Устройство для измерения вязкости жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к капиллярным вискозиметрам свободного истечения. Цель изобретения - повышение точности измерения . Устройство для измерения вязкости содержит измерительный сосуд с капиллярной трубкой, блок измерения времени истечения, узел отмеривания заданного объема с источником и приемником акустических колебаний, причем узел отмеривания заданного объема представляет собой акустической резонансный цилиндр, выполненный в видетрубки, в верхней части которой размещены источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, выход которого через детектор и интегратор подключен-к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через мультиплексорк входам ключей электронного хронометра. 1 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 11/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4770831/25 (22) 13.11.89 (46) 29.02.92. Бюл. N. 8 (71) Алма-Атинское специальное конструкторско-технологическое бюро нестандартизированных радиоизотопных и других средств автоматизированных систем управления технологическими процессами легкой промышленности (75) Л.А. Басин и В.С. Климчук (53) 532.137(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1038832, кл. 6 01 N 11/08, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 1126839, кл. G 01 N 11/08, 1982, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к капиллярным вискозиметрам свободного истечения. Цель

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к капиллярным asтоматическим вискозиметрам свободного истечения.

Принцип действия таких вискозиметров основан на законе Пуазейля

4. тго ghP

128 Vo! где р- динамическая вязкость жидкости;

d — диаметр. капилляра;

l — длина капилляра;

g — ускорение силы тяжести;

hP — перепад давления между концами трубки;

t — время истечения через капилляр заданного объема жидкости 14. изооретения — повышение точности измерения. Устройство для измерения вязкости содержит измерительный сосуд с капиллярной трубкой, блок измерения времени истечения, узел отмеривания заданного объема с источником и приемником акустических колебаний, причем узел отмеривания заданного объема представляет собой акустической резонансный цилиндр, выполненный в видетрубки, в верхней части которой размещены источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, выход которого через детектор и интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного 3 напряжения, а выход через мультиплексорк входам ключей электронного хронометра.

1 ил. t ей

При постоянной геометрии измерений . максимальная относительная погрешность

Лр, р измерения вязкости определяется выражением

° с

Wh i Ч. h - Ch) ,и V„t . СО где ЛЧ0 — погрешность отмеривания V,, Ч, )

Ш.— погрешность ивмерения вРемени истечения Vo, Так как известные технические средства позволяют измерять время истечения жидкости с очень высокой точностью, то относительная погрешность измерения вязкости с помощью вискозиметров свободного истечения в основном определяется относительной погрешностью отмеривания заданного обьема Ч0 контролируемой жидкости.

1716389

Известно устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд для исследуемой жидкости с капиллярной трубкой в днище, электродные датчики верхнего и нижнего уровня жидкости в сосуде, подключенные к блоку измерения времени истечения заданного объема, Недостатком известного устройства является ограниченность его применения— оно может быть использовано для измерения вязкости только электропроводящих жидкостей, тогда как для широкого круга диэлектрических жидкостей (лаки, краски, клеи, нефтепродукты и др,) вязкость является одним из важнейших технологических параметров, подлежащих контролю.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд с капиллярной трубкой в днище, блок измерения времени истечения заданного обьема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объема жидкости, включающий в себя источник и приемник акустических колебаний.

B известном устройстве измерительный сосуд выполнен в виде пустотелого сдвоенного камертона, в котором с помощью источника акустических колебаний возбуждаются колебания на резонансной частоте, детектируемые приемником акустических колебаний, а время истечения заданного объема V жидкости определяется как время изменения частоты f колебаний камертона от одного фиксированного значения частоты f1 до другого фиксированного значения fg.

Частота f свободных колебаний камертона определяется зависимостью

f =А»- — — — —, (2)

1 где А — коэффициент, зависящей от формы колебаний, жесткости и податливости изгибов ветвей сдвоенного камертона, длины его колеблющихся ветвей, модуля упругости материала трубки камертона, момента инерции поперечного сечения ветви камертона относительно его оси; .m< — масса камертона;

mw — масса заполняющей его жидкости.

Основным недостатком известного устройства является то, что оно фактически измеряет не время истечения заданного объема контролируемой жидкости, а ее мас-. су m.

По формуле (2) имеем ъ%» + m1

А, (3)

»2 (4) где m1 и гп2 — масса жидкости, находящейся в камертоне в моменты начала и окончания измерения времени истечения соответственно.

5 Поскольку пц = m1 — m(m — масса жидкости, время истеченйя которой контролируется), то, решая систему уравнений (3) — (4) относительно m, получим

m = (m + гп1)(1 — — ). т1

6 (5)

Из выражения (3) имеем

А2 як+ m1 = —

ff

Подставляя последнее выражение в формулу (5), получим

m-=A (— — — )

2 1 1 (6)

Иэ выражения (6) видно, что измеряя время, в течение которого частота камертона измеряется от значения f1 до f2, с высокой точностью отмеривается масса m контролируемой жидкости. При постоянной отмеренной массе mo контролируемой жидкости ее объема Ч равен

П1

V=—

Р а погрешность М отмеривания заданного объема Чо равна

Жl= — -V

= — о

Из последнего выражения видно, что й/

35 0 только при одном значении flltoTHQGT р =,оо = контролируемой жидкости. Величина погрешности ЛЧ тем больше, чем больше отличается плотность р контролируемой жидкости отр,(независимо от того. связано

40 ли это изменение плотности жидкости с изменением ее состава или температуры).

Цель изобретения — повышение точно-. сти измерения путем исключения погрешности, связанной с погрешностью

45 отмеривания заданного объема жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения вязкости жидкости, содержащем измерительный сосуд с капиллярной трубкой в днище, блок измерения времени истечения заданного объема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объема жидкости, включающий в себя источник и приемник акустических колебаний, узел отмеривания

55 заданного объема жидкости представляет собой акустический резонансный цилиндр, .выполненный в виде трубки, размещенной внутри измерительного сосуда так, что ее ось перпендикулярна поверхности жидкости, причем в верхней части трубки разме1716389 щены источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, выход которого через детектор и интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход компаратора через мультиплексор соединен с управляющими входами ключей пуска и останова электронного хронометра.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность и измерения вязкости как проводящих, так и диэлектрических жидкостей, На чертеже схематично показано предлагаемое устройство для определения вязкости жидкости.

Устройство содержит генератор 1 переменного напряжения, источник 2 акустических колебаний, приемник 3 акустических колебаний, резонансный цилиндр, выполненный в виде трубки 4, измерительный сосуд 5, капиллярную трубку 6, детектор 7, интегратор 8, компаратор 9, источник 10 опорного напряжения, мультиплексор 11, ключи 12, 13, электронный хронометр 14.

Частота генератора 1 устанавливается такой, чтобы длина волны Л звуковых колебаний, излучаемых источником 2 в направлении оси трубки, удовлетворяла условию

Лч, 2 8 где S — сечение измерительного сосуда.

Длина трубки 4, в которой расположен источник 2 колебаний до ее нижнего среза пЛ от плоскости, равна 2, гдеЛ-длина волны звуковых колебаний, возбуждаемых источником 2 (и = 2, 3, 4, ...,). Трубка 4 размещена внутри измерительного сосуда 5 так, что ее ось вертикальна, а расстояние между плоскостью, в которой расположен источник 2 акустических колебаний, и плоскостью максимального уровня жидкости в измерительл х ном сосуде 5 равно > —.З

Устройство для измерения вязкости жидкости работает следующим образом-.

Измерительный сосуд 5 заполняется контролируемой жидкостью. Жидкость из сосуда 5 вытекает через капиллярную трубку 6, в результате уровень жидкости в сосуде

5 понижается, В те моменты, когда расстояние 1 между плоскостью, в которой расположен истоЧник 2 акустических колебаний, и плоскостью, в которой находится уровень л

- жидкости, равно длине полуволны g в воздушном столбе, ограниченном внутренними

55

V л=где V скорость звука в воздухе.

Скорость V звука в воздухе хотя и незначительно, но зависит от температуры V =. Vp"

«(1 + а (т — т,Д, где а — скорость звука в воздухе при температуре о.

v — скорость звука в воздухе при температуре т; и = 1,8 10 град "— постоянный коэффициент, 10

45 стенками трубки 4, образуется стоячая вол" на (резонанс). Явление резонанса возникает каждый раз, когда в результате пони>кения уровня жидкости в измерительном сосуде выполняется условие

I =rtÀ /2.

Таким образом, проме>куток времени t между моментами появления двух следующих один за другим резонансов точно соотD8TcTB)åT времени понижения уровня жидкости в измерительном сосуде на велил чину -,", т.е. времени истечения заданного объема Vp жидкости.

Акустические колебания столба воздуха в трубке 4 регистрируются приемником 3. В момент резонанса амплитуда колебаний резко возрастает, в результате чего напряжение на входе компаратора 9, к которому через детектор 7 и интегратор 8 подключен приемник 3 акустических колебаний, становится больше опорного. На выходе компаратора 9 появляется сигнал, который направляется мультиплексором 11 на управляющий вход соответствующего ключа

12 и 13.

Если длина трубки 4 or плоскости, в. которой расположен источник 2 колебания, до ее ни>кнего среза равна ), то управляющий вход ключа 12 подключен к первому выходу мультиплексора 11, а управляющий вход ключа 13 — к второму его выходу. При таком включении сигнал на выходе компаратора 9, соответству:ащий первому поя влению резонанса, запускает электронный хронометр 14, а сигнал, соответствующий появлению второго резонанса, останавливает его.

Погрешность определения вязкости контролируемой жидкости с помощью предложенного устройства определяется стабильностьюю длины Я Bол ны звуковых колебаний, возбуждаемых в воздушном столбе внутри трубки 4. Длина Л волны этих колебаний связана с частотой f колебаний напряжения на выходе генератора 1 соотношением

1716389

Поэтому предложенное устройство (чаСтота f генератора 1 стабилизирована) обеспечивает высокую точность измерений вязкости, если температура контролируемых жидкостей изменяется в сравнительно 5 небольшом диапазоне (t = to t (5-10 ) С}.

С целью дальнейшего повышения точности при одновременном расширении температурного диапазона контролируемых

Жидкостей s цепь управления частотой f re- 10 нератора 1 включен терморезистор, расположенный внутри трубки 4 непосредственно под источником 3 звуковых колебаний. При этом параметры RC цепи генератора 1 выбраны таким образом, 15 чтобы изменение температуры воздуха приводило к изменению частоты колебаний напряжения на выходе генератора 1 по закону

f=fo (1+а (t — to) ), где fo — частота колебаний напряжения на 20 выходе генератора 1 при температуре to воздуха в трубке 4; . f — то же, при температуре t воздуха в трубке 4; а= 1,8 10 град — постоянный коэффи- 25

-з циент.

Благодаря этому осуществляется стабилизация длины Л волны звуковых колебаний воздуха внутри трубки 4, т,е. о(1+а < — 4 ) о

В данном устройстве для того, чтобы измерить время истечения заданного объема Vo жидкости, достаточно измерить время изменения высоты I воздушного столба 35 внутри акустической трубки на величину

Ь! о, определяемую из условия Vo

b,|o =Ьho =—

Я с где S — сечение измерительного сосуда.

Если частота f генератора переменного напряжения, к которому подключен источник акустических колебаний, удовлетворяет условию

V 45

2221о где V — скорость звука в воздухе, то в столбе воздуха внутри акустической трубки образуется стоячая волна (резонанс) каждый раз, когда по мере истечения жид- 50 кости расстояние от источника акустических колебаний до поверхности жидкости удовлетворяет условию 16 4-. 2, .

n V

При резонансе интенсивность акустических колебаний резко возрастает, что позволяет электронной схеме устройства. с высокой точностью зафиксировать момент возникновения резонанса. Таким образом, время, измеренное между моментами возникновения двух следующих один за другим резонансов, точно соответствует времени понижения уровня жидкости в сосуде на величину b,lo, что соответствует времени истечения заданного объема Vo жидкости

Vo=Sb 4--S — .

2f (Ч

Скорость V звука в воздухе зависит от температуры по закону

v = Vo f 1 + а(т — о) ), (8) где Vo — скорость звука при температуре воздуха t; а — постоянный коэффициент.

Для того, чтобы исключить влияние температуры воздуха на точность отмеривания заданного объема Vo жидкости, в предлагаемом устройстве внутри акустического цилиндра помещен терморезистор, включенный в цепь управления частотой f генератора переменного напряжения так, чтобы выполнялось условие

f = fp (1+а (t — to) ); где fo- частота генератора при температуре воздуха в акустическом цилиндре, равной то

Подставляя формулы (4) и (5) в формулу (3), получим

Vo

2 fo

Поскольку S u V o"êîíñòàíòû, то относительная погрешность (отмеривания заданного объема жидкости Vo определяется относительной погрешностью Bfo стабилизации частоты, т.е. дно =-Bfo, Современные технические средстваобеспечивают относительную стабильность частоты генератора порядка 10 и выше, что в предлагаемом устройстве позволяет сделать относительную погрешность отмеривания заданного объема Vo жидкости пренебрежимо малой, Таким образом, в предлагаемом устройстве относительная погрешность д д измерения вязкости практически определяется относительной погрешностью д г измерения времени т истечения, т.е. д = д . (9)

Сравнение выражений (2) и (6) показывает, что устройство позволяет обеспечить более высокую точность измерений, если приемник и источник акустических колеба.ний размещены внутри трубки на расстоянии 0,5-0,6h от верхней кромки измерительного сосуда, а величина h определяется из соотношения

Vo

h - =—

Я с

1716389

10 где S — сечение измерительного сосуда;

Vo —, заданный объем жидкости.

Использование изобретения позволяет с высокой точностью производить измере-. ние вязкости любых жидкостей в широком диапазоне температур независимо от изменений плотности контролируемых жидкостей.

Формула изобретения

Устройство для измерения вязкости жидкости, содержащее измерительный сосуд с капиллярной трубой в днище, блок измерения времени истечения заданного объема жидкости через капилляр и узел отмеривания заданного объема жидкости,: включающий в себя источник акустических колебаний, подключенный к выходу генератора переменного напряжения, и приемник акустических колебаний, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерений,. узел отмеривания заданного объема жидкости представляет собой аку-. стический цилиндр, выполненный в виде трубки, размещенной внутри измерительно--го сосуда, причем приемник и источник акустических колебаний размещены внутри трубки на расстоянии 0,25-0.35h от верхней

5 кромки.измерительного сосуда, а величина

h определяется иэ соотношения

Чо

h=—

S где S — сечение измерительного сосуда;

10 Чо — заданный объем жидкости, при этом выход приемника акустических колебаний через детектор и интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источни15 ку опорного напряжения, а выход компаратора связан с входом мультиплексора, первый и второй выходы которого подключены к входам ключей пуска и останова соответственно. причем выходы упомянутых

20 ключей подсоединены соответственно к первому и второму входам электронного хронометра.