СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ, ДИНАМИЧЕСКОЙ И КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINATION OF DENSITY, DYNAMIC AND KINEMATIC VISCOSITY

Изобретение может быть использовано в нефтяной, автомобильной, авиационной, машиностроительной отраслях промышленности, где необходимо контролировать плотность и вязкость жидких сред. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью устройства автоматически определяются динамическая и кинематическая вязкость, а также рассчитывается плотность исследуемой жидкости.
Процесс определения показателей качества происходит в следующем порядке. Трубку устройства, с определенными диаметром и длиной канала, погружают в анализируемый продукт, нажатием на кнопку запускают процесс измерения: с помощью компрессора, за счет создаваемого им разрежения, анализируемый продукт закачивается в емкость, по времени заполнения емкости, давлению и параметрам трубки рассчитывается динамическая вязкость продукта. После этого давление сбрасывается, жидкость стекает по трубке из емкости. По времени освобождения емкости определяется кинематическая вязкость жидкости. По значениям динамической и кинематической вязкости рассчитывается плотность продукта.
Техническим результатом изобретения являются упрощение и автоматизация процесса определения плотности, динамической и кинематической вязкости жидкости, а также возможность получения результатов измерений в цифровом виде на дисплее прибора.
Изобретение относится к измерительной технике.
Близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости (Патент РФ №2247357, G01N 9/10, G01N 11/10, 27.02.2005). Сущность изобретения заключается в том, что тело с заданной массой и плотностью приводят в движение в жидкости, причем движение тела осуществляют из фиксированного положения вниз. Затем измеряют скорость тела в заданный момент времени в фазе разгона и в фазе установившегося равномерного движения, по измеренным значениям определяют вязкость и плотность жидкости.
Недостатками аналога являются:
Сложность точного определения скорости тела, границы фаз разгона и установившегося движения;
Сложность автоматизации процесса.
Также близкими по технической сущности и достигаемому результату являются способ измерения плотности и вязкости и устройство для его осуществления (патент РФ №2349897, G01N 11/16, G01N 9/10, 20.03.2009). Способ включает возбуждение непрерывных гармонических колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в измеряемую среду, измерение температуры среды, а также измерение выходного сигнала вибрационного преобразователя с последующим вычислением плотности и вязкости.
Недостатком аналога является сложность изготовления вибрационного преобразователя и подбора коэффициентов для расчета вязкости и плотности.
Еще одним аналогом предлагаемого способа является способ измерения вязкости и плотности жидкости (патент РФ №95105194, G01N 11/00, 10.01.1997). Сущность способа заключается в том, что шаровой зонд с помощью спицы закрепляют на вращающуюся горизонтальную ось, погружают его в жидкость и поворачивают ось на заданный угол разгона в перпендикулярной ей вертикальной плоскости, проходящей через центр зонда, и тем самым поднимают зонд на обусловленную высоту, после чего отпускают его, обеспечивая свободное движение зонда в жидкости, в процессе которого измеряют угол поворота оси при наибольшем всплытии по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через центр оси, после чего закрепляют на оси с помощью дополнительной спицы дополнительный груз, который вместе с дополнительной спицей размещают вне жидкости с расположением дополнительной спицы, в частности, параллельно спице с зондом, затем вновь поворачивают ось на заданный угол разгона по отношению к перпендикулярной оси вертикальной плоскости и обеспечивают всплытие зонда на первоначальную исходную высоту, после чего вновь отпускают его совершать свободное движение в жидкости и вновь измеряют угол поворота оси при наибольшем всплытии по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через центр оси, а измеряемые вязкость и плотность жидкости рассчитывают по соотношению значений углов при первом и втором измерении.
Недостатками аналога являются:
сложность расчета определяемых показателей;
сложность автоматизации процесса.
Прототипом по технической сущности и достигаемому результату являются способ и устройство для определения работоспособности смазочных материалов (патент РФ №2392607, G01N 11/02, 20.06.2010). Сущность изобретения заключается в том, что в измерительной емкости создается разрежение и в нее по трубке поступает исследуемый продукт. После заполнения емкости фиксируется время, прошедшее с начала отбора продукта, по этому времени определяется вязкость. Измерение плотности осуществляется двумя плотномерами с различной плотностью.
Недостатками прототипа являются:
Ограниченность диапазона и низкая точность определения плотности;
Определение динамической вязкости в условных единицах, а не в системе СИ;
Отсутствие возможности определения кинематической вязкости.
Общим недостатком приведенных способов определения вязкости и плотности является необходимость присутствия дополнительного рабочего тела в исследуемой жидкости, что не всегда является возможным, например в замкнутых системах или при небольших объемах жидкости.
Задачей заявленного изобретения является автоматическое определение следующих показателей:
- динамической вязкости;
- кинематической вязкости;
- плотности.
Технический результат от использования изобретения связан с упрощением и автоматизацией определения вязкости и плотности жидкости. Процессы измерения этих показателей полностью автоматизированы и не требуют ручного труда. Изобретение может быть использовано для определения свойств жидкостей в различных областях промышленности, включаю пищевую, химическую, нефтехимическую и другие.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена схема предлагаемого устройства. После включения устройства в измерительную емкость 1 по трубке 2 с помощью создающего разрежение компрессора 3 поступает анализируемый продукт. При достижении продуктом первого датчика уровня 4 включается отсчет времени, при достижении продуктом второго датчика уровня 5 отсчет времени останавливается. На основании измерения времени по формуле Пуазейля рассчитывается динамическая вязкость.
где
R - радиус трубки;
t - время заполнения измерительной емкости;
Δp - перепад давлений на концах трубки;
V - объем емкости;
l - длина трубки.
После этого останавливается компрессор, продукт начинает стекать из измерительной емкости под действием силы тяжести. Как только верхняя отметка достигнет датчика уровня 5, повторно включается таймер, который продолжает отсчет до достижения продуктом датчика уровня 4. По полученному времени, с использованием предварительно определенной для устройства постоянной вискозиметра, вычисляется значение кинематической вязкости.
K
η=c·t
где
c - постоянная вискозиметра;
t - время истечения продукта.
Плотность исследуемого продукта находится из отношения динамической вязкости к кинематической.
Д
К
ρ=η/η
Управление компрессором, датчиками, таймером, а также расчет значений показателей осуществляются с помощью вычислительного блока 6.
При необходимости определения вязкости и плотности при температурах, отличных от температуры окружающей среды, используется термостатирующий кожух 7.
Преимуществом данного способа является одновременное измерение трех показателей качества масла, для измерения которых обычно используется различное оборудование. В результате сокращаются затраты времени и материалов на подготовку пробы, очистку оборудования и другие вспомогательные действия (особенно при анализе жидкости из картера техники). Также для проведения анализа требуется меньший объем пробы продукта.
Преимуществом данного способа по сравнению с прототипом является то, что значения показателей определяются не в условных единицах, а в соответствии с международной системой единиц СИ.
Еще одним преимуществом предлагаемого способа является отсутствие необходимости в дополнительном рабочем теле, что позволяет уменьшить объем пробы продукта.
Принцип измерения кинематической вязкости аналогичен принципу, заложенному в стандартный способ определения кинематической вязкости по ГОСТ 33-2000. Принцип измерения динамической вязкости основан непосредственно на законе Пуазейля. Плотность рассчитывается автоматически после определения динамической и кинематической вязкости.
Перечень фигур. На фиг. 1 представлена схема устройства.
Рассмотрим конкретные случаи.
Пример 1. Определение плотности, динамической и кинематической вязкости свежего моторного масла Castrol Edge SAE 5W30. Температура в лаборатории +20°C. Под трубку устройства (диаметром 1,5 мм и длиной 525 мм) поместили мерный цилиндр с 40 мл масла Castrol, затем запустили компрессор, создающий относительное разрежение -61 кПа. Масло начало поступать по трубке и через 4 минуты 39 секунд (279 c) полностью перекачалось в измерительную емкость.
По формуле Пуазейля рассчитали динамическую вязкость:
Д
4
4
η=(π∗R∗t∗Δp)/(8∗1∗V)=3,1416∗0,00075∗279∗61000/8∗0,525∗0,00004=0,10070 Па·с.
-8
Затем отключили компрессор и оставили масло стекать из измерительной емкости в мерный цилиндр. Время стекания 40 мл масла составило 1 час 1 минуту (3660 с). Постоянная вискозиметра для данной трубки - 3,23·10.
Рассчитали кинематическую вязкость:
K
-8
2
η=3,23·10∗3660=118,22 мм/с (сСт).
Отсюда плотность:
-6
3
ρ=0,10070/(118,22∗10)=851,8 кг/м при температуре +20°C.
Пример 2. Определение плотности, динамической и кинематической вязкостей свежего моторного масла Shell Helix Plus SAE 10W40. Температура в лаборатории - +20°C. Под трубку устройства (диаметром 1,5 мм и длиной 525 мм) поместили мерный цилиндр с 40 мл масла Shell Helix Plus, затем запустили компрессор, создающий относительное разрежение -61 кПа. Масло начало поступать по трубке и через 6 минут 2 секунды (362 с) полностью перекачалось в измерительную емкость.
По формуле Пуазейля рассчитали динамическую вязкость:
Д
4
4
η=(π∗R∗t∗Δp)/(8∗1∗V)=3,1416∗0,00075∗362∗61000/8∗0,525∗0,00004=0,13065 Па·с.
-8
Затем отключили компрессор и оставили масло стекать из измерительной емкости в мерный цилиндр. Время стекания 40 мл масла составило 1 час 18 минут 20 секунд (4700 с). Постоянная вискозиметра для данной трубки - 3,23·10.
Рассчитали кинематическую вязкость:
К
-8
2
η=3,23·10∗4700=151,81 мм/с (сСт).
Отсюда плотность:
-6
3
ρ=0,13065/(151,81∗10)=860,6 кг/м при температуре +20°C.
Пример 3. Определение плотности, динамической и кинематической вязкости свежего моторного масла Castrol Edge SAE 5W30 при пониженной температуре. Температура в холодильнике - -20°C. Под трубку устройства (диаметром 1,5 мм и длиной 105 мм) поместили мерный цилиндр с 20 мл масла Castrol, затем запустили компрессор, создающий относительное разрежение -64 кПа. Масло начало поступать по трубке и через 13 минут 35 секунд (815 с) полностью перекачалось в измерительную емкость.
По формуле Пуазейля рассчитали динамическую вязкость:
Д
4
4
η=(π∗R∗t∗Δp)/(8∗1∗V)=3,1416∗0,00075∗815∗64000/8∗0,105∗0,00002=3,08620 Па·с.
-7
Затем отключили компрессор и оставили масло стекать из измерительной емкости в мерный цилиндр. Время стекания 20 мл масла составило 6 часов 1 минуту (21660 с). Постоянная вискозиметра для данной трубки - 1,62·10.
Рассчитали кинематическую вязкость:
К
-7
2
η=1,62·10∗21660=3508,92 мм/с (сСт).
Отсюда плотность:
-6
3
ρ=3,08620/(3508,92∗10)=879,5 кг/м при температуре -20°C.
Литература
Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости: патент РФ №2247357. Заявка №2003132716/28; заявл. 10.11.2003; опубл. 27.02.2005.
Способ измерения плотности и вязкости и устройство для его осуществления: патент РФ №2349897. Заявка №2006122188/28; заявл. 21.06.2006; опубл. 20.03.2009.
Способ измерения вязкости и плотности жидкости: патент РФ №95105194. Заявка №95105194/25; заявл. 10.04.1995; опубл. 10.01.1997.
Способ и устройство для определения работоспособности смазочных материалов: патент РФ №2392607. Заявка №2009103737; заявл. 04.02.2009; опубл. 20.06.2010.