ВИСКОЗИМЕТР
VISCOSIMETER

Изобретение относится к области измерительных средств, в частности для измерения вязкости жидких сред при различных температурах и прозрачности.
Известны приборы для определения вязкости жидкостей: капиллярные, ротационные, вибрационные, ультразвуковые и др. Недостатками этих приборов являются либо сложность конструкции и трудность обработки данных измерений (ротационные), либо необходимость использования вторичных средств (вибрационные), либо невозможность измерения вязкости загрязненных сред (капиллярные).
Известен вискозиметр, содержащий основание, емкость с исследуемой жидкостью, перемещаемый внутри нее чувствительный элемент, соединенный посредством перекинутой через блок гибкой нитью с находящимся в воздухе противовесом, и регистрирующее устройство, фиксирующее высоту подъема чувствительного элемента, причем противовес и чувствительный элемент выполнены в виде двух одинаковых пустотелых шариков равной массы, внутренняя полость шарика, погруженного в емкость с исследуемой жидкостью, заполнена этой жидкостью, а внутренняя полость шарика, являющегося противовесом, заполнена воздухом (Патент РФ №2284501 С1, дата приоритета 05.03.2005, дата публикации 27.09.2006, авторы Пожбелко В.И. и др., RU).
Недостатком известного вискозиметра является ограниченная область использования в связи с невозможностью измерения вязкости в широком диапазоне температур.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату принят вискозиметр, содержащий установленный в корпусе полый цилиндр с размещенным внутри него приводным рабочим органом, имеющим обтекаемый сменный каплеобразный наконечник, смонтированный на штоке с возможностью вертикального перемещения, и блок контроля перемещения штока, при этом привод рабочего органа выполнен в виде шарнирно сопряженного со штоком двуплечего рычага, установленного на опоре вращения с соотношением длин плеч рычага, составляющим 1:10, причем одно плечо рычага подпружинено, а другое соединено с осью, связанной с курком, полый цилиндр, в котором размещен рабочий орган, снабжен либо боковым отверстием для пропуска исследуемой жидкости из дополнительной емкости, либо дроссельным отверстием, выполненным в дне цилиндра с возможностью взаимодействия с ним каплеобразного наконечника, а блок контроля перемещения состоит из последовательно соединенных датчика, преобразователя сигнала и цифрового индикатора, подключенных к источнику питания, причем датчик выполнен с возможностью контактирования с расположенным на штоке флажком для получения данных экспресс-анализа измеряемой текучей среды в относительных единицах, регистрируемых цифровым индикатором, показания которого имеют тем большее значение, чем больше вязкость жидкости (Патент РФ №2029939 С1, дата приоритета 12.11.1992, дата публикации 27.02.1995, авторы Зорин А.С. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является низкая информативность вискозиметра, основанная на получении данных в относительных единицах и ограничивающая область использования в связи с невозможностью измерения вязкости в широком диапазоне температур, например от 40 до 140°C, а также сложность конструкции и низкая точность измерений из-за погрешности от пружинного привода рычага.
Задачей изобретения является расширение области использования и повышение информативности за счет определения вязкости жидких сред, в частности смазочных масел, в температурном интервале от 40 до 140°C, а также упрощение конструкции, повышение точности измерений и автоматизация процесса измерения.
<mrow><mi>μ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>П</mi><mo>−</mo><mi>К</mi></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
Для решения поставленной задачи предложен вискозиметр, содержащий корпус, цилиндрический стакан для исследуемой жидкости, в котором расположен с возможностью вертикального перемещения чувствительный элемент, снабженный приводом, и блок контроля перемещения чувствительного элемента, подключенный к источнику питания. Согласно изобретению, вискозиметр выполнен с возможностью измерения вязкости исследуемой жидкости при различных температурах и снабжен системой управления процессом измерения, при этом в корпусе вискозиметра установлен теплоизолированный снаружи нагреватель с цилиндрической полостью, в которую помещен установленный на платформе цилиндрический стакан для исследуемой жидкости, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения совместно с платформой и фиксации в верхнем положении при установке стакана с испытуемой жидкостью в полости нагревателя, при этом в стакан погружен датчик температуры для контроля температуры испытуемой жидкости, установленный на стойке и электрически связанный с блоком задания и измерения температуры испытания, снабженным переключателем температуры, чувствительный элемент, погружаемый в жидкость, установлен на коромысле, снабженном электромагнитным приводом, связанным с блоком его управления, первый вход которого соединен с блоком задания и измерения температуры испытания, а второй вход соединен с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации, при этом коромысло установлено на оси этого привода с возможностью поворота относительно ее, а чувствительный элемент выполнен в виде шара из полимерного материала и закреплен на стержне, расположенном на рабочем плече коромысла с возможностью перемещения в стакане с испытуемой жидкостью и ограничения крайнего верхнего и нижнего положений с помощью верхнего и нижнего упоров, закрепленных на панели и предотвращающих выход шара из жидкой среды и касание шара дна стакана, коромысло снабжено также установленным на другом плече противовесом, обеспечивающим свободное перемещение шара в испытуемой жидкости при заданных температурах, со стороны рабочего плеча в средней части коромысла установлен экран, взаимодействующий с установленными на упомянутой панели светодиодом и фотоприемником с возможностью перекрытия светового потока от светодиода на фотоприемник при перемещении коромысла с экраном, при этом панель закреплена в корпусе перпендикулярно плоскости экрана и снабжена соответствующим пазом, а светодиод и фотоприемник, оптически связанные с экраном, для обеспечения задания постоянной глубины перемещения шара в испытуемой жидкости и регистрации времени его перемещения, характеризующего вязкость испытуемой жидкости, электрически связаны с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации, при этом указанные блоки связаны с блоком питания и ими образована система автоматического управления процессом измерения вязкости испытуемой жидкости, определяемой по формуле
,
где П - среднеарифметическое значение показаний вискозиметра, имп;
К - константа вискозиметра, зависящая от геометрии чувствительного элемента, глубины его погружения в испытуемую жидкость и диаметра стакана для испытуемой жидкости, имп;
α - угол наклона тарировочной зависимости показаний вискозиметра от вязкости эталонных жидкостей.
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемого вискозиметра; на фиг. 2 представлен тарировачный график вискозиметра; на фиг. 3 приведены графические зависимости вязкости от температуры испытания для различных групп масел.
Заявляемый вискозиметр содержит установленный в корпусе 1 нагреватель 2, снабженный нагревательным элементом 3 и внешней термоизоляцией 4. Нагреватель 2 выполнен с цилиндрической полостью 5, в которую помещен цилиндрический стакан 6 для исследуемой жидкости, установленный на платформе 7 с возможностью возвратно-поступательного перемещения совместно с платформой и фиксации в верхнем положении при установке стакана 6 с испытуемой жидкостью в полости 5 нагревателя. Для этого цилиндрический стакан 6 может быть снабжен снаружи канавкой, а в платформе может быть выполнен ответный Т-образный паз и установлен фиксатор, ограничивающий перемещение платформы (условно не показано). В стакан 6 погружен установленный на стойке 8 датчик температуры 9 для контроля температуры испытуемой жидкости и помещен чувствительный элемент 10, который установлен на коромысле 11, снабженном электромагнитным приводом 12. При этом коромысло 11 установлено на оси электромагнитного привода с возможностью поворота относительно оси, а чувствительный элемент 10 выполнен в виде шара из полимерного материала и закреплен на стержне 13, расположенном на рабочем плече коромысла с возможностью перемещения в стакане с испытуемой жидкостью. На другом плече коромысла закреплен противовес 14, обеспечивающий свободное перемещение шара в испытуемой жидкости при заданных температурах. Поворот коромысла 11 ограничен верхним 15 и нижним 16 упорами, закрепленными на панели 17 и предотвращающими выход шара из жидкой среды и касание шара дна стакана 6. Со стороны рабочего плеча в средней части коромысла установлен экран 18, взаимодействующий с установленными на панели 17 светодиодом 19 и фотоприемником 20 с возможностью перекрытия светового потока от светодиода на фотоприемник при перемещении коромысла с экраном. Панель 17 закреплена на основании корпуса перпендикулярно плоскости экрана 18 и снабжена пазом 21. Светодиод 19 и фотоприемник 20 оптически связаны с экраном 18 для обеспечения задания постоянной глубины перемещения шара 10 в испытуемой жидкости и регистрации времени его перемещения из верхнего положения, характеризующего вязкость испытуемой жидкости. Для управления процессом измерения вязкости при температурах в диапазоне от 40 до 140°C датчик температуры 9 электрически связан с блоком задания и измерения температуры испытания 22, снабженным переключателем температуры, светодиод 19 и фотоприемник 20 связаны с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации 23, а электромагнитный привод 12 связан с блоком его управления 24. Первый вход блока управления электромагнитным приводом 24 соединен с блоком задания и измерения температуры испытания 22, а второй вход соединен с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации 23. Указанные блоки 22, 23 и 24 связаны с блоком питания 25 и образуют систему автоматического управления процессом измерения вязкости.
На передней панели вискозиметра расположены элементы управления, включающие кнопки: «Сеть» - для подачи напряжения на блок питания 25; «Пуск» - для подачи напряжения на нагревательный элемент 3 с блока задания и измерения температуры 22; «Промывка» - для подачи импульсного напряжения на электромагнитный привод 12 с блока его управления 24 для промывки шара 10 и стакана 6 (условно не показано).
2
Для измерения вязкости в сСт (мм/с) вискозиметр необходимо оттарировать при температуре 100°C на жидкостях с известной вязкостью и построить тарировочный график зависимости вязкости от показаний вискозиметра, выраженных в импульсах, так как показания зависят от диаметра чувствительного элемента (шара) 10, глубины погружения шара в жидкость, зависящей от длины экрана 18, перекрывающего световой потока от светодиода 19. Тарировочный график, приведенный на фиг. 2, представляет зависимость, которая описывается линейным уравнением:
где П - показания вискозиметра при измерении вязкости жидкостей с известной вязкостью, имп; К - коэффициент, определяемый точкой пересечения зависимости П=f с осью ординат, зависящий от конструктивных особенностей шара, глубины его погружения в жидкость и диаметра стакана для исследуемой жидкости, имп; α - угол наклона зависимости П=f(µ) к оси абсцисс.
Так как показатели К и tgα являются постоянными, то вязкость измеряемой жидкости зависит только от значения показателя П, характеризующего время опускания шара в жидкости на постоянную глубину, выраженное в импульсах.
Вискозиметр работает следующим образом. Стакан 6 заполняется испытуемой жидкостью массой 9 граммов и устанавливается в паз на платформу 7, которая поднимается и фиксируется в верхнем положении, при этом стакан 6 устанавливается в полости 5 нагревателя 2. На блоке 22 с помощью установленного на передней панели переключателя устанавливается необходимая температура (от 40 до 140°C) для измерения вязкости. При нажатии кнопки «Сеть» на передней панели прибора (условно не показано) подается напряжение на блок питания 25, от которого запитываются блоки 22, 23 и 24. Далее при нажатии кнопки «Пуск» напряжение с блока задания и измерения температуры 22 подается в нагреватель 2. Температуру нагревания испытуемой жидкости контролирует датчик температуры 9. При достижении установленной температуры нагреватель 2 обесточивается, и с блока 22 подается сигнал на блок 24, с которого импульсное напряжение подается на электромагнитный привод 12. При этом коромысло 11 совместно с шаром 10 совершает колебания от верхнего 15 до нижнего 16 упоров, происходит перемешивание испытуемой жидкости и охлаждение ее до заданной температуры, так как при отключении нагревателя за счет градиента температуры нагревателя температура жидкости увеличивается. При точном достижении установленной температуры коромысло 11 фиксируется в верхнем положении, и после подачи сигнала с блока 22 электромагнитный привод 12 обесточивается, и шар 10 под собственным весом перемещается в жидкости вместе с коромыслом 10 от верхнего 15 до нижнего 16 упоров. При этом также происходит перемещение экрана 18, и в момент перекрытия светового потока от светодиода 19 на фотоприемник 20 экраном 18 подается импульсное напряжение на расположенный в блоке 23 счетчик импульсов (условно не показано).
Время перемещения шара 10 в жидкости зависит от ее вязкости, а его значение измеряется и регистрируется цифровым индикатором, связанным со счетчиком импульсов и также расположенным в блоке 23 (условно не показано). Значение вязкости определяется по среднеарифметическому значению индикатора из пяти опытов. Для этого после индикации первого опыта нажимается кнопка «Пуск», и опыт повторяется. После пятикратного измерения вязкости платформа 7 со стаканом 6 опускается в нижнее положение, стакан вынимается из паза платформы 7, испытуемая жидкость сливается, а стакан 6 заполняется промывочной жидкостью, устанавливается на платформу 7 и поднимается в нагреватель 2. Далее нажимается кнопка «Промывка», при этом на электромагнитный привод 12 из блока 24 подается импульсное напряжение, что обеспечивает колебания коромысла 11 с шаром 10 от верхнего 15 до нижнего 16 упоров и промывку шара. После промывки шара 10 и протирки стакана 6 вискозиметр готов к дальнейшей работе.
По формуле (1) по результатам пятикратного измерения определяется вязкость испытуемой жидкости в сСт.
Для получения вязкостно-температурной зависимости в диапазоне температур от 40 до 140°C стакан 6 заполняется испытуемой жидкостью один раз, и при каждой температуре производят пять измерений. Температура испытания задается с помощью переключателя, установленного на передней панели прибора. Графические зависимости вязкости от температуры испытания приведены на фиг. 3 в логарифмических координатах для минеральных моторных масел: Роснефть Optimum 10W-40 SQ/CD (график а); Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC (график б); минерального трансмиссионного масла Bizol 80W-90 GL5 (график в) и синтетического трансмиссионного масла Bizol 75W-90 GL5 (график г). Данные зависимости имеют линейный характер.
Преимущества предлагаемого вискозиметра заключаются в использовании малого объема испытуемой жидкости, возможности получения вязкостно-температурной зависимости, сокращении времени измерения, автоматизации процесса измерения и упрощении конструкции.