Приборы для автоматического определения вязкости. Капиллярные вискозиметры
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Институт повышения квалификации –
независимый аттестационно-методический центр
Программа профессиональной переподготовки: Сооружение и эксплуатация объектов магистрального транспорта нефти и газа
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Дисциплина: Основы автоматизации производственных процессов
Тема: Приборы для автоматического определения вязкости. Капиллярные вискозиметры. Вискозиметры с падающим шариком. Ротационный вискозиметр.
Шифр 76 Вариант 6
Нуриев Саил Наил оглы
Ухта 2016
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Вязкость — свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого. Количественно вязкость характеризуется значением динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения.
Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.
Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре.
При измерениях часто пользуются также величиной относительной (условной) вязкости, характеризующейся отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре.
Вискозиметр – прибор для измерения вязкости [1].
Цель разработки – проект мобильного (вес с элементами питания – менее 0,4кг) ультразвукового вискозиметра с цифровой индикацией.
Задачи, необходимые для достижения поставленной цели:
- изучение теоретических основ вискозиметра;
- изучение свойств и принципа работы устройства;
- построение сборочного чертежа ультразвукового вискозиметра.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИСКОЗИМЕТРА
1.1 Применение вискозиметров
Области применения вискозиметров чрезвычайно разнообразны.
В медицине используются капиллярные вискозиметры (вискозиметр ВПЖ, ВНЖ, ВК-4). Так, например, острую актуальность имеет измерение вязкости человеческой крови. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови.
Многие инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие, например, брюшной тиф и туберкулез – значительно уменьшают. Любое изменение вязкости крови сказывается на РОЭ. Определение вязкости крови во взаимосвязи с рядом других анализов позволяет объективно оценить состояние человеческого организма. Вязкость крови в лабораторных условиях может быть определена и при помощи метода падающего шарика вискозметрии [1].
В фармацевтических лабораториях вискозиметры используются при изготовлении лекарственных препаратов, патоки, мазей, линиментов.
В нефтянной промышленности используются как ротационные вискозиметры системы Brookfield, так и полевые чашечные капиллярные вискозиметры, позволяющие с достаточной степенью точности определить вязкие свойства нефти.
В химической промышленности и металлургии широко распространены универсальные, высокотемпературные вискозиметры, позволяющие оперировать со средами в широком диапазоне температур от -60°C до 2600°C
Тема вискозиметрии и её методов мало распространена и фактически не упоминается в повседневной жизни, но, по истине, прибор вискозиметр занимает достойное место в списке изобретений человечества. Отдельной статьи заслуживают высокотемпературные промышленные вискозиметры и высокоточные вискозиметры [2].
Классификация вискозиметров
Вискозиметры классифицируются по следующим признакам:
– по температуре исследуемой среды различают высокотемпературные вискозиметры и вискозиметры, изготовленные из нетермостойких материалов;
– по свойствам исследуемой вязкой среды различают универсальные вискозиметры и специальные (т.е. предназначенные для измерения вязкости сред с определёнными заранее известными свойствами, например ньютоновских жидкостей);
– по методу вискозиметрии различают капиллярные, вибрационные, ультразвуковые, ротационные, пузырьковые, вискозиметры с падающим шариком;
– по точности измерений различают высокоточные вискозиметры и даже т.н. образцовые вискозиметры;
– по области применения различают промышленные, лабораторные, медицинские вискозиметры;
– есть и такой вид вискозиметра, как полевой вискозиметр, - вискозиметр примитивной конструкции [2,3].
2 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ВИСКОЗИМЕТРИИ
2.1 Капиллярный метод вискозиметрии
Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.
Определение вязкости состоит в измерении времени протекания известного количества (объёма) жидкости или газа через узкие трубки круглого сечения (капилляры) при заданном перепаде давления. Капиллярными В. измеряют вязкость от 10-5 н∙сек/м2 (газы) до 104 н∙сек/м2 (консистентные смазки).
Относительная погрешность образцовых капиллярных В.±0,1—0,3%, рабочих приборов ±0,5—2,5%.
Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:
где Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,
R – радиус капилляра вискозиметра, м
L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м
η – вязкость жидкости, Па·с,
р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть, при отсутствии скольжения на границе, жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости [2].
На рисунке 1 расположено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
Рисунок 1 – Схематическое изображение капиллярного вискозиметра
В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра.
Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости нопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:
где h – коэффициент, стремящийся к единице,
d –плотность иссдледуемой жидкости.
Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость).
Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':
где n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.
Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.
Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения [3].
На рисунке 2 показано устройство различных типов стеклянных вискозиметров. В капиллярных вискозиметрах указанных типов течение жидкости происходит под действием силы тяжести (в начальный момент уровень жидкости в одном колене вискозиметра выше, чем в другом).
Время опорожнения измерительного резервуара определяют как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхних и нижних концах резервуара. В капиллярных автоматических вискозиметрах (непрерывного действия) жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости [4].
Рисунок 2 – Стеклянные капиллярные вискозиметры
1 — измерительные резервуары; 2 — капилляры; 3 — приемные сосуды; 4 — питающий резервуар (в вискозиметрах для непрозрачных жидкостей ВНЖ); 5 — термостатирующая рубашка; M1, M2 (у ВНЖ также M3) — метки, служащие для измерения времени истечения жидкости из измерительных резервуаров или их заполнения (у ВНЖ).
2.2 Вибрационный метод вискозиметрии
Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет из себя резервуар с вязкой жидкостью и некоторое тело (пластина, шар, цидлиндр), называемое зондом вискозиметра, которое производит вынужденные колебания в вязкой среде.
Сущность эксперимента заключается в определении изменений параметров вынужденных колебаний зонда вискозиметра при погружении его в вязкую среду. Руководствуясь теорией метода вибрационной вискозиметрии, по значением этих параметров определяют вязкость среды.
Вибрационый вискозиметр имеет значительно большую по сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность и также может быть применён для сред температурой до 2000°C в инертной атмосфере или вакууме при наличии как больших, так и сравнительно малых масс расплавов.
В настоящее время для измерения динамической вязкости широко применяют электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.
Вибрационные высокотемпературные вискозиметры с электронным дистанционным управлением могут использоваться в условиях агрессивных средств.
Относительная погрешность измерений при использовании вибрационного вискозиметра составляет ±0,5-1%.
При работе расплавами в интервале 700—1900°C общая погрешность вискозиметра увеличивается и может составить ±3-5%.
Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра,при погружении его в исследуемую среду.
Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы) [3,4].
Рисунок 3 – Схематическое изображение вибрационного вискозиметра
Введём несколько обозначений:
ω – частота колебаний;
τ – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра;
S - площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы
Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим η и d.
Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей.
В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз
Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии.
В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра.
В общем случае для малых значений вязкости имеем:
Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:
Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2) [4].
2.3 Метод падающего шарика вискозиметрии
Вязкость определяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра.
Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:
где V – скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра;
r – радиус шарика;
g – ускорение свободного падения;
d – плотность материала шарика; ро - плотность жидкости.
Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение:
На рисунке 4 расположено схематическое изображение вискозиметра с падающим шариком.
Рисунок 4 – Схематическое изображение вискозиметра с падающим шариком
Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:
На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.
2.3.1 Вискозиметр Гепплера
К вискозиметрам с падающим шариком относится широко распространённый универсальный вискозиметр Гепплера со «скользящим» шариком (рисунок 5).
Пределы измерений вискозиметра этого типа 6∙10-4—250 н∙сек/м2, погрешность ±1—3%.
Рисунок 5 – Вискозиметр Гепплера со «скользящим» шариком: 1 — шарик; 2 — трубка с жидкостью; 3, 4, 5 — кольцевые метки на трубке; 6 — термостатирующая жидкостная баня; 7 — термометр; 8 — штуцер для присоединения прибора к термостату; 9 — уровень.
Вискозиметр Гепплера относится к вискозиметрам с движущимся в исследуемой среде шариком. Действие вискозиметра Гепплера основано на законе Стокса о шарике, падающем в неограниченной вязкой среде.
Вискозиметр представляет собою трубку, выполненную из прозрачного (или непрозрачного) материала, в которую помещается вязкая среда.
Вязкость определяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра, исходя из формул метода падающего шарика вискозиметрии.
При использовании вискозиметра Гепплера возникают трудности, связанные с непрозрачностью вязкой среды либо трубки вискозиметра.
В этом случае сложно определить местонахождение шарика; с целью преодоления такого характера трудностей были сделаны попытки внедрения в шарик вискозиметра материалов, излучающих рентгеновские лучи.
В настоящее время в вискозиметрах типа вискозиметров с падающим шариком применяется способ регистрации магнитных полей.
Вискозиметр Гепплера и подобные ему вискозиметры используются для измерения вязкости различных сред и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах 1-3%.
Вискозиметр Гепплера, снабжённый термостатирующей баней, часто характеризуется как универсальный высокотемпературный вискозиметр [5].
2.4 Ротационный метод вискозиметрии
Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью.
Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости. Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.
Рисунок 6 – Схематическое изображение ротационного вискозиметра
Введём необходимые обозначения:
R1,L – радиус и длина
ротора ротационного
ω – постоянная угловая скорость вращения внешнего тела;
R2 – радиус вращающегося
резервуара ротационного
η – вязкость исследуемой cреды;
M1 – момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный
d,l – диаметр и длина упругой нити,
φ – угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,
G – момент упругости материала нити
При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:
Заметим вновь, что М1=М2, откуда после нескольких преобразований относительно η имеем:
где k – постоянная ротационного вискозиметра.
Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем:
В этом случае G – момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за τ с).
Заметим, что полученные отношения справедливы для цилиндра бесконечной длины, в реальных условиях учитывается поправка на размеры тел ротационного вискозиметра.
Для этого производится вычисление так называемой эффективной высоты H ротационного вискозиметра:
1. проводится измерение
момента для жидкостей с
2. экстраполяцией прямых М1 = f(L) и М2 = f(L) к нулевому значению М1 и М2 получают величину ∆L;
3. H=L+∆L.
Эффективную высоту ротационного вискозиметра H подставляют в уравнения.
Ротационные вискозиметры применяют для измерения вязкости смазочных масел (при температурах до —60°С), нефтепродуктов, расплавленных силикатов и металлов (до 2000 °С), высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т.д.
Относительная погрешность наиболее распространённых ротационных вискозиметров лежит в пределах 3—5%.
На рисунке 7 показано устройство ротационного вискозиметра РВ-7 (пределы измерений — от 1 до 105 н∙сек/м2, погрешность ±3%) [6].
вискозиметр мобильный ультразвуковой
Рисунок 7 – Ротационный вискозиметр РВ-7 (с заданным крутящимся моментом)
1 — внутренний вращающийся цилиндр; 2 — внешний неподвижный цилиндр; 3 — ось вращающейся системы; 4 — термостат; 5 — мешалка термостата; 6 — термопары; 7 — шкив; 8 — тормоз; 9 — нить; 10 — блок; 11 — груз, вращающийся шкив. Скорость вращения шкива определяют по скорости опускания груза.
2.5 Ультразвуковой вискозиметр
Существует несколько типов ультразвуковых вискозиметров. Один из них, наиболее часто применяющийся, основан на принципе демпфирования. Если металлический стержень, помещенный в жидкость, коротким ударом заставить колебаться, то через некоторое время колебания затухнут. При этом скорость спадания амплитуды будет зависеть от вязкости среды. Чем больше вязкость, тем быстрее затухают колебания.
Ультразвуковой вискозиметр прост по устройству, малогабаритен, надежен в эксплуатации и обеспечивает достаточную точность измерения. Он состоит из трех основных узлов: датчика-зонда, электронного блока и соединительного кабеля.
Наиболее важный элемент прибора - датчик-зонд. Чувствительным элементом датчика служит плоская прямоугольная пластинка из ферромагнитного или пьезоэлектрического материала толщиной 0,2-0,4 миллиметра. Такие вискозиметры применяются в нефтяной промышленности.
Электронную часть вискозиметра можно сконструировать так, чтобы при уменьшении амплитуды ниже определенного уровня включался генератор, который будет вновь возбуждать резонансный стержень.
В зависимости от скорости затухания колебаний электронное счетное устройство вырабатывает напряжение, пропорциональное частоте включения возбуждающего генератора, а следовательно, и коэффициенту вязкости. Выработанное напряжение можно использовать для управления производственным процессом, и этим самым автоматически поддерживать необходимую вязкость вырабатываемого вещества.
Разработано несколько образцов отечественных приборов для практического применения.
Так, ультразвуковой вискозиметр ВУЗ-1Л предназначен для непрерывного измерения вязкости жидких веществ в лабораторных условиях.
Ультразвуковой вискозиметр ВАВ-3 используется при работе с высоковязкими материалами, например с полиамидной смолой. Для измерения абсолютного значения коэффициента поглощения ультразвука в жидких средах пригоден ультразвуковой измеритель поглощения УЗИП-З.
Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнито-стрикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мксек, приводящие к возникновению колебаний.
В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скорростью, зависящей от вязкости среды. Затем, при падении ЭДС до определённого порогового значения, в катушку поступает новый импульс. Вискозиметр определяет вязкость среды по частоте следования импульсов.
Вискозиметры, действие которых основано на ультразвуковом методе вискозиметрии, нельзя отнести к классу вискозиметров с широким диапазоном измерений. К классу высокотемпературных вискозиметров их также нельзя отнести в силу величины относительной погрешности, возникающей при высокотемпературной вискозиметрии и свойств материалов прибора.
Ультразвуковые вискозиметры могут быть использованы для непрерывного контроля различных жидкостей в технологических потоках.
Ультразвуковой вискозиметрс температурной компенсацией ВТК-65 предназначен для автоматического определения вязкости жидкостей в нетермостатированных потоках.
Действие основано на измерении затухания свободных колебаний магнитострикционного вибратора датчика в зависимости от вязкости жидкости. Температура контролируемой среды 10 - 120°С.
Ультразвуковые вискозиметрыобычно предназначены для измерения динамической вязкости. Принцип действия вискозиметра основан на определении времени затухания ультразвуковых колебаний в испытываемой жидкости [5,6].
3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Задачей данной работы является повышение точности оперативного контроля вязкости жидких сред, повышение надежности работы и уменьшение габаритов устройства.
Задача решается за счет того, что предлагаемый способ оперативного контроля вязкости жидких сред, включающий погружение магнитострикционного элемента в контролируемую жидкую среду, создание в зоне размещения магнитострикционного элемента постоянного подмагничивающего поля и переменного магнитного поля, возбуждающего продольные колебания магнитострикционного элемента, отключение переменного магнитного поля, определение резонансной частоты сигнала, генерированного в катушке магнитострикционным элементом, вычисление вязкости жидкой среды, дополнен новой совокупностью операций, которая заключается в том, что осуществляют контроль температуры магнитострикционного элемента и проводят компенсацию температурной зависимости частоты собственных колебаний магнитострикционного элемента перед вычислением вязкости жидкой среды.
Для осуществления предложенного способа предлагается устройство, включающее датчик, в корпусе которого установлены магнитострикционный элемент, закрепленный в его узловой точке, и электромагнитная катушка, витки которой охватывают магнитострикционный элемент, и электронный блок, соединенный электрическим кабелем с датчиком, согласно изобретению в корпусе дополнительно вмонтирован измеритель температуры, а магнитострикционный элемент закреплен в корпусе датчика через демпфирующий узел, при этом корпус имеет отверстия для протекания жидкой среды к измерителю температуры и магнитострикционному элементу, причем электромагнитная катушка намотана на внешней поверхности корпуса симметрично относительно концов магнитострикционного элемента.
