Ротационный вискозиметр Советский патент 1979 года по МПК G01N11/14 

t

Изобретение относится к ротационным коаксиально-цилиндрическим вискозиметрам, используемым для определения вязкости нефтепродуктов, в частности смазочных масел, в uaqюкoм диапазоне температур и градиентов скоростей.

Известен ротационный вискозиметр, работающий по принципу постоянной скорости деформашга, представляющий собой пару цилиндров, расположенных коаксиально с зазором 0.15 мм 1. Внутренний цилиндр укреплен на валу привода, а наружный установлен в корпусе на опорном подшипнике. Для измерения крутящего момента на внешнем цилинд е он кинематически связан посредством гибкого тросика с весами, используемыми в качестве динамометра. Пр1шод вращения внутреннего цилиндра обеспечивает проведение испьггакий жидкости прн различных скоростях вращения внутреннего цилиндра.

Этот вискозиметр предназначен для измерения /шнамической вязкости жидкостей в диапазоне от 50 до 9000 сантипуаз при скоростях деформаичи не выше 6, секГ.

Однако то, что наружный цилиндр крепится в опорном подшипнике, не позволяет измерять вязкость жидкостей менее 50 сантипуаз снижает точность измертннй прн проведении испытаний в широком диапазоне температур в связи с изменением сопротивления подшипника, требует сложной настройки для создания соосности между цилнндра п1.

Наиболее близк гм к изобретению является

0 ротащюнный вискозиметр, содержащий коаксиальные наружный и подвижный внутренню1 соединенный с приводом цилиндры, снабженные устройсгеом для термостатировання, измерительную систему 2.

5

Этот вискозиметр позволяет измерять вязкость жидкостей при зазоре между щитиярами менее 0,1 мм (практически вязкость масел измеряется при зазоре 0,05 мм, реально достнжимьш зазор 0,02 мм),

Нижняя граница измеряемых вязкостей жидкостей 2 -:- 4 сантнпуаза прн диаметре ш{лн1Шров 30 мм и высоте 60 мм. Соосность между цилиндрами достигается за счет гидродинамического клина, создаваемого испытуемой жидкостью в зазоре между цилш1драми при условии отсутствия нагрузок, нормальных по отношению к рабочей поверхности внешнего цилиндра. Сведение нормальных нагрузок к минимуму осуществляется при предварительной настройке соосности цилиндров. Этому вискозиметру свойственна длительность (1 мин и более) перехода в соосное положение цилиндров при больших значениях вязкости жидкости (от 1 пуаза и выше), а также неустойчивость в состоянии соосности при малых вязкостях жидкости от 0,5 пу аза и меньше, что влияет на точность измерений, Целью изобретега1я является сокращение времени установления соосности цилиндров и повыше1ше устойчивости. Достигается это тем, что на боковой поверхнести подвижного внутреннего циливдра выполнены участки плоской поверхности в виде прямоугольников в количестве 1-2 по ее высоте, полученные пересечением боковой поверхности с плоскостями, равноудаленными от оси иилинцра и параллельными ей, причем эти участки по окружности боковой поверхности расположены через равные интервалы. На фиг, 1 дана схема вискозиметра; на фиг. 2 - виутренинй Вд( с сечениями, параллельными оси; на фиг. 3 - распределение сил в зазоре между соосными цилиндрами; на фиг. 4 распределение сил в зазоре между иесоосньгми цилиндрами; иа фиг. 5 - внутренний цил1шдр, вариант вьтолнения; Вискозиметр состоит из иодвижного внутреннего дил1шдра I, на боковой ноэерхности которого имеются участки 2 с плоской поверхностью равной гшощади. Цилиндр 1 укреплен на валу 3. Неподвижный внешний цилиндр 4 вы полнен в виде стакана и расположен в емкости 5, через которую одркулирует теплоноситель от термостата 6. Цилиндр 4 укреплен в подвесе, состоящем из рамки 7, шгти 8 и траверсы 9. Рамка 7 окантшается скобой 10, которая о ватывает верхнюю часть цилиндра 4 и снабжена полуосями И, расположенными по диаметру ци линдра. В цилиндре 4 выполнены отверсПШ, через которые проходят полуоси 11, свободно перемещающиеся в отверстиях. Для измерения крутящего момента цилиндра 4 он соединен с данамометром посредством тросиков 12, прохо.дящих-через блоки 13, вращ ние внутреннего цилиндра 1 осуществляется от 68 4 едуктора 14, содержащего счетчик числа обороов, через вал 3. Вращение вала в подшипнике при наличии мазки приводит к смещению оси вала в стороу оси подшипника, благодаря наличию в зазое гидродинамического клина. При этом, эксентриситет вала в подшипнике скольжения опеделяется нагрузкой на вал, скоростью его враения и вязкостью смазки. В предельном слуае, когда нагрузка на вал равна нулю, вал и подипник стремится занять соосное положение. Однако, чем ближе цилиндр к соосному положению, тем меньше эффективность действия гидродинамического клина в зазоре, а поэтому устойчивость работы вискозиметра в соошом положении снижается. Наличие на боковой поверхности цилиндра 1 участков с Плоской поверхностью 2 (см. фиг. 2) создает постояниодействующие гидродинамические клинья в зазоре даже в соосном положении цилиндров (см. фиг. 3), что приводит к повышению устойчивости работы вискозиметра. Среднее избыточное давление РСР в слое смазки между двумя нен аллельными плоскими поверхностями, од11а из котсфых перемещается относительно другой, равно РсР К где v - вязкость смазки; и - линейная скорость перемещения поверхности;hjfr- среднее расстояние между поверхностями;К - коэффициент определяюидай геометрию расположения повфхностей. Эту зависимость можно использовать для о6ъясне{шя npifflUHna действия вискозиметра, так как участки АО и AD на фиг. 4 на поверхноста цнлшадра 4 можно считать почти плоскнivffl вэиду малой ширины участков 2. На фнг. 4 видно, что в области каждого плоского участка 2 образуется как бы два гидродинамических клина. Соотношение (1) показывает сильную зависимость Рее от расстояния между плоск М участком 2 и поверхностью цилиндра 4. В соосном положении цнлинщюв величины Рср в области каждого участка 2 равны, так как равны велнчнны п, поэтому результирующая сил давления равна 0. При несоосном положении ципиндроз величина Р больше там, где меньше значение h.В этом случае результирующая сила давления не равна О и под ее воздействием происходит относительное смешение цилиндров до выравнивания величин Р(, (см фиг. 4} в положение, соответствующее соосному положению цилиндров. Целесообразно использовать конструк шю цилиндра 1 в таком виде, как показано на фиг так как в этом случае возмущение потока изменяемой жидкости будет происходить только офаниченных областях, что в меньшей степени скажется на точности измерений. Плоские участ ки 2 в этом случае должны быть расположены на равном расстоянии от торцовых поверхнос.тей шшйндра, величина которого может быть произвольной. Количество плоских участков 2 на поверхности цилинщза должно быть не меньше трех для варианта испопкения, показанного на фиг. Точно так же необходимо иметь по три ило кнх участка 2 в области каждого торца цилинд ра в случае варианта, показанного на фиг. 5. Определить необходимую велич шу площади плоскостей 2 расчетоым путем сложно. Значительно проще ее можно найти из опыта, при измерении крутящего момента М на динамометре соединенном с внутрсиним цилиндром, в зависимости от линейной скорости вращения И НИлиндра 1. Из известной зависимости Г2П где о отношение разности радиусоа вала и подшипника 6 к величине смещения центра вала по отношению к центру подщипника е, г - радиус вала, г - вязкость смазки, следует, что при соосном шзложегаш вала и пощштпника когда и следовательно or, величина момен та М прямо пропорциональна .шшейной скорости вращения И при постошшом значении вязкос ти смазки у. - (5) Следовательно, если завискмость М f (U) линейна в исследованном диапазоне скорости вращения цилиндра вискозиметра при условии измерения вязкости ньютоновской жидкости (ц const), то цилиндры вискозиметра соосны при зтих скоростях и площадь шюских участков 2 является достаточной для поддержания соосности цилиндров. Площадь плоских участков 2 должна бьтп. достатовдой для поддержания соосности при самых малых скоростях вращения цилиндра вис66кознметра. Тогда она будет заведомо достаточной при больших скоростях так как эффект согласно соотношению (1) велич вается при увеличении U. То же самое можно сказать и в отнощснии вязкости измеряемой жидкости. Чем больще вязкость, тем сильнее действие за счет дополнительных гидродинамических клиньев на плоских участках 2. Таким образом, подбор площади плоских участков 2, обеспечивающих линейность зависикюсти М f(U), что соответствует соосности цилиндров вискозиметра, должен производиться при минимальных скоростях вращения, применяемых в вискозиметре, к при минимальных вязкостях жидкостей, на которые расчитан вискозиметр. Ротащюнный вискозиметр работает следующим образом. Рабочие шиншдры I и 4 очшцают от остатков ранее испытанной жидкости. На дно цилиндра 4 наливают определенное количество испытуемой жидкости. Ц1ШИЩ1Р 1 вставляют в цилиидр 4 и выдавливают жидкость в зазор между щиншдрами. .Палее, а отверстие цилиндра 4 вводят полусси 1 к таким образом соедщмют ЦИЛ1ШДР с подвесом. Собрашсые цилимдры погружают в емкость 5 и термосуатируют в течение определенного промежутка времени для достижения требугмой температуры. При измерении вязкости включают привод. Вращение от редуктора 4 передается через вал 3рабочему цилтэдру I. При враще«т цилиндра в зазоре между рабочими цилиндрами 1 и 4образуется г-,щрол1шам ческий клин, который стремится npireecTK адсшндры в соосное положение. 4налог№Э ыс гивродннш 1ические образуются в нолоста каждого плоского участка 2. За счет дополнительного пцфод1тамичес1СОГО зффектЕ от плоских участков 2 время перехода цилиндров в соосное положение сокращается и составляет в среднем от 5 до 30 сек. в завнсимоспг от вязкости жидкости. Когда цилиндры и 4 находятся в соосном положении, постоянные гидроД Шамические . клинья обеспечивают устойчивость в зтом положении. Благодаря симметри юму расположению 11ЛОСКИХ участков 2 на боковой поверхности и кх равной площади результирующая сил давления равна нулю. Измерение вязкости зтаЛОНТ1ЫХ жидкостей показывает, что наличие плоских участков на боковой поверхности подвижного щиишдра не создает дополнительных погрецшостей за счет неоднородности поверхности подвижного цилиндра. Наоборот, точносгь фиксации шшшцзров в соосном положении позволяет повысить чувствительность приборов. Выполнение неподвижного цилшчфа в виде стакана не влияет на точность измерений, так как допопнительный момент за счет дна при зазоре между цилиндрами 0,05 мм и при расстоянии между дном щшиндра 4 и торцом цилиндра 1 порядка 10 мм составляет порядка 1/1000 от основного крутящего момента, что значительно меньше чувствительности прибора. Ротацио1шьш вискозиметр позволяет измерить вязкость смазочных масел в диапазоне от 2 до 300 сантипуаз, причем среднеквадратичная ошибка составляет 1,5%. В известном вискозиметре, выбрашюм в качестве прототипа, ошиб ка измерения составляла ± 7%. Причем, время измерения сократилось в среднем в два раза за счет более быстрого достижения соосности .цилиндров (5-30 сек вместо 1-3 мин) и устойчивой работы вискозиметра при соосном положении цилиндров. Формула изобретения Ротационный вискозиметр, содержащий коаксиальные, наружный и подвижный внутрен// jf/// yНИИ соединенный с приводом цилиндры, снабженные устройством для термостатирования, измерительную систему, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени установления соосности цилиндров и повышения устойчивости, на боковой поверхности подвижного внутреннего цилиндра выполнены участки плоской поверхности в ввде прямоугольников в количестве К 2 по ее высоте, полученные пересечением боковой поверхности с плоскостями, равноудалешп 1ми от оси циливдра и параллельными ей, причем зти участки по окружности боковой поверхности расположены через равные интервалы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент ФРГ P 1119006, кл. G 01 N 11/14, 1961. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке N 2043965/25, кл. G 01 N 11/14, 11.07.74 (прототип).

/«,, Т.К.

fftl 4 ., -flm