Способ и устройство для измерения вязкости жидкостей Советский патент 1935 года по МПК G01N11/16 

Существующие типы приборов для опргделеии1 вязкости (вискозиметров) должны быть отнесены прэим5-1Цеств;5нно к лабораторным устройствам, так как требуют сложных и довольно длительных ман.шуляций и наличия сравнительно большого количества исследуемой жидкости. В настоящее время фактически отсутствует тип прибора, пригодного ДгЯ технических изме,1ений, который отличался бы компактностью, простотой обращения п лавал бы возможность быстрого получения результата и требовал бы наличия Ma.iijro количества исследуемой жидкости.

Эта задача разрешается предлагаемым способом измерения вязкости, который, поскольку можно судить по полученным в итоге исследоваt ни результатам, удовлетворяет перечисленным требованиям и состоит в том, что вязкость определяет по изменению резонансной частоты натянутой струны при погружении ее в исследуемую жидкость.

На фиг. 1-4 чертежа показаны устройства для осзществления указанного способа, на фиг. 5-10-устройства для осуществления видоизмененного способа.

Способ основан HI измзрениях собственной частоты колебаний натянутой струны или иного аналогичного тела, Как известно, собственная частота натянутой и закрепленной в двух точках струны, зависит от ряда факторов, как-то: натяжения, материала, размеров, удельного веса и т. п.

Кроме этих величии имеют влияние также и свойства сргды, в которую помещена струна.

Для рассмотрения этого явления необходимо предва )ительно уяснить физическую его сторону.

(321)

Можно считать, что имеется в вияу струна колеблющаяся под действием сил, величина которых изменяется по синусоидальному закону. Подобный случай будет иметь место, если по струне, помещенной в каком-либо сильном постоянном магнитном поле, пропускать переменный ток синусоидальной формы кривой.

Далее, если рассматривать влияние какойлибо добавочной нагрузки, приложенной в некоторой части струны, либо равномерно распределенюй вдоль ее рабочей части, то Irwin дает следующую приближенную зависимость изменения, так называемой, резонансной частоты струны от величины груза, приложеннвго к ее средней части:

Д

MI

J п

гдз /1 и j-p -собственные частоты нагруженной и ненагруженной нитзй, М - вес нити, а M| - вес нчгрузки.

Таким образом видно, что груз, приложенный к вибрирующей струне, понижает собственную резонансную частоту системы, причем величина этого снижения может быть подсчитана в каждом отдгльном случае.

В случае погружения колеблющейся струны в какую-либо жидкую среау, она приводит в движение частипы жидкости, которые как бы прилипают к поверхности струны и играют роль добавочной, распределенной по длине струны, нагрузки. Однако, вопрос о том, какая часть жидкости колеблется вместе со струной, требует

решения несыш сложной гидродинамической задачи.

Поэтому, в данном случае гораздо проще определить некоторый коэфицйент-„постоянную,-зависящий от формы iiOiepxHCCTH колеблющейся системы,, который остается одинаковым для Lcex типов и сортов жидкостей, незЗЕисимо 6т. их физических сьсйств. Вывести эту постоянную можно, исходя из следующих соображений: из расчета колебаний натянутой струны в магнитном поле можно вывести зависимость угловой частоты колебаний ьибратора „ при отсутстЕИи трения от частоты ш при наличии трения. В качестве частоты может быть с достаточной точностью принята частота системы в воздухе. Завискмость эта будет следующая:

ш Y о

где Л - коэфицйент трения. Коэфицйент трения

где Л- некоторая часть веса подвижной системы, определяемая подсчетом, а с - постоянная трения среды, величина - примерно i аьная /2 Веса нити. Далее считая, что

О) «DO - А:, получим

/г cog2 - ш2 (O)Q - со) (соц (а) х (2(Up - х}, где X - leличина смещения часюты, Л / X - х

Принимая , где ) - козфициент ьяг кости, получим:

J

Т| - У 2 0о - - Здесь а является конструктивной постоянной подвижной системы прибора.

Таким образом, определение вязкости жидкости может быть фактически выполнено следующим образом. Достаточно определить постоянную а системы в ьакой-либо эталонной (известной вязкости) жидкости, после чего, имея константу прибора, можно ве(ьма просто определить вязкость любой другой жидкое ти, по из менению резонансной частоты системы, погру. женкой в эту исследуемую среду.

Приведенные вышг формулы дают возможность определить вязкость жидкости либо путем пересчета, либо по кривым, составленным для подвижной системы с известной константой.

Вторым вопросом является метод нахождения резонансной часто 1Ы вибрирующей системы. Хотя эти методы и не входят в круг описания самого устройства для определения ьязкости, так как понятно, что для нахождения точки резонанса можно воспользоваться и любым иным методом, однако, ниже приводится для примера, наиболее простой из испытанных приемов.

Наиболее престым приемом является оптический метод, по измерению амплитуды колебания. Очевидно, что наибольшая амплитуда колебания струны имеет место - в точке резонанса. Таким образом, задача сводится к необходимости измерения амплитуды струны при различных частотах

Битающего струну генератора, поддержиьаг при этом силу тока постоян ой, т. е. J - const .

Частота, при которой амплитуда будет наибольщей, и будет являться резонансной частотой 1ИТИ. Для измерения амплитуды по оптическому методу, ити употребляются подобно гальванометру осциллографа. Для этого они снабжаются в средней части зеркальцем, га которое падает луч света от лампы, отражающийся затем на экран, снабженный делениями. Зеркальце, вибрируя вместе с ни1ыо (или нитями), дает на экране изображение светлой полосы, подобно тому, I ак это имеет место в Еибрационном гальванометре.

1аким образом, исходя из вышеприведенной формулы

г, .1-}/2со„л--л- ,

можно определить ьязкость жьдкости простым погружением вибрирующей системы, ci-ачзла в эталонную жидкость известной вязкости, а затем в исследуемую жидкость, определяя каждый раз точку резонанса.

Однако, как показала практика, подобный простой прием ке вс.гда дает удовлетворительные результаты по следующим причинам: 1) уже При небольшой вязкости исследуемой жидкости кривая, резонагса системы сильао притупляется по сравнению с- резонансом воздуха, так что в этой точке дает вевьма небольшое увеличение амплитуды, с трудом улавли1аемое наблюдателем; 2) кахождение резонанса, путем изменения частоты генератора и при сохранении силы .тока I-const, предстагляет довольно кропотливую операцию, учитывая особенно, что в существующих типах генераторов весьма трудно добиться вполне плавною изменения частоты на большом диапазоне, что является основным условием правильной постановки испытания.

Поэтому в таком виде метод этот может быть применен лишь для жидкостей весьма малой плотности и притом обладающих достаточной степенью прозрачности, так как в случае непрозрачной жидкости луч света не сможет попасть на зеркало и отразиться на экран.

Исходя из этих соображений, предлагается ряд усоверщенствований описанного i-ыще метода, устраняющих указанные недостатки, а именно:

В случае исследования жидкости с больщой абсолютной вязкостью, когда уменьшение величины резонансной частоты системы может достигнуть ьеличины, так называемого, «критического успокоения, т. е. полного прекращения свободных колеоаний системы, предлагается следующий метод. Исследземая жидкость растворяется в другой жидкости с низким значением ее абсолютной вязкости и вязкость которой известна. Определив вязкость смеси и зная вязкость растворителя, можно подсчитать абсолютную вязкость исследуемой жидкости.

В основном, описанном выше случае, можно исходить из тех соображений, что вся струна целиком догружена в исследуемую жидкость. Очевидно, что, если струна погружена в жидкость не полностью, а частично, то величина добавочной нагрузки, а равно снижение собственной частоты системы будет значительно меньше. Следовательно, в последнем случае метод этот

будет прьгоден и для жидкостей с большой вязкостью, что весьма расширяет ибласть его применения. Далее очевидно, что наибольшую амплитуду колебания струна имеет в средней части и наименьшую у точек крепления, на концах. Исходя из уравнения колеблющейся струны, можно получить следующую формулу:

/Zi - (1 - cos

где hi к h соотЕбтственно ьоэфициенты трения для случаев частично,и полностью погруженной струны, а .«-часть струны (длиной /). поГ(1уженная в ЖИДКОСТЬ. Эта формула вьедена, исходя из того случая, когда магнит) ое поле дейсп.ует на всю струну. Однако, при сравнительно большой длине струны, что удобнее для исследования, выполнение этсго услоьия представляет затруднения.

Поскольку на i рантике 1ыгоднее, чтобы магиитное поле действовало не на ЕСЮ струну, а лишь на ее с еднюю часть, с тем, чтобы сам ма: нит не погружался в жидк сть, то вса уст;,ойство примет вид, изображенный на фиг. 2, где 3 - магнит, дьйствуюший на среднюю часть натянутой двсйнои струьы 2, на которой укреплено зеркальце 1. Самая методика исследования существенно отлнча -тся от описанной тыше. одесь частота генератора остается i.ce время постоянней, струна же застраивается на частоту, примерно, на 30-40% выше частоты гекератора. ьтруна приводится в колебание, после чего ься систем , помощью микрометрической устано ки, постепенно, в ъертикальном положении, погружается в исследуемую жидкость, как изображено на фиг. 2. По мере погружения системы, ее частота будет снижаться до тех пор, пока она не сраьняется с частотой генератора, что наблюда1ель узнает по наступлению резонанса. Определив длину погруженной ь жидкость части вибрато ,:а и зная eiii общую длину, а также начальную и предельную частоты.-не представляет труда определить вязке сть жидкости. Способ этот исключительно ньост.

Можно Э10 устройстьо видоизменить так, как ноказано HD фнг. 3. Эта фигура дает изображение того же вибратора, что и фи1. 2 с одним дабаьлением: межд} крайними опорами па ьити надето кольцо 5, которое может передвигаться вдоль длины нитей по нан)авляющей 6. Положение кольца отмечается стрелкой на неподвижной шкале.

В кольцо наливается некоторое количество жидкости, которая благодаря поверхносгому натяжению, удерживается на нем. Жидкость тормозит колебание нитей, понижая резонансную частоту последних.

Таким образом, получается эффект, аналогичный погружению чзстн струны в жидкость. В виду наличия поверхностного натяжения процесс приобретает весьма сложный характер, в виду чего из-за трудности подсчета приходится определять константу прибора эмпирическим путем, что не составляет больших затруднений. Для удобства удержания жидкости кольцу можно придать вид полой круглой коробкн с двумя отверстиями в центре (фиг. 4), сквозь которые и проходят нити.

Определение вязкости может быт также произведено и следующим образох). Определяют собственную частоту струны с воздухе. Зятем опускают ее в исследуемую жидкость, причем, разумеется, собстьенная частота системы снизится; затем увеличивают натяжение нитей, хотя бы путем оттягивания пружины 8 (фиг. 1) до тех пор, пока струна снова не будет в резонансе с колебания.чи генератора. Зная число сделанных оборотов регулирующего нружину винта и ее силу, Можно вполне просто подсчитать величину вязкости жидкости. В этом случае, нет необходимости менять частоту генератора колебаний, что дает возможность обойтись генератором лишь на одну н стоянную частоту, упрощая необходимую аппаратуру. Кроне того, в последнем случае генератор может , быть хорошо стабилизован (кварцем или другими методами).

Для опредаления вязкости могут быть использ ва:-:ы 1ибрации не струны, а другого упругого тела различной формы, которое закреплено лишь с одной стороны.

Во многих случаях нодоипый способ представляет ряд преимуществ по сравнению с вышеуказанным способом.

В простейшем случае в качестве такого тела можег быть использована зажатая с одною конца легкая, стальная или иного материала, упругая пластинка, типа язычка обычного вибрационного частотомера. Эта пластннка может быть настроена -:а олределенную частоту, причем по изменению ее резонансной частоты при пог,1у кенни ее в жидкость определяют ьязкость последней.

Примерная форма выполнения устройства состоит в следующем (фиг. 5). Виб ирующая пластинка 1, заключенная в прозрачный снабженный делениями цилиндрический сосуд 2. ь верхней, незакрепленной, части снабжена зеркальцем 3, отражающим луч света от источника 4 КЗ матовый экран 5 и виде светящейся точки, которая в случае колебаний пластинки размазывается в полоску. Однако применение световой полоскн не сбязате.зьно, так как обычно колебания можно наблюдать непосредственно, за исключением тех случаев, когда в целях умень;; ения торможения, работают на очень малых амилнтудах колебаний.

Возбуждение вибраций может быть осуществлено самыми разнообразными способами. Либо непосредственно подведением электромагнита к пластинке, либо передачи вибрации через основание держателя пластинки (фиг. 5).

Методы измерения вязкости подобным прибором могут варьироваться различным образом, в зависимости от обстановки исследования. Например: 1) Зная частоту пластинки в воздухе, заполняют сосуд до известного уровня псследуемой жидкостью, после че-о определяют изменение частоты настройки пластинки по ее резонансу. Определив константу прибора по методу, налогичному указанному выше, не представляет руда подсчитать вязкость жидкости. В этом случае необходимо иметь источник тока неременной астоты определенного диапазона.

2) Зная частоту пластинок в воздухе, заполяют сосуд исследуемой жидкостью до тех пор, пока чистота пластины, постепенно понижаясь, не овпадет с частотой возбуждающего колебания

тока, что обнаруживается наступлением резонанса колебаний пластинки.

После этого, по глубине погружения ej и жидкость (по делениям, нанесенным ьа стенках сосуда) подсчитывают вязкость. Для возЗуждения колебаний здесь необходим источник тока лишь одной постоянной частоты.

3)Пластинка может быть снабжена на свободном конце грузом, который одним из известных способои может перемещаться ьдоль длины пластинки, навинчиваясь, либо перемещаясь в направляющих и т. п. (фиг. 6 и 7). В этом случае необходим генератор одной постоянной частоты. Предварительно пластинка перэмещением (подкручиванием) 1-руза настраивается и резонанс с неременным током. Затем сосуд заиолняе1Ся до оаределенного деления жидкостью. Посла этого подкручиванием груза вновь добиЕаются резонанса. Отмечая смещение груза (но помещенной возле пластинки неподвижной шкале) подсчитывают вязкость.

4)Пластинка в нижней части может быть зажата между двумя пружинящими пластинками А. /11 (фиг. 8).

Пластинки могут помощью микрометрического винта перемещаться друг относительно друга. При этом будет меняться точка крепления, следовательно, рабочая д.11ина пластинки .или, иначе,. ее сббственная частота колебаний.

Такое устройство допускает более удобную и точную ре1;улироьку.

Возможны, понятно, и другие приемы измерения, в той или иной степени варьирующие приведекные выше.

Приведенное устройство имеет ряд преимуществ и удобств по сравнению с методом колеблющейся струны, хотя и является более грубым индикатором. Оно весьма просто и удобно в обращении, не боится повреждений и может найти, повидимому, щирокое применение при Технических, производственных испытаниях, в дорожной обстановке и проч., являясь весьма компактным прибором, дающим быстрый отсчет без длительных манипуляций требующихся в обычных типах вискозиметров.

Весьма гажным является вопрос о генераторе колебаний. В виду низкой частоты вибрирующих пластинок в ряде случдев может быть иснользован iipocro перемеияый ток осветительной сети. В других случаях может быть иснользован настроенный на .постоянную частоту зуммер, либо, так называемый, зум.мермикрофон, обычный камертон с электрическим контактом, катодный генератор и т. п.

В случае, когда необходима пер.ьинная частота генератора, может быть применен камертон с передвижными грузами, регулируемый катодный генератор и т. п.

Весьма удобным, может быть, в этОдМ случае является следующее устройство (фкг. 9). Индуктор переменного тока 1, по типу применяемых в испытателях изоляции (без коллектора) используется для питания электромагнита 2 вибрирующей пластинки. Индуктор снабжен тахометром 3, указывающим скорость вращения и проградуйрованным в частоте переменного тока (либо прямо вязкости). Вибрирующая пластинка 4 расположена рядом с его щкалой и можег быть наблюдаема одновременно (либо отражение светового „зайчика от зеркальца пластинки отбрасывается на ту же шкалу). Вращая с переменной скоростью якорь индуктора от руки, наблюдают одновременно за щкалой и гибрирующей пластинкой. Показания стрелки тахомегра в момент резонанса язычка дадут его частоту. В данном случае нет необходимости в равномерном вращении, так как отсчет производится по MiHoueHHbiM показателям. Возможно также снабдить прибор контактами 5, замыкаемыми самой вибрирующей нллстинкой 4 по достижении ею максимальной (резонансной) амнлитуды. Контакт этот может быть ксп льзован для замыкания цепи либо неоновой, либо обычной лампы 6 (отмечено пунктиром), освещающей шкалу в моменг резонанса пластинки и избавляющей от необходимости следить одновременно за двумя указателями, либо, что еще целесообразнее, для приведения в действие электромагнита, автоматически стопорящего стрелку тахометра в момент резонанса колебаний пласгимки.

Обычная форма плоской прямоугольной цласгинки, типа применяемых в 1,иб.)ационных частотомерах, при полном погружении ее в жидкость, благодаря большой поверхности, получает с ишком больщое демпфирование (успокоение), в связи с чем резонанс будет сильно притуплен, и нахождение точки максимальной амплитуды будет затруднительно.

Поэтому форма колеблющегося тела должна быть выбрана соответствующим образом. Пластинка должна быть снабжена вырезами или отверстиями, уменьшающими тормозящее влияние жидкости. Предлагается выполнение вибрирующего тела из тонкой жидкости стальной проволоки-одной, либо двух и более, тшраллельно зажатых в основании прибора и связанных вместе в верхней свободной части (фиг. 10). Вместо проволоки может быть применена трубочка соответствующего диаметра.

Однако, чрезмерное успокоение создает затруднения лишь, в случае полного ногружения пластинки в жидкость. При частичном ее погружении, когда наиболее колеблющаяся верхняя часть находится вне жидкости, явление притупления резонаг са почти не наблюдается.

Путем различного погружения пластинки и жидкость представляется возможность исследования жидкостей в весьма большом диапазоне от самых подвижных и до переходящих в твердое состояние, чго неосуществимо в обычных типах вискозиметров.

В некоторых случаях более удобным способом определения частоты вибрирующего язычка может явитьсн использование его в качестве самовозбуждающегося генератора к ejaний по типу,, так называемых, камертонных ламповых генераторов, причем вместо камертона применяется виорирующая пластинка (язычок).

Подобное устройство, )я иа некоторое усложнение (наличие схемы генератора) все же дает значительные преимущества, так как определение частоты пластинки производится не по ее резтнансу, а непосредственно измерением частоты генератора. Поэтому, притупление кривой резонанса и вообще форма ее затрудняет наблюдения, так что в этом случае можно работать с сильно демпфированной вибрирующей пластинкой.

Предмет изобретения.

1.Способ измерения вязкости жидкости, отличающийся тем, что вязкость олределяют по изменению резонансной частоты натянутой струны при погружении ее в исследуемую жидкость.

2.Прием осуществления способа по п. 1 путем применения генератора колебаний, питающего струну, помеп1енную в постоянном магнитном поле, вызывая ее вибрации (либо струнН; питаемой постоянным током и помещепний

в переменном магнитном поле), отличающийся тем, что генератор настраивают на определенную частоту, отличную от собственной частоты вибрирующей струны в воздухе, а затем погружают постепенно струну вертикально в исследуемую жидкость до тех пор, пока частота струны не совпадет с частотой генератора и не придет в резонанс, после чего по длине части струны, погруже ной в жидкость, либо по соотношению длины погруженной и непогруженной частей определяют вязкость исследуемой жидкости.

3.Видоизменение способа по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что некоторое количество исследуемой жидкости на отверстие кольпа или цилиндра, охватывающего вибрирующие струны, а затем кольцо вместе с жидкостью перемещают вдоль нитей до достижения необходимой частоты колебаний системы,

4.Видоизменение способа по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вязкость жидкости определяется по величине изменения натяжения струны, погруженной в жидкость, необходимого для восстановления прежней резонансной ее частоты, которую она имела в воздухе или в талонной жидкости.

5.Устройство .для измерения вязкости по пп. 1-3, с применением одной или более натянутых струн, вибрирующих в магнитном поле, отJ ичающееся применением охватывающего нити кольца нли цилиндра 1, содержащего исследуемую жидкость и снабженного приспособлением для перемещения его вдоль натянутых нитей (фиг. 3).

6.Форма выполнения устройства; по п. 5, отличающаяся тем, что передвнжное кольцо 1 выполнено в виде плоской коробки 9, снабженной двумя отгерстиями для прохождения нитей вибрирующей системы (фиг. 4).

7.Видоизменение способа по п. 1, отличающееся тем, что вязкость определяют по изменению резонансной частоты колебаний какого-либо зажатого с одного конца упругого тела при погружении его в исследуемую жидкость.

8.Прием осуществления способа по п. 7, отличающийся тем, что определение вязкости осуществляют путем перемещения груза, укрепленного на свободном конце вибрирующей пластинки, сначала в воздухе, а затем после частичного или полного его погружения в исследуемую жидкость.

9.Прием осуществления способа по п. 7, отличающийся тем, что необходимое для измерения вязкости изменение частоты колебаний пластинки осуществляют путем изменения ее рабочей длины в точке крепления.

10.Устройство для осуществления способа по п. 7, отличающееся применением зажатой с одного конца пластинки, заключенной в предназначенный для заполнения исследуемой жидкостью сосуд и приводимой в колебание.

11.Форма выполнения устройства по п. 10, отличающаяся тем, что вибрирующее тело выполнено из одного или больщего числа связанных трубчатых стержней из упругого материала.

12.Форма выполнения устройства по п. 10, отличающаяся тем, что, в целях определения собственной частоты вибрирующей пластины, последняя использована для возбуждения электрических колебаний каким-либо из известных способов (например, включением в магнитную цепь катодного генератора и т. п.).

13.Форма выполнения устройства по пп. 10-12, отличающаяся тем, что вибрирзющая пластинка снабжена контактом, предназначенным для замыкания сигнальной цепи, приводящей в действие какое-либо осветительное или магнитное устройство, фиксирующее пологление стрелки прибора, указывающего частоту генератора колебаний, возбуждающего вибрации пластинки. к авторсж му свидетельству И. А. № 41243. Городинского

Фиг/t

:

1

ФипЗ

--С

Jt.

Фиг5 Фмг5 Фиг Ф.

.0:

ФигЗ

,JJ /1

--1CD

ф.

. , ФигО

1 -И т

iO rf

Jl

-,.,