Способ измерения вязкости Советский патент 1992 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к измерению вязкости газов, газовых смесей и жидкостей с помощью приборов со сверхпроводимостью и может быть использовано в условиях криогенных температур для контроля за процессами получения, хранения, транспортировки криогенных жидкостей и газов.

Известен способ измерения вязкости газов и жидкостей, в котором измеряют величину зазора между цилиндрическим грузом, свободно падающим в трубке, заполненной изучаемой средой, и этой трубкой, длину трубки и время прохождения ее грузом. Затем по известному математическому выражению находят вязкость.

Недостатком известного способа является сложность измерения величины зазора с желаемой точностью и поэтому необходимость калибровки ю газу или жидкости, вязкость которых известна.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения вязкости газов, газовых смесей и жидкостей по затуханию крутильных колебаний, заключающийся в подвесе тела в форме диска на нити, погружении его в изучаемую среду и придании ему крутильных колебаний приложением вынуждающего момента, измерении периода этих колебаний и логарифмического декрет, ента их затухания Я и определении вязкости /по формуле

-Ч

4 00 О Ю 00

п

A-k

re

где г- период колебаний;

с - постоянная, зависящая от размеров аппарата и определяемая посредством опыта с газом, вязкость которого точно известна;

к - часть логарифмического декремента, обусловленная трением побочных частей вискозиметра и определяемая особым опытом.

Недостатком этого способа является низкая достоверность, особенно в области криогенных температур, из-за гистерезиса упругих свойств нити - подвеса диска и сильной зависимости этих упругих свойств от температуры, а также большая продолжительность измерения декремента затухания.

Целью изобретения является повышение достоверности и экспрессности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения вязкости, заключающемся в подвесе тела, погружении его в изучаемую среду, придании телу крутильных колебаний приложением вынуждающего момента и определении вязкости, осуществляют свободный подвес тела, представляющего собой постоянный магнит (ПМ) в форме шара, над сверхпроводником и после придания телу крутильных колебаний измеряют их резонансную частоту при максимальной амплитуде, затем измеряют частоту ftfe, при которой разность фаз между гармонически изменяющимся вынуждающим моментом и крутильными колебаниями ПМ по углу равна я/2: а величину вязкости г определяют по формуле

irar-fj °-4

стороны, при небольших смещениях магнита происходит упругая деформация вихревой решетки с сохранением магнитной индукции B const. Это адекватно появлению в системе ПМ-ВТСП упругого элемента, который и задает собственные частоты свободных колебаний ПМ.

Система ПМ-ВТСП является колебательной системой с трением, в которой возбуждаются вынужденные колебания, угол поворота магнита описывается уравнением:

5

5

0

5

0

(а)1 -(-Да),

где в

М,

0 tg(Aa)

1У(йЈ-й/)2+4А2й/ 2Лсо

(D (2)

(3)

и/ - ($

Да- разность фаз между гармонически изменяющимся вынуждающим моментом и крутильными колебаниями ПМ по углу;

р - угол поворота ПМ вокруг горизонтальной оси от положения равновесия;

Л- коэффициент затухания;

оь - частота свободных колебаний ПМ в отсутствие трения;

5 mR - момент инерции ПМ;

М0 - амплитуда вынуждающего момента (момента взаимодействия ПМ с полем соленоида);

(О- частота изменения этого момента;

в- амплитуда крутильных колебаний.

Как видно из формулы (3), частота крутильных колебаний ПМ со ah при Да уг/2. При заданной амплитуде моменты сил Мо амплитуда колебания максимальна, в #Макс, при частоте

i(Ј-2tf

Таким образом, определяя Юр и ftfe, находим коэффициент затухания:

Назначение: изобретение относится к области измерений вязкости газов и жидкостей с помощью приборов со сверхпроводимостью и может быть использовано в условиях криогенных температур для контроля за процессами получения, хранения и транспортировки криогенных жидкостей и газов. Сущность изобретения: способ измерения вязкости включает свободный подвес тела, представляющего собой постоянный магнит в форме шара, над сверхпроводником в анализируемой среде, придание телу крутильных колебаний приложением вынуждающего момента, измерение резонансной частоты при максимальной змплигуде, измерение частоты, при которой разность фаз между гармонически изменяющимся вынуждающим моментом и крутильными колебаниями шара по углу равна л/2, а величину вязкости определяют расчетным путем. 1 ил.

где m - масса ПМ;

R - его радиус.

Физическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) являются сверхпроводниками 11 рода и ниже температуры сверхпроводящего перехода в магнитном поле Н « Hd (НС1 - первое критическое поле) магнитный поток проникает в BJCH, образуя вихревую решетку, которая закрепляется на центрах пиннинга.

Когда сила, необходимая для срыва вихрей, больше веса магнита, то магнит в данной точке зависаег над ВТСП. С другой

45

А У

(4)

При малых частотах (со ) круОр Fc

тильных колебаний шара радиусом R в среде с вязкостью г и плотностью р на шар со стороны среды действует момент сил

М 8 лт Р р. Учитывая (1) и (4), получаем для случая крутильных колебаний шара в среде выражение для динамической вязкости:

У

т -aft

(5)

На чертеже представлена схема экспериментального осуществления способа определения вязкости.

Постоянный магнит (ПМ) в форме шара 1 из SmCos массой ,012 г, радиусом R 0,2 см и магнитным моментом ,4 Гс см свободно подвешивался над поверхностью высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) 2, охлажденного жидким азотом 3 при помощи хладопрово- да 4, таким образом, что его магнитный момент 7 был параллелен поверхности ВТСП, и погружался в исследуемую среду 5. ВИСП из УВааСизОт-б с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 93 К имел форму таблетки диаметром 4 см и толщиной 0,5 см. Вся система ПМ-ВТСП с исследуемой средой, хладопроводом и жидким азотом находилась в корпусе б из теплоизоляционного материала,

ПМ придавались крутильные колебания вокруг горизонтальной оси приложением вынуждающего момента от задающей катушки (100 витков) 7, напряжение на которую подавалось от генератора 8. Максимальная амплитуда #Макс крутильных колебаний магнита определялась с помощью двух детектирующих катушек (по 10 витков каждая) 9, напряжение с которых подавалось через усилитель на вход Y двухлуче- вого осциллографа 11 и на частотомер 12. Детектирующие катушки включены последовательно навстречу друг другу и помещены на концах задающей катушки 7, чтобы исключить из снимаемого с них сигнала катушки 7. Блоки 11 и 12 используются для определения: 1) резонансной частоты Шр при максимальной амплитуде колебаний 0Мэкс; 2) Частоты со0, при которой разность фаз между гармонически изменяющимся вынуждающим моментом, задаваемым генератором 8, и крутильными

колебаниями ПМ по углу Да -п-.

Примером конкретного выполнения является определение вязкости жидкого азота данным способом, которое проводилось следующим образом.

Измерялась частота , как частота вынужденных крутильных колебаний ПМ, определяемая по показаниям частото- метра 12 при максимальной амплитуде этих колебаний, определяемой по осциллографу 11.

Измерялась частота Шо, как частота вынужденных крутильных колебаний ПМ, определяемая по показаниям частотомера 12

АЯ

при условии, что Aa -rj-, т.к. при этом из

формулы(3)tg( Да) оо . Для создания таких условий с помощью генератора 8 подбирали задающую частоту так, чтобы разность фаз, определяемая осциллографом 11, между напряжениями на задающей 7 и детектирующей 9 катушках равнялась

нулю. Это соответствует условию Да -и- в

связи с дополнительным сдвигом фаз в системе колеблющейся ПМ - детектирующая катушка 9.

Динамическая вязкость среды г/опре- делялась по формуле (5). В этом случае были

получены следующие результаты: i

,198 Гц 13,810 рад/сек, ,206Гц 13,861 рад/сек.

,60 г/см с.

Полученное значение rj совпадает с точностью 1,3% с известным значением вязкости жидкого азота при температуре 77.33К, что подтверждает достоверность описанного способа.

Использование данного способа по

сравнению с известным даст возможность повысить достоверность полученных результатов по определению вязкости, т.к. за счет бесконтактного подвеса ПМ над ВТСП полностью исключаются гистерезисные явления. Кроме того, он также по сравнению с известным позволяет сократить время измерений, т.е. повысить экспрессность, что происходит за счет измерения в данном способе только частот, а не трудоемкого измерения декремента затухания, как в прототипе.

Способ преимущественно облегчает измерение вязкости газов, газовых смесей и жидкостей при криогенных температурах,

что важно при конструировании устройств транспортировки в криогенной области температур, при разработке криогенных машин и приборов в различных областях современной техники.

Формула изобретения

Способ измерения вязкости, включающий погружение тела в изучаемую среду. придание ему крутильных колебаний прило- жением вынуждающего момента и определение вязкости, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и экспрессности измерений, тело, представляющее собой постоянный магнит в форме шара, размещают над сверхпроводником и после придания телу крутильных колебаний измеряют их резонансную частоту Шр при максимальной амплитуде, затем измеряют частоту , при которой разность фаз между гармонически изменяющимся вынуждающим моментом и крутильными колебаниями

/

шара по углу поддерживают равной л/2, э вязкость определяют по формуле

fog-ej.

l9

где m R

масса шара; радиус шара