СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING VISCOSITY OF LIQUIDS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к бесконтактным аэрогидродинамическим способам и устройствам автоматического контроля вязкости жидкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например химической, нефтехимической и др.
Известен способ измерения вязкости жидкости (А.с. №492787 СССР, МКИ G01N 11/08. Способ измерения вязкости жидкости по ее колебаниям / М.М.Мордасов, Ю.С.Шаталов // Опубл. 25.11.1975. Бюл. №43), включающий воздействие струи газа на жидкость с образованием углубления и формированием устойчивых автоколебаний на ее поверхности, изменение частоты колебаний на заданную величину путем изменения давления подаваемой струи, по которому судят о вязкости.
Недостатками указанного способа являются высокая случайная составляющая погрешности, обусловленная влиянием многих неконтролируемых факторов на колебательный процесс, и сравнительно низкий верхний предел измерения, что связано с трудностями в получении автоколебаний на поверхности вязких жидкостей.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения вязкости жидкости (Пат. №2170417 РФ, МКИ G01N 11/00. Способ определения вязкости жидкости / М.М.Мордасов, А.В.Трофимов, В.И.Гализдра, С.А.Трофимов // Опубл. 10.07.2001. Бюл. №19), согласно которому путем импульсного воздействия газовой струей на жидкость формируют углубление на ее поверхности, фиксируют временной интервал с момента подачи газовой струи до момента достижения углублением заданного объема, по величине этого временного интервала судят о вязкости жидкости.
Такие признаки прототипа, как воздействие струи газа на поверхность жидкости, формирование углубления на ее поверхности и фиксация момента достижения углублением заданного объема, совпадают с существенными признаками заявляемого способа.
Недостатками способа, принятого за прототип, является сравнительно низкая точность измерения вязкости, что обусловлено влиянием плотности и поверхностного натяжения жидкости на результат измерения вязкости вследствие изменения формы углубления и нестабильностью фиксации заданного объема углубления.
Известно устройство для измерения вязкости жидкости (А.с. №1385032 СССР, МКИ G01N 11/16. Устройство для измерения вязкости / М.М.Мордасов, В.И.Гализдра // Опубл. 30.03.1988. Бюл. №12), содержащее питающее сопло, расположенное наклонно к плоскости уровня жидкости, струйный элемент трубка - приемный канал, выход которого подключен к входу усилителя, а выход усилителя и вход питающего сопла соединены вместе и подключены к входу преобразователя, выход которого соединен с входом частотомера.
Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения вязкости жидкости (А.с. №1260747 СССР, МКИ G01N 11/16. Устройство для измерения вязкости / М.М.Мордасов, В.И.Гализдра // Опубл. 30.09.1986. Бюл. №36), содержащее сопло, располагаемое во время измерений над поверхностью контролируемой жидкости, сдвоенный чувствительный элемент, преобразователь, частотомер, два регулятора расхода, два клапана и блок управления, при этом входы клапанов присоединены к соответствующим регуляторам расхода газа, выходы соединены вместе и подключены к соплу, управляющие входы клапанов подключены к соответствующим выходам блока управления и входам преобразователя, выход которого соединен со входом частотомера, а выходы чувствительного элемента подключены к входу блока управления.
Такие признаки прототипа, как наличие сопла, расположенного над поверхностью исследуемой жидкости, вход которого подключен через клапан к регулятору расхода, сдвоенного чувствительного элемента, выходы которого подключены к соответствующим входам блока управления, совпадают с существенными признаками заявляемого устройства.
Прототип предполагает формирование устойчивого режима взаимодействия струи газа с поверхностью жидкости при наклонном расположении сопла. Однако экспериментальные исследования показали, что такой режим достигается только при вязкости жидкости более 100 Па·с или при использовании неньютоновских жидкостей, в противном случае на поверхности жидкости формируются колебания.
Техническими задачами изобретения являются повышение точности и расширение диапазона измерения. В предлагаемом способе эти задачи решаются за счет перемещения по поверхности жидкости углубления постоянного объема. Это позволяет, как снизить случайную составляющую погрешности, обусловленную нестабильностью фиксации заданного объема углубления, так и погрешность, обусловленную влиянием на результат измерения плотности и поверхностного натяжения контролируемой жидкости. В предлагаемое устройство вводят исполнительный механизм для перемещения сопла, формирующего струю газа, и чувствительного элемента.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения вязкости жидкостей воздействуют газовой струей, вытекающей из сопла, на жидкость и формируют углубление на ее поверхности, сопло перемещают в направлении действия струи газа со скоростью, при которой углубление сохраняет неизменной заданную форму, о вязкости жидкости судят по скорости перемещения сопла, а устройство дополнительно снабжено исполнительным механизмом, при этом выход исполнительного механизма соединен с соплом и чувствительным элементом, а вход подключен к соответствующему выходу блока управления.
На фиг.1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого метода измерения вязкости.
Над поверхностью контролируемой жидкости 1 расположены сопло 2 и чувствительный элемент 3, присоединенные к штоку 4, являющемуся выходом исполнительного механизма 5. Вход сопла 2 подключен через клапан 6 к регулятору 7 расхода газа. Первый 8 и второй 9 выходы чувствительного элемента 3 соединены с первым 10 и вторым 11 входами блока управления 12 соответственно. Первый выход 13 блока управления 12 подключен к управляющему входу клапана 6, второй выход 14 - к входу цифрового табло 16, а третий выход 15 - к входу исполнительного механизма 5.
При взаимодействии струи газа, вытекающей из сопла 2, с поверхностью жидкости 1 на последней формируется углубление 17.
Устройство для измерения вязкости жидкостей работает следующим образом. Размещают шток 4 исполнительного механизма 5 параллельно поверхности контролируемой жидкости 1 на заданном расстоянии от нее. Пуск устройства осуществляют подачей на его вход питания.
13
В исходный момент времени на выходе 13 блока управления 12 формируется сигнал единичного уровня U=1, под действием которого клапан 6 открывается и сжатый газ с выхода регулятора 7 поступает в сопло 2, из которого вытекает струя газа, воздействующая на жидкость 1 и формирующая углубление 17 на ее поверхности. С течением времени объем углубления 17 возрастает.
На фиг.2 изображены профили углубления и линии тока струи газа для различных интервалов времени t с момента подачи струи. Потока газа направлены слева направо. Из чертежей видно, что с течением времени по мере движения волны меняется угол выхода струи из углубления. Непосредственно в момент подачи струя растекается по поверхности жидкости, так как на ней отсутствует углубление. После формирования углубления газ, протекающий вблизи поверхности жидкости и направляемый ею вверх, взаимодействуют с газом, протекающим вне углубления, в результате чего струя меняет свое направление и устремляется вверх. С течением времени объем углубления возрастает, и все большая часть струи погружается в жидкость, что приводит к увеличению угла ее выхода.
9
8
9
8
15
Из вышесказанного следует, что струю газа, выходящую из углубления 17, первым воспримет правая по схеме (фиг.1) ячейка сдвоенного чувствительного элемента 3, в результате чего на его выходе 9 сформируется сигнал U, поступающий на вход 11 блока управления 12. Сигнал U=0 поступает на вход 10 блока 12 с выхода 8 чувствительного элемента 3, так как на его левую по схеме ячейку струя газа не действует. При положительной разности ΔU сигналов U и U, что соответствует действию струи исключительно на правую ячейку чувствительного элемента 3, блок управления 12 формирует на выходе 15 сигнал U, под действием которого исполнительный механизм 5 перемещает шток 4 с закрепленными на нем соплом 2 и чувствительным элементом 3 вправо.
9
8
15
В результате перемещения сопла 2 и чувствительного элемента 3 выходящая из углубления 17 газовая струя начинает воздействовать на обе его ячейки, что приводит к уменьшению разности ΔU=U-U. Если разность ΔU становится отрицательной, то блок управления 12 формирует на выходе 15 сигнал U, под действием которого исполнительный механизм 5 перемещает шток 4 влево. Поэтому, в момент времени, когда чувствительный элемент 3 начинает воспринимать выходящую из углубления 17 газовую струю, в устройстве начинается переходной процесс, после установления которого объем и форма углубления 17 соответствуют заданным, исполнительный механизм 5 посредством штока 4 перемещает сопло 2 и чувствительный элемент 3 с постоянной скоростью в направлении действия струи газа. Цепь обратной связи, состоящая из элементов 3, 12 и 5, обеспечивает сохранение неизменной заданной формы углубления 17 и его перемещение. О вязкости η жидкости 1 судят по скорости перемещения сопла 2, которая обратно пропорциональна измеряемой величине.
15
13
После достижения штоком 4 исполнительного механизма 5 крайнего правого по схеме положения блок управления 12 формирует на выходе 15 сигнал U, под действием которого исполнительный механизм 5 возвращает шток в исходное (крайнее левое по схеме) положение, на выходе 13 - сигнал U=0, в результате чего прекращается подача газа в сопло, а с выхода 14 передает данные о вязкости η, полученные за время движения штока 4, на вход цифрового табло 16.
Таким образом, предлагаемый способ измерения вязкости и устройство для его реализации позволяют снизить влияние плотности и поверхностного натяжения на результат измерения вязкости за счет стабилизации формы углубления, перемещающегося по поверхности контролируемой жидкости, снизить случайную составляющую погрешности измерения в одном наблюдении за счет накопления информации о вязкости во время движения сопла, а также обеспечить широкий диапазон измерения вязкости за счет облегчения фиксации струи, выходящей из углубления, что обусловлено увеличением ее интенсивности при движении сопла.