуволны -п в воздушном столбе, ограниченном внутренними

стенками трубки 4, образуется стоячая волна (резонанс). Явление резонзнса возникает каждый раз, когда в результате понижения уровня жидкости в измерительном сосуде

выполняется условие /2. ,

Таким образом, промежуток времени t между моментами появления двух следующих один за другим резонансов точно соответствует времени понижения уровня жидкости в измерительном сосуде на велиЯчину тт , т.е. времени истечения заданного

объема /о жидкости.

Акустические колебания столба воздуха

в трубке 4 регистрируются приемником 3. В

момент резонанса амплитуда колебаний

резко возрастает, в результате чего напряжение на входе компаратора 9, к которому

через детектор 7 и интегратор 8 подключен . приемник 3 акустических колебаний, становится больше опорного. На выхо де компара- тора 9 появляется сигнал, который направляется мультиплексором 11 на управляющий вход соответствующего ключа 12 и 13.

Если длина трубки 4 от плоскости, в . которой расположен источник 2 колебания, до ее нижнего среза равна }, то управляющий вход ключа 12 подключен к первому выходу мультиплексора 11, а управляющий вход ключа 13 - к второму его выходу. При таком включении сигнал на выходе компаратора 9, соответствующий первому появлению резонанса, запускает электронный хронометр 14, а сигнал, соответствующий появлению второго резонанса, останавливает его.

Погрешность определения вязкости

контролируемой жидкости с помощью предложенного устройства определяется стабильностью длиныЛ волны звуковых колебаний, возбуждаемых в воздушном столбе внутри трубки 4. Длина Я волны этих

колебаний связана с частотой f колебаний напряжения на выходе генератора 1 соотношением..

Я

v Т

где V -« скорость звука в воздухе.

Скорость V звука в воздухе хотя и незначительно, но зависит от температуры V --; V0X fl + a (i - to),

где VQ скорость звука в воздухе при темпе- ратуре t0:

v - скорость звука в воздухе при температуре т;

а 1,8-10 3град 1 -постоянный коэффициент..

1, град 1 - постоянный козффиПоэтому предложенное устройство (частота f генератора 1 стабилизирована)обеспечивает высокую точность измерений вязкости, если температура контролируемых жидкостей изменяется в сравнительно небольшом диапазоне (t to ± (5-10 )°С).

С целью дальнейшего повышения точности при одновременном расширении температурного диапазона контролируемых жидкостей в цепь управления частотой f генератора 1 включен терморезистор, расположенный внутри трубки 4 непосредственно под источником 3 звуковых колебаний. При этом параметры RC цепи генератора 1 выбраны таким образом, чтобы изменение температуры воздуха приводило к изменению частоты колебаний напряжения на выходе генератора 1 по закону

f-fo 1+a(t-t0) ,

где fo - частота колебаний напряжения на выходе генератора 1 при температуре to воздуха в трубке 4;

. f - то же, при температуре t воздуха в трубке 4;

а-- циент.

благодаря этому осуществляется стабилизация длины Я волны звуковых колебаний воздуха внутри трубки 4, т.е.

1 V - Уо 1 +«(t-to ) Vo -con,t

Т + a(t-to)3 fo В данном устройстве для того, чтобы измерить время истечения заданного объема Vo жидкости, достаточно измерить время изменения высоты I воздушного столба внутри акустической трубки на величину Д lo, определяемую из условия

,

где S - сечение измерительного сосуда.

Если частота i генератора переменного напряжения, к которому подключен источник акустических колебаний, удовлетворяет условию

f- У

V 2Ж

где V - скорость звука в воздухе, то в столбе воздуха внутри акустической трубки образуется стоячая волна (резонанс) каждый раз, когда по мере истечения жид- «юети расстояние от источника акустиче- §ких колебаний до поверхности жидкости удовлетворяет условию

1 йЈ lo.yy.

При резонансе интенсивность акустических колебаний резко возрастает, что позволяет электронной схеме устройства с высокой точностью зафиксировать момент

возникновения резонанса. Таким образом, время, измеренное между моментами возникновения двух следующих один за другим резонансов, точно соответствует времени понижения уровня жидкости в сосуде на величину Д10, что соответствует времени истечения заданного объема V0 жидкости

V6 SAlo S .

СП

Скорость V звука в воздухе зависит от температуры по закону

v V0 1 +a(t-t0) ,(8)

где Vo - скорость звука при температуре воздуха t;

а - постоянный коэффициент.

Для того, чтобы исключить влияние температуры воздух а на точность отмеривания заданного объема V0 жидкости, в предлагаемом устройстве внутри акустического цилиндра помещен терморезистор, включенный в цепь управления частотой f генератора переменного напряжения так. чтобы выполнялось условие

f f0 1 +а (t - to) ;

где f0 - частота генератора при температуре воздуха в акустическом цилиндре, равной

to.

Подставляя формулы (4) и (5) в формулу (3), получим

30

V0

Vo 2f0

5

0

5

5

0

Поскольку S и Лгконстанты, то относительная погрешность§1(ртмерйвания заданного объема жидкости V0 определяется относительной погрешностью 5f0 стабилизации частоты, т.е.

5Vo «3f0.

Современные технические средства обеспечивают относительную стабильность частоты генератора порядка и выше, что в предлагаемом устройстве позволяет сделать относительную погрешность отмеривания заданного объема VQ жидкости пренебрежимо малой.;

Таким образом, в предлагаемом устройстве относительная погрешность дц измерения вязкости практически определяется относительной погрешностью 6т измерения времени г истечения, т.е.

д г б т .(9)

Сравнение выражений (2) и (б) .показывает, что устройство позволяет обеспечить более высокую точность измерений, если приемник и источник акустических колебаний размещены внутри трубки на расстоянии 0,5-0,6h от верхней кромки измерительного сосуда, а величина h определяется из соотношения

-Ј

где S - сечение измерительного сосуда;

Vo - заданный объем жидкости.

Использование изобретения позволяет с высокой точностью производить измере- ние вязкости любых жидкостей в широком диапазоне температур независимо от изменений плотности контролируемых жидкостей..

Фо р м ул а и з о б ре т е ни я

Устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд с капиллярной трубой в днище, блок измерения времени истечения заданного объема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объёма жидкости, включающий, в себя источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений,, узел отмеривания заданного объема жидкости представляет собой акустический цилиндр, выполненный в виде

трубки, размещенной внутри измерительного сосуда, причем приемник и источник акустических колебаний размещены внутри трубки на расстоянии 0.25-0.35h от верхней кромки измерительного сосуда, а величина h определяется из соотношения

b-Vfгде S - сечение измерительного сосуда; .

Vo - заданный объем жидкости,

при этом выход приемника акустических колебаний через детектор и интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход компаратора связан с входом мультиплексора, первый и второй выходы которого подключены к входам ключей пуска и останова соответственно, причем выходы упомянутых

ключей подсоединены соответственно к первому и второму входам электронного хронометра. .

Изобретение относится к измеритель- ной технике, в частности к капиллярным вискозиметрам свободного истечения. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство для измерения вязкости со- держит измерительный сосуд с капиллярной трубкой, блок измерения времени истечения, узел отмеривания заданного объема с источником и приемником акустических колебаний, причем узел отмеривания заданного объема представляет собой акустической резонансный цилиндр, выполненный в видетрубки, в верхней части которой размещены источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, выход которого через детектор и интегратор подключен-к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через мультиплексор- к входам ключей электронного хронометра. 1 ил. (Л С