УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ

Данная полезная модель представляет собой устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред. Устройство относится к точному приборостроению и может быть использовано для определения плотности и вязкости жидких сред в научных исследованиях, здравоохранении и различных отраслях промышленности.
В ходе выполнения ряда исследовательских работ возникает необходимость в измерении кинематической вязкости малых объемов жидкости с достаточно высокой точностью. По определению, кинематической вязкостью жидкости называется отношение вязкости динамической (обычной) к плотности жидкости. Таким образом, для решения таких задач необходимо устройство, способное измерять динамическую вязкость и плотность.
Известны устройства для измерения плотности и вязкости с помощью погружных зондов, в которых возбуждают гармонические колебания на резонансной частоте зонда. Способ включает возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение вязкости и плотности расчетным путем. В качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную U-образную скобу с поплавком, укрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах. Амплитуду колебаний определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров. Устройство содержит помещенный в исследуемую жидкость вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, и блоки регистрации и индикации. Вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной U-образной скобы с поплавком, укрепленным на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего эластичного материала, а оболочка - из упругого эластичного материала [1].
п
∞
Известны устройства для определения плотности и вязкости с помощью измерения скорости разгона и торможения тела в исследуемой жидкости. В патенте РФ №2247357, для измерения плотности и вязкости тело массой m и плотностью ρприводят в движение в жидкости, измеряют в фазе разгона в момент времени t скорость тела v и скорость v в фазе установившегося равномерного движения, по измеренным значениям определяют вязкость и плотность жидкости [2].
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2082153 которое содержит зонд, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда, узел возврата зонда в исходное положение и вычислительный блок. Вход вычислительного блока соединен с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда. Выход вычислительного блока соединен с входом угла разгона зонда [3].
К общему недостатку устройств использующих погружные зонды относится то, что такие устройства не позволяют измерить значения плотности и вязкости жидкостей имеющихся в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Кроме того, такие устройства требуют дополнительного приборов для термостатирования используемых образцов с точностью не хуже сотых градуса. Отсутствие термостотирования будет приводить к значительным погрешностям измерения плотности и, особенно, вязкости жидкости.
Известны устройства, сочетающие в себе возможность измерения плотности и вязкости за счет дополнительного вращения трубки с исследуемым образцом и измерения поперечных и вращательных колебаний. Патент Великобритании №GB 2456034, относится к устройству измерения плотности и/или вязкости стационарной или движущейся жидкости. Устройство обеспечивает возможность измерения резонансной частоты поперечных колебаний трубы для определения плотности, и также обеспечивает возможность измерения затухания вращательных колебаний трубы для определения вязкости жидкости в трубе. С этой целью на трубе закреплен возбудитель колебаний, который выполнен с возможностью передавать поперечные и/или вращательные колебания к трубе [4]. Устройства данного типа разработаны для работы в скважинах не позволяют измерить значения плотности и вязкости образца в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Модификация данного технического решения реализована в вискозиметре Штабингера SVM3000 (фирма Anton Paar) [5]. Однако, этот прибор требует замены измерительного блока прибора при измерении плотности. Минимальный рабочий объем вискозиметра составляет 1,5 мл, а для измерения плотности требуется 3 мл образца.
Известны устройства, которые могут работать с малыми объемами исследуемой жидкости, например для измерения плотности. Известен патент Австрии №АТ 399051, в котором кроме основного, используют дополнительный референсный вибратор. Вибраторы выполнены из стеклянных трубок и установлены в термостатирующую ячейку [6]. В данном устройстве можно измерять только плотность с объемом образца не менее 1 мл.
Наиболее близкий аналог, по принципу измерения параметров, приведен в патенте США №4838084, в котором определение плотности образца осуществляется путем измерения резонансных частот трубки с помощью магнитных датчиков. Для измерения в этом приборе требуется около одного кубического сантиметра образца. Трубку с образцом устанавливают в термостат, что позволяет выполнить измерения плотности с достаточной точностью [7]. Однако данное устройство не предназначено для измерения двух параметров - вязкости и плотности.
Технической задачей является разработка устройства, в котором используют небольшой объем исследуемого образца с сохранением высокой точности и воспроизводимости измерения динамической и кинематической вязкости малых образцов жидкости, а также их плотности.
Другой технической задачей является расширение арсенала устройств используемых для реологических методов.
Указанные технические задачи реализуются в конструкции устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей, которое содержит внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока. При этом устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера, вход которой связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру. Кроме того узел заправки обеспечивает возможность установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси при измерении параметра вязкости. Измерительная камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл. Датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье.
Полезная модель поясняется следующими фигурами:
Фиг.1. Схема устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей.
Фиг.2. Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей.
Фиг.3 Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей.
Фиг. 4 Зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C. Значение плотности измерено для следующих жидкостей: А - 1 M KCl в воде, Б - 0.3 M KCl в воде, В - дистилированая вода, Г - метанол, Д - Декан, Ε - гексан, Ж - воздух.
Фиг. 5 Зависимость динамической вязкости жидкостей от амплитуды сигнала с датчика Холла при температуре 20°C. Значение вязкости измерено для следующих жидкостей: А - значение вязкости 40% глицерина; Б - значение вязкости 20% глицерина; В - значение вязкости 10% глицерина; Г - вода; Д - декан; Е - гексан.
Описание устройства
Предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять измерение вязкости и плотности жидкости в рамках единой термостатированной измерительной камеры объемом 0,5 мл., в диапазоне температур от -10 до 150°C. Исследуемая жидкость заправляется в упругий капилляр, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Собственная частота колебаний капилляра и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости. Для увеличения влияния вязкости на добротность механической системы внутрь капилляра вводится дополнительный стержень, препятствующий движению жидкости в процессе колебаний.
Вышеуказанный принцип измерения реализован следующим образом. Устройство состоит из измерительного узла и электронного блока. Блок-схема устройства представлена на фиг. 1. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 5 - усилитель напряжения, 6 - блок управления термостатом, 7 - обмотка электромагнита, 8 - схема автоматической регулировки усиления - АРУ, 9 - узел установки избыточного давления.
В электронный блок входят: усилитель напряжения 5, схема АРУ 8, блок управления термостатом 6. Электронный блок обеспечивает непрерывные колебания камеры, регистрацию, усиление и преобразование выходных сигналов, снимаемых с датчиков, расположенным в измерительном узле, а также задание и поддержание температуры термостатирующего устройства.
Измерительные узлы в режимах измерения плотности и вязкости представлены на фиг. 2 и фиг. 3, соответственно. Различие между этими двумя конструкциями измерительного узла состоят в том, что для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры с изучаемым раствором вводится игла 20, препятствующая движению жидкости внутри камеры при ее механических колебаниях. Иглу 20 помещают внутрь камеры 3 вдоль ее продольной оси и фиксируют в верхней части узла заправки 12. Фиксацию иглы осуществляют с помощью переходника, который устанавливает иглу в одно и тоже фиксированное положение по отношению к объему камеры. Фиксацию осуществляют за счет дополнительного фиксатора установленного на переходнике, который фиксирует положение иглы в вертикальном положении и ограничивает поворот иглы вокруг ее оси.
Исследуемую жидкость заправляют в камеру 3, выполненную в виде упругого капилляра, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Связь механической и электрической системы осуществляется через элементы системы включающей: электромагнит 7, расположенный на корпусе 2 измерительного узла, постоянный магнит 4, приклеенный к основанию камеры 3 и датчик Холла 1 (датчик напряженности магнитного поля), через который осуществляется обратная связь между механической и электрической частями системы. Период колебаний камеры 3 и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости.
Кроме того, в измерительный узел входит узел заправки 12 для ввода исследуемой жидкости (см. фиг. 2, 3). Узел заправки сопряжен с камерой 3, которая жестко закреплена в держателе 14. Камера 3 представляет собой капилляр имеющий объем не более 0.5 мл с толщиной стенки камеры от 0,1 до 0,2 мм. Предпочтительно 0,1 мм. Камера 3 может быть изготовлена из упругого металла инертного к измеряемым образцам или из стекла. В частности для изготовления капилляра может быть использована нержавеющая сталь. Вдоль камеры 3 расположен корпус внутреннего термостата 19. К нижней торцевой части камеры 3 прикреплен постоянный магнит 4, вдоль центральной оси которого, с одной стороны, размещен датчик Холла 1, а с другой стороны электромагнит 7. Под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье 17, предназначенный для охлаждения термостата. В корпусе внешнего термостата 2 расположен также датчик температуры (на фигурах не показан), сигнал с которого поступает на вход блока управления термостатом 6 (фиг. 1), с выхода которого сигнал поступает на нагреватели корпуса внешнего термостата 2, нагреватели корпуса внутреннего термостата 19 и элемент Пельтье 17. Выходы электромагнита 7 (см. фиг. 2 и 3), датчика Холла 1, датчика температуры и термобатареи выведены на разъем 16, через который сигналы поступают в электронный блок. В электронном блоке регистрируемый сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 5 (фиг. 1), выходной сигнал с которого последовательно подается через схему АРУ 8 на аналого-цифровой преобразователь и далее на вход компьютера. Электромагнит 7 подключен к выходу схемы АРУ 8.
Температура исследуемой жидкости задается с помощью корпуса термостата 2, корпуса внутреннего термостата 19 и элемента Пельтье 17. Камера 3 и термостат помещены в полностью герметичный корпус 2, что положительно сказывается на точности измерения и поддержания температуры исследуемой жидкости. Управление температурой термостата осуществляется блоком управления термостатом 6 (фиг. 1).
При работе в области высоких температур в полость рабочей камеры 3 через канал 18 узла установки избыточного давления 9 подают давление для исключения образования пузырьков воздуха в исследуемой жидкости.
Пример 1. Измерение плотности жидкостей.
Перед измерениями в любом режиме камеру 3 полностью заполняют исследуемой жидкостью через верхнее отверстие узла заправки 12, предварительно сняв пробку 11 и шайбу 10. Камеру заполняют с помощью шприца с длинной полой иглой.
Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей показана на фиг. 2. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата.
Измеряемой величиной в режиме определения плотности является период собственных колебаний электромеханической системы с камерой 3, заполненной исследуемой жидкостью. Камера 3 при помощи электромагнита 7, датчика Холла 1 и усилителя постоянного тока 5 с системой АРУ 8 совершает колебания на частоте собственного резонанса.
3
Перед измерением проводят калибровку устройства по образцам с известными значениями плотности. Диапазон измерения плотности от 0 до 3 г/см.
2
3
Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: ρ=33.055-9.2797T+0.6513T, где, ρ - плотность жидкости г/см. T - период колебаний камеры представленный в миллисекундах. На фиг. 4 приведена зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C.
Пример 2. Измерение вязкости жидкостей.
Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей показана на фиг.3. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата, 20 игла.
Для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры 3 вводится игла 20, выполненная для создания препятствия движению жидкости внутри камеры 3 в процессе ее колебаний. Внешний диаметр иглы составляет 0,9 мм. Игла 20 может быть изготовлена из металла, инертного к измеряемым образцам или из стекла и выполнена цельной или полой.
После заполнения камеры исследуемой жидкостью, в верхнее отверстие измерительной камеры вставляется игла 20. Поскольку усилитель 5 генератора обеспечен системой АРУ, напряжение на электромагните 7 поддерживается постоянным, а напряжение на датчике Холла 1 будет тем меньше, чем меньше добротность системы и, следовательно, чем больше вязкость.
2
Вязкость исследуемой жидкости определяется из калибровочного графика как функция добротности камеры заполненной исследуемой жидкостью. Для получения калибровочных точек использовались справочные данные по вязкости водных растворов глицерина с концентрациями 40%, 20%, 10%, воды, декана и гексана. На фиг.5 приведена зависимость динамической вязкости от амплитуды измеряемого сигнала (напряжения на датчике Холла 1) при температуре 20 град. С. Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: η=3.66-0.405 U+0.0121 U, где, η - вязкость в сантипуазах, a U - напряжение на выходе датчика Холла в милливольтах. Диапазон измерения вязкости составляет от 0.2 до 30 сантипуаз.
Предложенная полезная модель для измерения плотности и измерения вязкости промышленно воспроизводима. Устройство позволяет работать с малым количеством исследуемого вещества и обеспечивать высокую воспроизводимость за счет термостатирования с высокой точностью.
Литература:
1 Онищенко A.M. Способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU 2069848 (27.11.1996).
2. Тетерин Е.П. и др. Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости. Патент РФ №2247357 (27.02.2005).
3. В.П. Подживотов и др. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости Патент РФ №2082153 (20.06.1997).
4. W.M. Cowsar et all. Using transverse and torsional oscillations of a pipe to determine fluid density and viscosity №GB2456034 (2010-07-14).
5. Вискозиметр Штабингера SVM3000 (Anton Paar) http://granate.ru/svm3000.html
6. Hans L. et al. Vorrichtung zur bestimmung der dichte von flussigkeiten und gasen aus der periodendauer einnes mit einem preparat gefullten messschwingers. AT patent №AT 399051 (27.03.1995).
7. Hans L. et al. Density measuring instrument. US patent №4838084 (13.06.1989)