Способ определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления

Способ определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение предназначено для определения вязкости и плотности жидкости в трубопроводах технологических линий, в частности, в процессе контроля производства олифы, пентафталевых и глифталевых лаков.

Вязкость - свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой, т.е. эта величина соответствует силе трения, возникающей при движении газа или жидкости.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих жидких и газообразных сред. Вязкость является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояние материала и изменения, происходящие в технологии.

Для определения вязкости применяют измерительное устройство - вискозиметр.

В лакокрасочной промышленности наиболее часто применяют вискозиметр, представляющий собой коническую емкость, вершиной вниз, объемом 100 мл, в нижней части в емкости имеется калиброванное отверстие, через которое истекает жидкость. Вязкость определяют по времени истечения жидкости под действием силы тяжести в секундах. Поскольку вязкость материала зависит от температуры, то с повышением ее вязкость уменьшается. В связи с этим необходимо все пробы выдерживать при определенной температуре для усреднения измерений по всему объему.

Недостатком этого способа является то, что требуется длительное время для выдерживания пробы с целью достижения заданной температуры измерения (охлаждения или нагревания). Кроме этого само измерение тоже требует длительных затрат времени, особенно при высокой вязкости материала.

Известно измерение вязкости жидкости способом «падающих шариков», согласно которому о вязкости жидкой среды судят по равномерной скорости погружения в ней шарового зонда известного радиуса и с известной плотностью материала. Одним из недостатков такого способа является то, что для измерения вязкости жидкости методом «падающих шариков» с приемлемой точностью необходимо обеспечить условия ламинарного обтекания исследуемой жидкостью движущегося шарика.

Известен способ одновременного определения плотности и вязкости жидкостей (патент РФ №2196973, МПК G01N 9/12), заключающийся в том, что тело массой m и объемом V приводят в движение в жидкости вертикально вверх силой F₁ и непрерывно измеряют скорость его движения v₁ вплоть до конечной v₀₁ на расстоянии Н, а затем осуществляют движение этого тела вниз под действием силы тяжести и удерживающей силы F₂ и непрерывно измеряют скорость его движения v₂ вплоть до конечной v₀₂ на том же расстоянии, после чего плотность p и вязкость ŋ жидкости определяют расчетным путем.

В способе по патенту РФ №2082153, МПК G01N 11/12 используют шаровой зонд радиусом R и плотностью р₃, погруженный в жидкость, вычислительный блок, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда и узел возврата зонда в исходное положение, причем вход и выход вычислительного блока соединены с выходом вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда соответственно, а шаровой зонд взаимодействует кинематически с узлом разгона в начале измерения и с узлом возврата зонда в исходное положение в конце движения при измерении соответственно.

Недостатком данного способа является сложное аппаратурное оформление, требующее точного измерения скорости и времени, от которых зависит точность конечного результата, а также необходимость относительно сложных и затратных по времени расчетов.

Известно устройство по патенту Германии №19529722, содержащее измерительный цилиндр с торцевыми отверстиями. Внутри измерительного цилиндра располагается чувствительный элемент, выполненный в виде шарика. В нижней части измерительного цилиндра находится датчик температуры, а по его высоте установлены датчики положения. Датчики положения и температуры подключены на выходы программно-вычислительного блока, выход которого подключен к блоку индикации. Торцевые отверстия измерительного цилиндра соединены байпасным измерительным трубопроводом, в котором установлен электрогидроклапан.

Недостатком этого технического решения является зависимость результатов измерения от соотношения удельных весов шарика и измеряемой среды, необходимость для разных по удельному весу жидкостей подбирать различные шарики, учитывать изменение удельного веса жидкости от температуры и времени наработки.

Ротационные способы измерения вязкости обладают более широкими возможностями. Их можно применять как для периодических, так и для непрерывных измерений.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявляемому является ротационный способ определения кинематической вязкости жидкости (патент РФ №2244285, опубл. 10.01.2005 г; МПК G01N 11/00).

Сущность способа заключается в помещении жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведении его во вращение, причем вращают его в течение времени, пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_nn между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, а его параметры определяются угловой скоростью жидкости ω₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости ω_пор, время t_nn принятия жидкостью второго состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости и определяется расчетным путем по ω формулам гидродинамики (см. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газов. - М; Наука; 1970 г.).

Недостатками прототипа является то, что при осуществлении способа требуются значительные затраты времени на термостатирование температуры жидкости, приведение температуры к определенному значению, для возможности воспроизводимости результатов. Способ применим к мало- и средневязким жидкостям, а также требует применения сложной аппаратуры для фиксации времени с помощью датчика на основе цилиндрического объемного резонатора и СВЧ генератора, перестраивамого по частоте. Данная конструкция измерительного устройства предназначена для периодического измерения вязкости жидкости.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности непрерывного измерения вязкости жидкости по ходу протекания технологического процесса на всем его протяжении, непосредственно на установке для жидкостей, вязкость которых изменяется во времени в широком диапазоне, в том числе и высоковязких.

Поставленная задача решается за счет того, что вязкость и плотность жидкости измеряют непрерывно, пропуская ее потоком с заданной постоянной объемной скоростью через устройство. Вязкость движущейся по трубопроводу жидкости непрерывно определяют по ходу рабочего процесса на всем протяжении рабочего цикла путем фиксации воздействия потока жидкости на датчик давления в ограниченном пространстве.

Сущность изобретения заключается в том, что рабочая жидкость сама протекает через устройство и создает давление на элемент устройства, который преобразует его в электрический сигнал и затем выводит на экран показывающего прибора. Если по ходу протекания технологического процесса вязкость увеличивается, то давление жидкости на элемент устройства тоже увеличивается, что отражается на экране показывающего прибора. Конструкция предлагаемого устройства исключает недостатки, присущие вышеописанным способам и устройствам, а именно: погрешности измерения времени, влияние температуры на показания измерения, большие затраты времени на единичное измерение вязкости, каждый способ и конструкция устройства имеет ограниченный диапазон измерения вязкости.

Устройство для реализации предлагаемого способа непрерывного измерения вязкости жидкости иллюстрируется графическими материалами. На рисунке представлено схематическое изображение устройства для измерения вязкости жидкости.

Устройство содержит встроенную в технологическую схему трубу определенного диаметра 1 с отверстием для размещения датчика давления 2. Внутри трубы на оси установлен, с возможностью ограниченного вращения, двуплечий рычаг 3. По краю отверстия трубы 1 выполнен фланец 4, на котором закреплена мембрана 5, на которой, в свою очередь, установлен датчик давления 2. Между мембраной 5 и датчиком давления 2 размещен упругий элемент тензорезистора 6. Датчик давления 2, представляющий собой тензорезисторный датчик, электрически связан с вторичным преобразователем сигнала 7. Двуплечий рычаг 3 имеет плечи разной длины. Короткое плечо двуплечего рычага упирается в мембрану 5, а длинное его плечо контактирует с упором 8, закрепленным на внутренней поверхности трубы 1 для ограничения его вращения. В зависимости от степени вязкости жидкости производят предварительную настройку рычага 3 путем изменения величины его длинного плеча. Чем больше вязкость жидкости, тем меньше величина длинного плеча рычага. Длина трубы l должна составлять не менее l₁=10d перед датчиком и не менее l₂=5d после датчика для того, чтобы жидкость двигалась ламинарным потоком без турбулентных флуктуации, которые могут искажать показания.

Заявляемый способ осуществляется при помощи предлагаемого устройства и реализуется следующим образом.

Через трубу определенного диаметра d, встроенную в технологическую схему, протекает жидкость с постоянной заданной скоростью. Жидкость оказывает давление на длинное плечо рычага 3. Под действием давления жидкости короткое плечо рычага через герметичную мембрану 5 нажимает на упругий элемент 6 датчика давления (тензорезистора) 2. Тензорезистор преобразует усилие давления в электрический сигнал. Возникающий сигнал от тензорезистора передается вторичному преобразователю сигнала 7, который тарирован на показания вязкости или плотности. Чем больше вязкость и плотность жидкости, тем большее значение будет иметь выходной сигнал. Технологический процесс контролируют по изменению выходного сигнала.

При достижении заданной величины сигнала процесс прекращается.

Давление короткого плеча двуплечего рычага 3 на упругий элемент 6 тензорезистора можно регулировать изменением величины его длинного плеча h.

Предлагаемый способ позволяет производить измерения вязкости жидкости непрерывно, на протяжении всего технологического процесса и, таким образом, контролировать процесс при помощи устройства, простого по конструкции, удобного в использовании и надежного для определения вязкости различных жидкостей как средневязких, так и жидкостей с высокой степенью вязкости.

Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.

1. Способ определения вязкости и плотности жидкости, заключающийся в непрерывном измерении вязкости в процессе ее перемещения, характеризующийся тем, что вязкость и плотность жидкости измеряют в потоке жидкости, перемещающейся с заданной постоянной объемной скоростью через измерительную трубу путем непрерывной передачи давления жидкости на датчик.

2. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости для реализации способа по п.1, характеризующееся тем, что содержит встроенную в технологическую схему измерительную трубу с фланцем для размещения датчика давления, содержащую двуплечий рычаг с разной длиной плеч, закрепленный на оси с возможностью ограниченного вращения в вертикальной плоскости, при этом длинное плечо рычага размещено внутри трубы с возможностью контакта с упором, установленным на внутренней поверхности трубы, для ограничения ее вращения, а короткое его плечо упирается в герметичную мембрану, размещенную на фланце трубы, и через нее контактирует с датчиком давления.

3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что размер трубы перед датчиком составляет не менее l₁=10_d, а после датчика l₂=5_d.

4. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что в качестве датчика давления используют тензорезистор.

5. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что двуплечий рычаг имеет возможность настройки на давление жидкости различной вязкости путем изменения величины его длинного плеча.