Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости

Использование: в научной практике, нефтяной, химической, автотракторной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности, в медицине. Сущность: способ заключается в том, что тело массой m и плотностью ρ_П приводят в движение в жидкости, причем движение тела осуществляют из фиксированного положения вниз. 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. Технический результат - повышение точности измерения. 1 ил.

 

Способ относится к области измерительной техники и может быть использован для исследования физических и физико-химических свойств жидких сред в научной практике, нефтяной, химической, автотракторной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности, в медицине для контроля и диагностики жидкостей различного назначения.

Известен способ измерения вязкости жидкости (см. патент № 2080584, G 01 N 11/12, 1997 г.), заключающийся в том, что осуществляют разгон шарового зонда радиусом R и плотностью его материала ρ ₃ до обусловленной скорости движения, обеспечивают его свободное всплытие в жидкости по инерции, измерение в момент времени t координаты h, или скорости v, или ускорения dv/dt осуществляют на участке всплытия зонда и определяют постоянную времени Т экспоненты замедленного движения как решения соответствующего уравнения из следующих трех:

где v₀ - значение скорости всплытия зонда в момент времени t₀=0,

h_м - наибольшая высота всплытия зонда;

t_м - время достижения зондом точки траектории всплытия с высотой h_м, вязкость рассчитывают по формуле: η =(R²ρ)/(4,5 T).

Данный способ не позволяет проводить определение плотности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому - способ определения плотности и вязкости жидкостей (см. патент №2084865, G 01 N 11/10, 9/08, 1997 г.), заключающийся в том, что осуществляют разгон шарового зонда радиусом R и плотностью его материала ρ ₃ до обусловленной скорости движения, направленной под углом к горизонту, обеспечивают его свободное всплытие до точки начала погружения без достижения поверхности жидкости с последующим погружением, измеряют времена t_i достижения центром зонда обусловленных высот h_i и времени t_j обусловленных точек горизонтальной составляющей траектории движения l_j, после чего рассчитывают плотность жидкости по формуле:

где ρ _ж - измеряемая плотность жидкости;

v_j - начальное значение горизонтальной составляющей скорости движения зонда на j-м участке горизонтальной составляющей траектории его движения;

v_j+1 - конечное значение горизонтальной составляющей скорости движения зонда на j-м участке горизонтальной составляющей траектории его движения;

v_i - начальное значение вертикальной составляющей скорости всплытия зонда на i-м участке вертикальной составляющей траектории его движения;

и - расчетные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скоростей движения зонда на j-м и i-м участках соответственно;

g - ускорение свободного падения;

и - проходимые зондом горизонтальная и вертикальная составляющие движения зонда;

а вязкость жидкости рассчитывается или из соотношения

или из соотношения

или как среднюю или среднеквадратичную величину по результатам двух расчетов.

Недостатками данного способа являются низкая точность определения вязкости и плотности жидкости из-за того, что зонд обладает конечными размерами и регистрация параметров движения его центра масс осуществляется с точностью до размеров зонда, а также то, что для проведения замеров необходим большой объем жидкости.

Изобретение направлено на повышение точности измерения плотности и вязкости жидкостей.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в приведении в движение в жидкости тела массой m и плотностью ρ _П, движение тела осуществляют из фиксированного положения вниз и измеряют в фазе разгона в момент времени t скорость тела v и далее измеряют скорость v∞ в фазе установившегося равномерного движения, после чего вязкость η и плотность ρ жидкости определяют из соотношений:

где kη - коэффициент, величина которого зависит от конструктивных особенностей движущегося в жидкости тела;

g - ускорение свободного падения.

В предлагаемом способе повышение точности измерения сдвиговой вязкости и плотности достигается тем, что тело массой m и плотностью ρ _П, погруженное в жидкость, из фиксированного положения приводят в движение вниз, которое описывается уравнением динамики поступательного движения в проекции на ось x, совпадающей с вертикалью и направленной вниз:

где mg - сила тяжести;

F_A - сила Архимеда;

Fη - сила вязкого трения;

- ускорение, с которым движется тело.

Где ρ - плотность жидкости;

V - объем тела;

g - ускорение свободного падения.

где η - коэффициент сдвиговой вязкости;

- градиент скорости сдвигаемых слоев;

S - площадь поверхности тела, соприкасающейся со сдвигаемыми слоями жидкости;

δ - толщина слоя жидкости, в пределах которого скорость движения сдвигаемых слоев жидкости изменяется от v до нуля.

Подставим (2) и (3) в (1) и приведем к виду:

где - скорость движения тела.

Обозначим:

Тогда (4) будет представлено:

Так как

Подставим (8) в (7):

Проведем разделение переменных:

Проинтегрировав уравнение (10), получим:

или

Обозначим β с₁=lnc, подставим в (12) и пропотенциируем:

Константу с найдем из начальных условий: при t=0, v=0.

следовательно γ =с. (14)

Подставив (14) в (13), после преобразований будем иметь:

Из уравнения (15) следует, что движение тела в жидкости из фиксированного положения состоит из двух фаз - фазы разгона, характеризуемой экспоненциальным множителем, и фазы установившегося равномерного движения, характеризуемой экспоненциальным множителем, причем по истечении времени t≥ (3-5)/β скорость равномерного движения тела V∞ будет определяться:

С учетом (16) уравнение (15) примет вид:

Отсюда выразим β :

В (18) подставим (5) и выразим коэффициент сдвиговой вязкости η :

Теперь равенство (6) представим следующим образом:

где - плотность движущегося в жидкости тела.

Подставим (18) и (20) в (16) и выразим плотность жидкости:

Из уравнений (19) и (21) следует, что для определения вязкости и плотности требуется только измерение скорости движения тела в жидкости в фазе разгона в известный момент времени и скорости движения тела в фазе установившегося равномерного движения и не требуется измерение параметров, связанных с размерами тела, что повышает точность измерения в отличие от прототипа, в котором определение плотности и вязкости жидкости зависит от размеров зонда. В то время как в прототипе определение плотности ρ и вязкости η осуществляется по результатам измерения времени и соответствующих параметров траектории движения зонда, привязанных к центру зонда, положение которого определяется с точностью до размеров зонда, что и ограничивает точность определения искомых параметров. Таким образом, в предлагаемом способе достигается более высокая точность определения плотности и вязкости жидкостей, чем в прототипе.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор высокой частоты 1, выход которого соединен с пьезопреобразователем 2, находящимся в торце цилиндра 3 с исследуемой жидкостью, в которой находится поршень 4, и выходом акустического блока 5, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6, выход которого связан с портом ввода информации ПЭВМ 7, порт вывода сигнала управления которой связан с цифроаналоговым преобразователем 8, выход которого соединен с блоком питания 9, к которому подсоединен соленоид 10.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. В исходном состоянии поршень 4 в цилиндре 3 с исследуемой жидкостью находится в крайнем нижнем положении. При этом с генератора высокой частоты 1 непрерывные высокочастотные электрические колебания подаются на пьезопреобразователь 2 и преобразуются им в ультразвуковые колебания исследуемой жидкости той же частоты. Образующаяся ультразвуковая волна распространяется в жидкости до торца поршня 4 и отражается в обратном направлении, поступая на пьезопреобразователь 2. В результате между пьезопреобразователем 2 и торцом поршня 4 устанавливается стоячая ультразвуковая волна, а соответствующий ей электрический сигнал поступает на вход акустического блока 5, формирующего низкочастотный сигнал, соответствующий изменению амплитуды входного сигнала. Таким образом, при неизменном положении поршня 4 низкочастотный сигнал на выходе акустического блока 5 отсутствует. При включении блока питания 9 напряжением с цифроаналогового преобразователя 8 по команде от ПЭВМ 7 через соленоид 10 начинает протекать ток, образующееся при этом магнитное поле заставляет двигаться вверх поршень 4, выполненный из ферромагнитного материала, в крайнее верхнее положение. При этом от торца поршня 4 ультразвуковая волна изменяет свою частоту в соответствии с эффектом Доплера и между волной падающей и волной отраженной возникают биения и на выходе акустического блока 5 появляется низкочастотный сигнал, соответствующий огибающей биений с частотой изменения, равной доплеровскому смещению. Этот сигнал оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 6 и информация о нем в цифровой форме передается в ПЭВМ 7. При достижении поршнем 4 крайнего верхнего положения он останавливается и между его торцом и пьезопреобразователем 2 устанавливается стоячая волна. Низкочастотный сигнал на выходе акустического блока 5 прекращается и ПЭВМ 7 выдает команду через цифроаналоговый преобразователь 8 на отключение блока питания 9. Ток через соленоид 10 прекращается, магнитное поле исчезает и поршень 4 начинает свободно двигаться вниз в исследуемой жидкости. При этом будет формироваться доплеровский сигнал на выходе акустического блока 5, который после оцифровки цифроаналоговым преобразователем 6 поступает в ПЭВМ 7, где по соответствующей программе определяется величина доплеровского смещения частоты и соответствующая скорость движения поршня 4 в течение всего времени его движения из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. По определенному в момент времени t значению скорости v движения поршня 4 в фазе разгона и скорости v∞ в фазе установившегося равномерного движения по формулам (19) и (21) по программе в ПЭВМ 7 рассчитываются значения коэффициента сдвиговой вязкости η и плотности ρ исследуемой жидкости.

Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкостей, заключающийся в том, что тело массой m и плотностью ρ_п приводят в движение в жидкости, отличающийся тем, что движение тела осуществляют из фиксированного положения вниз, измеряют в фазе разгона в момент времени t скорость тела v и скорость v∞ в фазе установившегося равномерного движения, а вязкость η и плотность ρ жидкости определяют из соотношений:

где kη - коэффициент, величина которого зависит от конструктивных особенностей движущегося в жидкости тела,

g - ускорение свободного падения.