Способ определения вязкости жидкой среды и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы в системах контроля и управления технологическими процессами при работе с жидкими средами. Технический результат: обеспечение известным техническим решениям более высоких потребительских свойств путем минимизации или исключения влияния плотности измеряемой среды и повышение точности измерения вязкости исследуемой жидкости. Сущность: измерение времени прохождения фиксированного расстояния в жидкой среде поплавком полного погружения по вертикали вниз t₁ и вверх t₂, где является мерой вязкости жидкой среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения физико-химических характеристик жидких сред и может быть использовано для измерения вязкости жидких сред, например нефти и нефтепродуктов.

Известны способы измерения вязкости, основанные на измерении параметров колебательного движения чувствительного элемента, погружаемого в исследуемую среду [1-3].

Недостатком указанных способов является снижение чувствительности измерений при измерении вязкости измеряемой среды [1, 2], а также сложность реализации способа [3].

Известен также способ измерения вязкости по временным характеристикам падающего в жидкости шарика и устройства, реализующие этот способ [4-7]. Общим для всех указанных устройств (с теми или иными конструктивными особенностями) является свободное падение шарика в измерительной жидкости, а время падения шарика является одной из характеристик, по которой судят о вязкости жидкости.

Недостатком способа и реализующих его устройств является неравномерность движения шарика при падении (особенно на начальном участке движения), что в свою очередь вносит определенные трудности при вычислении вязкости и, соответственно, погрешности ее измерения.

В [7] предложен способ определения вязкости жидкости по величине электрического тока в соленоиде, магнитное поле которого поднимает ферромагнитный шарик на высоту, с которой шарик падает в исследуемой жидкости при отсутствии тока в соленоиде. Измеряемая вязкость жидкости есть функция тока соленоида, при котором время τ₁ подъема шарика под действием магнитного поля соленоида равно времени τ₂ падения шарика (при отсутствии тока в соленоиде) и времени τ₁=τ₂.

Недостатком известного способа [7] и устройства, его реализующего, является неравномерная дискретность измерения вязкости, вызванная необходимостью «подбора» величины тока соленоида, при котором τ₁=τ₂.

В каждом конкретном случае при измерении вязкости число итераций, приближающих текущий ток соленоида к току, при котором τ₁=τ₂, будет случайно. А если учесть, что шариковые вискозиметры достаточно инерционны, общее время одного измерения искомой вязкости будет неоправданно завышено.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому способу является способ [8] измерения вязкости, заключающийся в том, что о вязкости жидкостей судят по разности времени прохождения чувствительным элементом вискозиметра фиксированного расстояния под действием двух различных вынуждающих сил электромагнита.

Устройство, реализующее способ [8], содержит электромагнит, обмотка которого соединена с двумя стабилизаторами тока, причем ток одного из стабилизаторов задается образцовыми резисторами R₁ и R₂. В поле электромагнита расположен чувствительный элемент с магнитом.

Интервал движения чувствительного элемента задается двумя регистрирующими преобразователями, которые соединены со схемой управления и измерения времени, управляющей работой стабилизаторов тока.

Чувствительный элемент совершает возвратно-поступательное движение в постоянном по величине и циклически меняющемся по направлению поле электромагнита, причем ток, задаваемый при подключении резистора R₁, меньше тока, задаваемого резистором R₂. Следовательно, время движения чувствительного элемента в первом случае больше, чем во втором. Разность времен прохождения определяется вязкостью жидкости и является ее мерой.

Измерение вязкости по предлагаемому способу сводится к измерению разности временных интервалов при постоянно заданной разности образцовых токозадающих резисторов, а величиной разности величин резисторов устанавливается масштабный коэффициент.

Недостатком известных способа и устройства, его реализующего, является наличие двух различных вынуждающих сил электромагнита и двух стабилизаторов тока. Совершенно очевидно, что точность измерения вязкости будет определяться стабильностью сопротивлений резисторов R₁ и R₂, причем с обязательным условием одинаковости знака их температурных коэффициентов.

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемых объектов) заключается в обеспечении известным техническим решениям более высоких потребительских свойств путем минимизации или исключения влияния плотности измеряемой среды, а следовательно, и повышение точности измерения вязкости исследуемой жидкости.

Требуемый технический результат в заявляемом способе определения вязкости жидкой среды согласно способу-прототипу, при котором в нее помещают поплавок полного погружения с заранее заданной плотностью ρ_п со встроенным в него постоянным магнитом, создают в зоне размещения постоянного магнита поплавка магнитное поле с вертикальной ориентацией магнитных силовых линий, с помощью которого регулируют силовое взаимодействие этого поля с полем постоянного магнита поплавка, то есть регулируют плавучесть последнего в измеряемой жидкой среде и измеряют время t его штатного перемещения Δh и скорость υ, являющиеся мерой вязкости, достигается тем, что магнитное поле создают стабилизированным постоянным током, величину которого принимают заведомо большей, чем величина, необходимая для всплывания-погружения поплавка в рабочем диапазоне измерения вязкости жидкой среды при смене полярности стабилизированного постоянного тока, причем одновременно со сменой полярности этого тока измеряют длительность каждого из двух временных интервалов, требующихся для полного цикла движения поплавка, вниз t₁ и вверх t₂ или наоборот, в пределах этого заранее заданного штатного (то есть ограниченного конструктивно) перемещения Δh, а вязкость жидкой среды определяют по формуле:

где

сумма скоростей перемещения поплавка вверх и вниз на штатную величину Δh;

К - коэффициент масштабирования вязкости μ жидкости.

Требуемый технический результат в части устройства для осуществления заявляемого способа, как показывают стендовые и промышленные испытания заявляемого устройства и опыт эксплуатации прототипа-устройства, достигается тем, что известное устройство для измерения вязкости жидкой среды, содержащее корпус с измерительной полостью, поплавок в данной полости с постоянным магнитом, электрический датчик верхнего положения поплавка, соединенный с таймером и блоком вычисления вязкости, электромагнит и источник питания электромагнита, содержит электрический датчик нижнего положения поплавка, также соединенный с таймером и блоком вычисления вязкости, поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом и обмоткой, часть корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре незамкнутого магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а блок вычисления вязкости выполнен в виде контроллера с функциями: переключения полярности питания электромагнита, измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ (или наоборот), измерения скорости перемещения поплавка вверх υ₁ и вниз υ₂ (или наоборот), контроля качества стабилизации электропитания и вычисления вязкости жидкой среды.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый способ и реализующее его устройство для измерения вязкости жидкой среды) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемых объектов критериям изобретения.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, реализующего способ измерения вязкости жидкой среды.

Устройство состоит из корпуса 1 с измерительной полостью 2, поплавка 3 (в полости 2) с постоянным магнитом 4, электрического датчика 5 верхнего положения поплавка, соединенного с таймером и блоком вычисления вязкости, электромагнита 6, источника 7 питания электромагнита. Устройство содержит также электрический датчик 8 нижнего положения поплавка, соединенный, как и датчик 5 с таймером и блоком вычисления плотности. Поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом 9 с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось 10 качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом 11 и обмоткой 12, часть 13 корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а таймер и блок вычисления вязкости выполнены в виде единого контроллера 14 с функциями измерения: временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ (или наоборот), скорости перемещения поплавка вверх υ₁ и вниз υ₂ (или наоборот) при переключении полярности питания электромагнита по его же командам, и, соответственно, вычисления вязкости жидкой среды с учетом коэффициента К масштабирования вязкости вискозиметра конкретного конструктивного исполнения, то есть заявляемого устройства.

Обязательным условием нормального функционирования устройства, гарантирующего его точностные характеристики, является режим малых скоростей перемещения поплавка, когда жидкость при перемещении поплавка обтекает последний ламинарно, а движение поплавка подчиняется закону Стокса [8].

Устройство реализует заявляемый способ следующим образом. В исходном состоянии, после наполнения жидкостью измерительной полости 2 (на чертеже линии подвода и сливания жидкой среды условно показаны стрелками) поплавок 3 находится в неопределенном положении. При включении источника 7 постоянного (стабилизированного) тока с определенной полярностью, задаваемой контроллером 14, поплавок 3 под силовым воздействием электромагнита 6, взаимодействующего с постоянным магнитом 4, начнет погружение (всплывание), пересекая зону чувствительности одного из датчиков (5 или 8) верхнего или нижнего положения поплавка. Срабатывание первым одного из датчиков (5 или 8) еще не является информационным с позиции измерения плотности, но оно однозначно определяет местоположение поплавка (верх или низ измерительной полости). После этого по команде контроллера 14 меняется полярность источника 7 постоянного тока, а следовательно, и направление напряженности магнитного поля электромагнита, под действием которого изменится и направление вращения вокруг горизонтальной оси 10 постоянного магнита 4 с рычагом 9 и поплавком 3. Под действием усилия электромагнита 7 поплавок 3 начнет погружение (всплывание), опять проходя зону чувствительности того же датчика 5 (8), тем самым включая таймер, находящийся в контроллере 14, на счет времени t₁. При достижении поплавком зоны чувствительности датчика 8 (5) счет времени t₁ прекращается. При очередной смене полярности источника постоянного тока поплавок 3 начнет обратное движение, опять пересекая зону чувствительности датчика положения 8 (5) и включая таймер контроллера на счет времени t₂. При достижении поплавком 3 датчика положения 5 (8) счет времени t₂ прекращается. При условии стабильности тока питания электромагнита 6 время движения поплавка вверх (или вниз) зависит от усилия электромагнита; при этом всегда t₁≠t₂ и υ₁≠υ₂, а сумма υ₁+υ₂ является функцией вязкости μ жидкой среды.

Для того чтобы обеспечить равенство температур жидкости в измерительной полости устройства-вискозиметра и температур жидкости в трубопроводе, измерительную полость подсоединяют к трубопроводу через байпасную линию с помощью вентилей (на чертеже не показаны), которыми можно управлять в режиме автоматических измерений с помощью контроллера, а элементы подсоединения вискозиметра и его корпус помещают в теплоизолирующую оболочку (не показано).

Рассмотрим алгоритм, позволяющий повысить точность и достоверность результата измерения и вычисления искомой вязкости.

Запишем условия равновесия сил, действующих на поплавок при его равномерном движении вверх или вниз (или наоборот).

При движении поплавка вверх и вниз имеем соответственно:

где Р=ρ_пV_пg - вес поплавка;

F_Э - тяговое усилие электромагнита (соленоида);

F_A=ρ_жV_пg - архимедова сила, действующая на поплавок;

F'_Т=3πμDυ₁ и F"_Т=3πμDυ₂ - силы трения поплавка в жидкости при условии обтекания поплавка жидкостью ламинарно;

g - ускорение силы тяжести;

ρ_ж и ρ_п - плотности измеряемой жидкости и поплавка соответственно;

μ - вязкость жидкости (динамическая);

D - диаметр поплавка;

υ₁ и υ₁ - скорости поплавка относительно жидкости при движении поплавка вверх (υ₁) и вниз (υ₁).

Преобразуем уравнения (1) и (2) к виду:

Из уравнений (3) и (4) имеем соответственно:

Сумма скоростей υ₁ и υ₂ будет равна:

Из формулы (7) определим вязкость μ:

где К=2F_Э/3πD - коэффициент масштабирования вязкости.

Окончательно имеем (заменяя υ₁ на Δh/t₁ и υ₂ на Δh/t₂):

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа определения (измерения) вязкости жидкой среды и устройства для его осуществления обеспечивают достижение требуемого технического результата, соответствуют критериям «изобретения» и подлежат защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Источники информации

1. СССР, а.с. №342108, М. кл. G 01 N 11/00, 1970.

2. СССР, а.с. №269582, М. кл. G 01 N 11/16, 1969.

3. СССР, а.с. №568870, М. кл². G 01 N 11/16, 1977.

4. СССР, а.с. №1746254, М. кл⁴. G 01 N 11/10, 1992.

5. СССР, а.с. №1081473, М. кл³. G 01 N 11/10, 1984.

6. СССР, а.с. №1837208, М. кл⁴. G 01 N 11/10, 1993.

7. СССР, а.с. №1300333, М. кл⁴. G 01 N 11/10, 9/10, 1987.

8. СССР, а.с. №1245949, М. кл⁴. G 01 N 11/16, 1986, прототип.

1. Способ определения вязкости жидкой среды, при котором в нее помещают поплавок полного погружения с заранее заданной плотностью ρ_n со встроенным в него постоянным магнитом, создают в зоне размещения постоянного магнита поплавка магнитное поле с вертикальной ориентацией магнитных силовых линий, с помощью которого регулируют силовое взаимодействие этого поля с полем постоянного магнита поплавка, то есть регулируют плавучесть последнего в измеряемой жидкой среде и измеряют время t его штатного перемещения Δh, являющееся мерой вязкости, отличающийся тем, что магнитное поле создают стабилизированным постоянным током, величину которого принимают заведомо большей, чем величина, необходимая для всплывания - погружения поплавка в рабочем диапазоне измерения вязкости жидкой среды при смене полярности стабилизированного постоянного тока, причем одновременно со сменой полярности этого тока измеряют длительность каждого из двух временных интервалов, требующихся для полного цикла движения поплавка вниз t₁ и вверх t₂, или наоборот, в пределах этого заранее заданного штатного (то есть ограниченного конструктивно) перемещения Δh, а вязкость μ жидкой среды определяют по формуле

где К - коэффициент масштабирования вязкости;

t₁·t₂ - произведение длительности хода поплавка вверх на длительность хода вниз;

(t₁+t₂) - сумма времени хода поплавка вверх-вниз.

2. Устройство для осуществления способа определения вязкости жидкой среды по п.1, содержащее корпус с измерительной полостью, поплавок в данной полости с постоянным магнитом, электрический датчик верхнего положения поплавка, соединенный с таймером и блоком вычисления вязкости, электромагнит, источник питания электромагнита, отличающееся тем, что оно содержит электрический датчик нижнего положения поплавка, также соединенный с таймером и блоком вычисления вязкости, поплавок и постоянный магнит соединены между собой рычагом с возможностью его качания в вертикальной плоскости, горизонтальная ось качания рычага размещена в центре постоянного магнита, электромагнит выполнен с незамкнутым магнитопроводом и обмоткой, часть корпуса с постоянным магнитом поплавка размещена в зазоре магнитопровода электромагнита, при этом постоянный магнит поплавка симметричен как относительно оси качания, так и относительно рычага, источник питания электромагнита выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока, а блок вычисления вязкости выполнен в виде контроллера с функциями - переключения полярности питания электромагнита, измерения временных интервалов перемещения поплавка вверх t₁ и вниз t₂ (или наоборот), контроля качества стабилизации электропитания и вычисления вязкости жидкой среды.