Установка для определения вязкости газов

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения вязкости различных газов.
Распространены способы измерения вязкости газов на основе капилляров (Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Недра, 1973.) По одному из вариантов газ с постоянным расходом пропускают через капилляр, измеряют перепад давления на нем, по которому судят о вязкости газа.
Известны способы измерения коэффициента вязкости потока жидкости, газа и газожидкостной смеси (заявка на изобретение RU 32014169 A опубл. 27.02.1995 и заявка на изобретение RU 34037995, опубл. 27.08.1996) построенные на основе турбинных расходометров. Применяют поток газа для измерения вязкости жидкости (патент RU 2241975 опубл. 20.10. 2003). Используют свойства газового потока для измерения вязкости жидкости (патент RU 2241975 С2, опубл. 10.12.2004).
Известным устройством свойственны общие недостатки - низкие потребительские свойства.
В качестве прототипа принято устройство по способу измерения вязкости газа по патенту RU 2589454 С1 МПК G01N 11/00, опубл. 10.07.2016 Бюл. №19.
Основным функциональным элементом рассматриваемой конструкции является рабочая емкость с исследуемым газом, которая выполнена в виде капилляра 15. При движении газа по капилляру его внутренняя поверхность обеспечивает появление вязкого трения в газе, что приводит к потерям энергии в этом относительном движении. Двигателем этого относительного движения служит регулируемое поршнем 5 давление газа в емкости 4. Наличие потерь энергии при движении приводит к разности давлений на входе и выходе рабочей емкости. Параметры движения регистрируются средствами измерений: величины давлений - манометрами 7, 21, время - внешним секундомером.
Коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость) определяется расчетом по результатам эксперимента.
Рассмотренному устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам, а именно: ограниченные потребительские свойства, в частности по причине узкого диапазона исходных значений температуры и давления исследуемого газа.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение потребительских свойств установки для определения вязкости газов.
Решаются задачи:
1. Установка должна позволять находить динамическую вязкость газов в широком диапазоне исходных состояний газа по температуре и давлению.
2. Установка должна обладать низкой трудоемкостью изготовления за счет простой и высокотехнологичной конструкции.
3. Обоснование принимаемых технических решений.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в установке для определения вязкости газов, содержащей рабочую емкость с исследуемым газом и имеющая поверхность, создающую вязкое трение, двигатель относительного движения указанных газа и поверхности, средства измерения параметров движения, рабочая емкость выполнена в виде герметичного накопителя исследуемого газа и снабжена зондом в форме плоской тонкостенной пластины и имеющем поверхность, создающую вязкое трение, при этом зонд кинематически связан с двигателем относительного движения, который выполнен на основе физического маятника с системой возбуждения автоколебаний, содержащей схему формирования импульсов привода, при этом отдельные функциональные элементы схемы формирования импульсов привода одновременно являются средствами измерения параметров движения.
Конструкция установки для определения вязкости газов поясняется чертежами:
фиг. 1- общий вид установки;
фиг. 2 - конструкция зонда;
фиг. 3 - вид А по фиг. 1;
фиг. 4 - разрез Б-Б по фиг. 1;
фиг. 5 - схема для расчета угла импульса;
фиг. 6 - форма мембраны;
фиг. 7 - Схема формирования импульсов привода.
Структурно установка для определения вязкости газов состоит из накопителя исследуемого газа, зонда, взаимодействующего с газом, двигателя движения зонда и средств измерения параметров движения.
Все элементы конструкции смонтированы в корпусе 1 коробчатой формы. Имеются верхняя 2 и нижняя 3 плиты, которые соединены стойками 4, 5 с помощью винтов 6.
В верхней части корпуса установлена рабочая емкость 7 в виде накопителя исследуемого газа. Корпус емкости выполнен из материала с низкой теплопроводностью и закреплен на верхней плите 2 винтами 8 через прокладку 9 из термоизоляционного материала. Герметизацияемкости обеспечивается мембраной 10. На диаметральных стенках корпуса емкости закреплены сборки штуцер-кран 11, 12. Сверху на корпусе 7 закреплены датчик 13 температуры, датчик 14 давления и электронагреватель 15.
Для взаимодействия с исследуемым газом предусмотрен зонд 16 (фиг. 2). Зонд выполнен в виде отдельной сборочной единицы и содержит пластину 17 из тонколистового материала, которая заклепкой 18 закреплена в пазу поводка 19. Конец поводка запрессован в отверстии держателя 20 болтообразной формы с шестигранной головкой.
При движении зонда 16 его внешняя поверхность обеспечивает появление вязкого трения в исследуемом газе.
Движение зонда относительно неподвижного газа реализуется двигателем относительного движения. Двигатель построен на основе физического маятника 21. Имеется штанга 22, верхняя часть которой имеет резьбовой хвостовик для соединения с подвесом и шестигранный участок 23 под монтажный ключ. Инерционная масса - линза 24 - выполнена в форме диска и закреплена на штанге.
К линзе винтами 25 присоединена магнитная система устройства возбуждения автоколебаний. Имеются два постоянных магнита 26 осевой намагниченности, которые клеем закреплены на магнитопроводе 27 с образованием магнитного зазора. Магнитопровод выполнен из ленточной заготовки, его один конец сформирован с образованием стрелки (указателя) 28. Стрелка располагается над шкалой 29 амплитуд колебаний, закрепленной на нижней плите 3.
Подвес маятника выполнен на основе осесимметричной гофрированной мембраны 10 (фиг. 6) с центральным отверстием 30. Мембранный узел образует отдельную сборочную единицу. В качестве монтажной основы служит несущая рамка 31. Мембрана винтами 32 по контуру через отверстия 33 посредством накладной рамки 34 зажимается по контуру. Жесткий центр мембраны образован из двух шестигранных втулок 35, 36 с внутренней резьбой, при этом одна втулка имеет резьбовой хвостовик. На этапе сборки осуществляется стяжка втулок через отверстие 30 с использованием хвостовика. Собранный мембранный блок винтами 37 крепится на верхней плите 2. Далее в центральное резьбовое отверстие верхней втулки 35 крепится зонд 16, в резьбовое отверстие нижней втулки 36 - маятник 21.
0
u
При колебаниях ненагруженного маятника возникают потери энергии за счет трения о воздух и гистерезисного трения в мембране. Заметим, что эти потери постоянны (не зависят от нагрузки) при фиксированных собственной частоте и амплитуде колебаний. Для компенсации этих потерь служит система возбуждения автоколебаний. В магнитном зазоре установлена бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 37, одну секцию которой назовем катушкой освобождения W, другую - катушкой привода W. Эти катушки входят в состав схемы формирования импульсов привода (СФИП) - фиг. 7. Для снижения влияния подводимого импульса на период колебаний принято (с учетом требований теоремы Эри)
ст
где φ - стационарная амплитуда колебаний;
λ - угол импульса (фиг. 5)
Катушка 37 размещена в расточке кронштейна 38 и поджата накладкой 39 с винтами 40. На кронштейне 38 методом навесного монтажа смонтированы транзистор VT и конденсатор С. Кронштейн закреплен на нижней плите 3 винтами 41. Монтажные провода СФИП подключены к разъему 42.
При движении маятника по направлению ω (фиг. 5) поле зазора пересекает витки катушки и в них индуцируется ЭДС. ЭДС катушка освобождения в векторной форме
,
где - магнитная индукция в зазоре;
- линейная скорость;
- направление витка.
0
u
ст
ст
Концы катушки W подключены так, что в пределах угла λ возникает положительная полуволна ЭДС. За положением равновесияменяет знак, соответственно возникает отрицательная полуволна ЭДС. Положительная полуволна ЭДС открывает транзистор VT и по обмотке W проходит импульс тока, обеспечивающий подкачку энергии маятнику. Изменяя уровень электропитания E (фиг. 7) добиваются стационарного значения φ амплитуды автоколебаний. Для определенности примем φ=0,2 рад.
После сборки установки объем корпуса 10 с двух сторон закрывается защитными листами 43, которые крепятся винтами 44. Листы 43 удобно изготавливать из прозрачного материала.
Кратко рассмотрим свойства маятника как основы двигателя относительного движения. Свойственная частота колебаний ƒ определяется моментом инерции J и моментом восстанавливающих сил. Опуская полный расчет, примем для определенности в случае массивной линзы 24 в первом приближении
где m - масса линзы;
1
d=0 0 - расстояние от центра отверстия 30 мембраны до центра линзы.
Восстанавливающий момент складывается из двух составляющих
момента сил тяжести. Для малых углов отклонения α
где g - ускорение силы тяжести; и момента мембраны 10
M
где D - изгибная жесткость мембраны в плоскости колебаний (плоскость x-x по фиг. 6)
С учетом выражений (4), (5) получим эквивалентную жесткость
Собственная частота ƒ маятника
,
где ω - циклическая частота;
T - период колебаний.
Потери энергии при колебаниях характеризуются добротностью Q
кол
где Е - колебательная энергия;
пот
Е - энергия потерь за период колебаний.
,
где φ - амплитуда колебаний.
0
Добротность Q определяют экспериментально (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учеб. пособие. - Владимир: изд. Атлас, 2016. - 205 с. ISBN 978-5-903087-53-2). Для этого получают функцию выбега φ=ƒ(t). Применительно к рассматриваемой установке регистрируют импульсы ЭДС е (отрицательную полуволну).
Обратимся к формуле (2). Максимум линейной скорости равен
,
M
где r  - межцентровое смещение магнитов от точки О подвеса.
0
Таким образом е пропорциональна амплитуде
ст
На функции выбега φ=ƒ (t) берут в окрестностях стационарной амплитуды φ два значения
,
и вычисляют значение добротности
1
N
где N - количество периодов Т колебаний при движении от амплитуды φ до амплитуды φ
u
Вместо значения добротности используют также значение интегрального коэффициента трения h
пот
Энергия потерь Е - формула (8) - за период T составит
ист
за это время от источника Ε системы возбуждения автоколебаний передана энергия Е
cp
где I - среднее значение импульсного тока.
ист
Учитывая, что в исходном положении транзистор VT за счет нулевого смещения находится в режиме отсечки, то при больших значениях коэффициента передачи тока β транзистора форма импульсов тока близка к прямоугольной, тогда можно Е найти по другому
m
где I - амплитуда импульса тока;
u
t - длительность импульса.
В соответствии с формулами (15), (16) коэффициент полезного действия привода γ составит
Полученные выше соотношения позволяют выполнить метрологическую аттестацию установки и получить искомый параметр.
ст
0
При метрологической аттестации вакуумируют рабочую камеру, проводят эксперимент и фиксируют основные паспортные параметры: J, D, Т, γ, φ, K, Q, , , . Параметрам, которые будут изменяться при измерении вязкости газа, присвоен верхний индекс 0.
В спецификацию установки входят
источник регулируемого питания Е;
источник питания электронагревателя 15;
вторичные блоки датчика давления 14 и датчика температуры 13;
0
регистратор ЭДС е;
измеритель среднего тока источника Е.
Пользуются установкой для определения вязкости газов следующим образом.
1. Пользуясь штуцер-кранами 11, 12, наполняют рабочую емкость 7 исследуемым газом под нужным давлением. При необходимости электронагревателем 15 изменяют температуру газа.
ст
0
2. Регулировкой уровня электропитания E устанавливают стационарное значение амплитуды φ автоколебаний маятника. Контроль ведут по ЭДС е.
cp
3. Измеряют среднее значение тока I источника Е.
4. По разности () вычисляют
Энергия  равна работе сил вязкого трения в исследуемом газе за один период T колебаний маятника.
5. Вычисляют динамическую вязкость η исследуемого газа
17
2
где L - путь геометрического центра 0 пластины 17 зонда 16 за период колебаний T
17
2
где d расстояние от центра отверстия 30 мембраны до геометрического центра 0 пластины зонда.
Таким образом, предлагаемая установка для определения вязкости газов позволяет проводить измерения вязкости в широких диапазонах исходных давления и температуры. В проектировании установки использован блочный принцип. Установка конструктивно проста и высокотехнологична. Технология измерения не требует высокой квалификации пользователя.