СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ГАЗА
METHOD OF MEASURING VISCOSITY OF GAS

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики, в частности к способам измерения вязкости газов η, и может найти применение в различных отраслях промышленности и в лабораторной практике.
Известен способ измерения вязкости газов (см. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - Москва.: Недра, 1973. с. 122-126), согласно которому газ с постоянным расходом пропускают через капилляр, измеряют перепад давления на нем, по которому судят о вязкости.
Недостатком такого способа является невысокая точность измерения, связанная с влиянием плотности газа на результат измерений.
Наиболее близким по совокупности признаков является способ измерения вязкости, реализованный в устройстве (а.с. СССР №972325, МПК G01N 11/06), в котором отбирают пробу газа, пропускают его при постоянном перепаде давления через капилляр, измеряют время изменения давления до капилляра на заданную величину, по значению которого судят о величине вязкости.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является недостаточная точность измерения вязкости газа.
Цель изобретения - повышение точности измерения путем снижения методической ошибки и обеспечения возможности измерения вязкости газа при давлениях, близких к атмосферному.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения вязкости газов путем отбора и заполнения им емкости, пропускания его через капилляр при постоянном перепаде давления, измерения времени изменения давления в емкости на заданную величину дополнительно изменяют объем емкости, измеряют давления до и после дросселя и о вязкости газа судят по произведению среднего давления и времени истечения газа на момент достижения давлением в емкости заданного значения.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ измерения вязкости газа.
Газ на анализ поступает на вход 1 трехходового крана 2, к входу 3 которого подключена емкость 4 переменного объема с поршнем 5. К входу 6 крана 2 присоединены манометр 7, вход 8 крана 9 и камера 10 повторителя давления 11. В камере 10 размещена пружина 12 и винт 13 для ее сжатия. К входу 14 крана 9 подключен вход капилляра 15, вход которого соединен с камерой 16 повторителя 11. В камере 16 размещена пружина 17 и сопло 18, связанная с атмосферой. Поршень 5 снабжен штоком 19. Между камерами 10 и 16 повторителя 11 размещена мембрана 20. К камере 16 подключен манометр 21.
0
Реализация способа осуществляется следующим образом. В начальный момент времени трехходовой кран 2 переводят в состояние, при котором линия подвода газа на анализ соединяется с полостью емкости 4 переменного объема, поршень 5 в которой занимает крайнее нижнее положение. Кран 9, установленный на входе капилляра 15, закрыт. Отбор газа осуществляют путем перемещения поршня 5 до уровня Н. Состояние газа, поступившего в емкость 4, описывается уравнением
0
0
0
где Р - абсолютное давление газа в емкости 4, имеющей начальный объем V, после отбора анализируемого газа; Θ - количество газа; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура газа.
1
0
После этого кран 2 переводят в состояние, при котором емкость 4 соединяется с манометром 7 и камерой 10 повторителя 11. Газ сжимается за счет перемещения поршня 5 с помощью штока 19 до заданного уровня Н. Объем емкости 4 уменьшится на величину ΔV, а давление Р - увеличится на ΔР.
Состояние газа изменится и уравнение (1) примет вид
0
0
0
(P+ΔP)(V-ΔV)=ΘRT,
0
4н
так как Р+ΔР=Р - давление в емкости 4 на начало измерений,
0
4н
V-ΔV=V, то
0
Из (1) и (2) на основании закона Бойля-Мариотта, т.е. при условии ΘRT=const,
Из (3)
4н
0
Процесс измерения начинается после открытия крана 9 и включения секундомера (на чертеже не показан). Давление Р на входе капилляра 15 в начальный момент времени t фиксируют. Анализируемый газ проходит через капилляр 15 в камеру 16 повторителя 11, а далее через сопло 18 в атмосферу. Перепад давления на капилляре 15 в процессе измерения поддерживается на заданном уровне с помощью повторителя 11.
10
P10
пр12
16
P16
пр17
P10
10
10
P16
16
16
пр12
12
пр17
17
12
17
В состоянии равновесия повторителя 11 сила F=F+F, действующая на мембрану 20 со стороны камеры 10, равна силе F=F+F, действующей со стороны камеры 16, где F=PS - сила, возникающая при действии давления Р на мембрану 20 повторителя площадью S; F=PS - сила, возникающая при действии давления Р на мембрану 20 повторителя площадью S; F=cΔl и F=сΔl - силы от действия сжатых пружин 12 и 17 с жесткостями с и с, соответственно, при деформации на величину Δl.
В состоянии равновесия
16
10
16
17
10
12
F=F или PS+cΔl=PS+сΔl, откуда
или
10
16
12
17
Р-P=(с-с)Δl/S.
Величина Δl настраивается при помощи элемента настройки 13 повторителя 11 со сдвигом.
10
16
15
Так как Р-Р=const, то расход газа G по капилляру 15 с проводимостью α=const
15
10
16
G=α(Р-Р)
будет постоянным, что является необходимым условием для осуществления измерительного процесса.
4н
4н
4к
зад
4к
к
10
16
к
15
к
При истечении газа из емкости 4 давление Р уменьшается. Истечение газа, а следовательно, и процесс измерения, прекращается как только Р-Р=Р, где Р - давление в емкости 4 в момент времени t. При этом фиксируют значения давлений Р и Р в камерах 10 и 16 повторителя 11, а также время t. В конце процесса истечения из емкости 4 заданного количества газа ΔΘ=GΔt его состояние будет описываться уравнением
к
к
0
0
к
к
Δt=(t-t) - время процесса истечения, при t=0 Δt=t.
Вычитая из (1) уравнение (4) получим
зад
4н
15
к
PV=GΔtRT, откуда
15
Расход газа G при его ламинарном течении по капиллярной трубке 15 определяется по формуле Пуазейля для сжимаемой жидкости (см., например, Ибрагимов И.А., Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики. - М.: Высш.шк., 1985.)
где d, l - диаметр и длина капилляра 15 соответственно; η - динамическая вязкость газа.
15
Подставляя значение G из (6) в (5), получим
к
Учитывая, что  и  - среднее давление на момент времени t, которое не является постоянной величиной и уменьшается с увеличением времени истечения,
В процессе измерения
поэтому
4н
0
4к
к
зад
к
Суть рассмотренного способа измерения вязкости газа состоит в том, что газ пропускают через капилляр 15, фиксируют давление Р в момент времени t и давление Р в момент времени t, за которое давление в емкости 4 изменится на заданную величину Р, после чего измеряют среднее давление на дросселе 15 и время t, по произведению которых определяют значение контролируемой величины.
Предложенный способ измерения вязкости газа позволяет проводить анализ газовых сред без использования специальных побудителей расхода газа и регуляторов. В предложенном способе отбор газа на анализ может осуществляться при давлениях, близких к атмосферному. В способе исключена методическая погрешность, вызванная изменением среднего давления на концах капилляра. Способ экономичен, его реализация проста, надежна и позволяет повысить точность измерений.