Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к области определения плотности и вязкости жидких сред в научных исследованиях, здравоохранении и различных отраслях промышленности молекулярной биологии, биоорганической химии и касается кассет для проведения Устройство содержит внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока. При этом устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера. Вход камеры связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру. Кроме того узел заправки обеспечивает возможность установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси при измерении параметра вязкости. Измерительная камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл. Датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье. 1 н.з. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Данная полезная модель представляет собой устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред. Устройство относится к точному приборостроению и может быть использовано для определения плотности и вязкости жидких сред в научных исследованиях, здравоохранении и различных отраслях промышленности.

В ходе выполнения ряда исследовательских работ возникает необходимость в измерении кинематической вязкости малых объемов жидкости с достаточно высокой точностью. По определению, кинематической вязкостью жидкости называется отношение вязкости динамической (обычной) к плотности жидкости. Таким образом, для решения таких задач необходимо устройство, способное измерять динамическую вязкость и плотность.

Известны устройства для измерения плотности и вязкости с помощью погружных зондов, в которых возбуждают гармонические колебания на резонансной частоте зонда. Способ включает возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение вязкости и плотности расчетным путем. В качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную U-образную скобу с поплавком, укрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах. Амплитуду колебаний определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров. Устройство содержит помещенный в исследуемую жидкость вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, и блоки регистрации и индикации. Вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной U-образной скобы с поплавком, укрепленным на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего эластичного материала, а оболочка - из упругого эластичного материала [1].

Известны устройства для определения плотности и вязкости с помощью измерения скорости разгона и торможения тела в исследуемой жидкости. В патенте РФ 2247357, для измерения плотности и вязкости тело массой m и плотностью п приводят в движение в жидкости, 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 [2].

Известно устройство, описанное в патенте РФ 2082153 которое содержит зонд, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда, узел возврата зонда в исходное положение и вычислительный блок. Вход вычислительного блока соединен с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда. Выход вычислительного блока соединен с входом угла разгона зонда [3].

К общему недостатку устройств использующих погружные зонды относится то, что такие устройства не позволяют измерить значения плотности и вязкости жидкостей имеющихся в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Кроме того, такие устройства требуют дополнительного приборов для термостатирования используемых образцов с точностью не хуже сотых градуса. Отсутствие термостотирования будет приводить к значительным погрешностям измерения плотности и, особенно, вязкости жидкости.

Известны устройства, сочетающие в себе возможность измерения плотности и вязкости за счет дополнительного вращения трубки с исследуемым образцом и измерения поперечных и вращательных колебаний. Патент Великобритании GB 2456034, относится к устройству измерения плотности и/или вязкости стационарной или движущейся жидкости. Устройство обеспечивает возможность измерения резонансной частоты поперечных колебаний трубы для определения плотности, и также обеспечивает возможность измерения затухания вращательных колебаний трубы для определения вязкости жидкости в трубе. С этой целью на трубе закреплен возбудитель колебаний, который выполнен с возможностью передавать поперечные и/или вращательные колебания к трубе [4]. Устройства данного типа разработаны для работы в скважинах не позволяют измерить значения плотности и вязкости образца в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Модификация данного технического решения реализована в вискозиметре Штабингера SVM3000 (фирма Anton Paar) [5]. Однако, этот прибор требует замены измерительного блока прибора при измерении плотности. Минимальный рабочий объем вискозиметра составляет 1,5 мл, а для измерения плотности требуется 3 мл образца.

Известны устройства, которые могут работать с малыми объемами исследуемой жидкости, например для измерения плотности. Известен патент Австрии АТ 399051, в котором кроме основного, используют дополнительный референсный вибратор. Вибраторы выполнены из стеклянных трубок и установлены в термостатирующую ячейку [6]. В данном устройстве можно измерять только плотность с объемом образца не менее 1 мл.

Наиболее близкий аналог, по принципу измерения параметров, приведен в патенте США 4838084, в котором определение плотности образца осуществляется путем измерения резонансных частот трубки с помощью магнитных датчиков. Для измерения в этом приборе требуется около одного кубического сантиметра образца. Трубку с образцом устанавливают в термостат, что позволяет выполнить измерения плотности с достаточной точностью [7]. Однако данное устройство не предназначено для измерения двух параметров - вязкости и плотности.

Технической задачей является разработка устройства, в котором используют небольшой объем исследуемого образца с сохранением высокой точности и воспроизводимости измерения динамической и кинематической вязкости малых образцов жидкости, а также их плотности.

Другой технической задачей является расширение арсенала устройств используемых для реологических методов.

Указанные технические задачи реализуются в конструкции устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей, которое содержит внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока. При этом устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера, вход которой связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру. Кроме того узел заправки обеспечивает возможность установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси при измерении параметра вязкости. Измерительная камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл. Датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье.

Полезная модель поясняется следующими фигурами:

Фиг.1. Схема устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей.

Фиг.2. Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей.

Фиг.3 Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей.

Фиг. 4 Зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C. Значение плотности измерено для следующих жидкостей: А - 1 M KCl в воде, Б - 0.3 M KCl в воде, В - дистилированая вода, Г - метанол, Д - Декан, - гексан, Ж - воздух.

Фиг. 5 Зависимость динамической вязкости жидкостей от амплитуды сигнала с датчика Холла при температуре 20°C. Значение вязкости измерено для следующих жидкостей: А - значение вязкости 40% глицерина; Б - значение вязкости 20% глицерина; В - значение вязкости 10% глицерина; Г - вода; Д - декан; Е - гексан.

Описание устройства

Предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять измерение вязкости и плотности жидкости в рамках единой термостатированной измерительной камеры объемом 0,5 мл., в диапазоне температур от -10 до 150°C. Исследуемая жидкость заправляется в упругий капилляр, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Собственная частота колебаний капилляра и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости. Для увеличения влияния вязкости на добротность механической системы внутрь капилляра вводится дополнительный стержень, препятствующий движению жидкости в процессе колебаний.

Вышеуказанный принцип измерения реализован следующим образом. Устройство состоит из измерительного узла и электронного блока. Блок-схема устройства представлена на фиг. 1. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 5 - усилитель напряжения, 6 - блок управления термостатом, 7 - обмотка электромагнита, 8 - схема автоматической регулировки усиления - АРУ, 9 - узел установки избыточного давления.

В электронный блок входят: усилитель напряжения 5, схема АРУ 8, блок управления термостатом 6. Электронный блок обеспечивает непрерывные колебания камеры, регистрацию, усиление и преобразование выходных сигналов, снимаемых с датчиков, расположенным в измерительном узле, а также задание и поддержание температуры термостатирующего устройства.

Измерительные узлы в режимах измерения плотности и вязкости представлены на фиг. 2 и фиг. 3, соответственно. Различие между этими двумя конструкциями измерительного узла состоят в том, что для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры с изучаемым раствором вводится игла 20, препятствующая движению жидкости внутри камеры при ее механических колебаниях. Иглу 20 помещают внутрь камеры 3 вдоль ее продольной оси и фиксируют в верхней части узла заправки 12. Фиксацию иглы осуществляют с помощью переходника, который устанавливает иглу в одно и тоже фиксированное положение по отношению к объему камеры. Фиксацию осуществляют за счет дополнительного фиксатора установленного на переходнике, который фиксирует положение иглы в вертикальном положении и ограничивает поворот иглы вокруг ее оси.

Исследуемую жидкость заправляют в камеру 3, выполненную в виде упругого капилляра, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Связь механической и электрической системы осуществляется через элементы системы включающей: электромагнит 7, расположенный на корпусе 2 измерительного узла, постоянный магнит 4, приклеенный к основанию камеры 3 и датчик Холла 1 (датчик напряженности магнитного поля), через который осуществляется обратная связь между механической и электрической частями системы. Период колебаний камеры 3 и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости.

Кроме того, в измерительный узел входит узел заправки 12 для ввода исследуемой жидкости (см. фиг. 2, 3). Узел заправки сопряжен с камерой 3, которая жестко закреплена в держателе 14. Камера 3 представляет собой капилляр имеющий объем не более 0.5 мл с толщиной стенки камеры от 0,1 до 0,2 мм. Предпочтительно 0,1 мм. Камера 3 может быть изготовлена из упругого металла инертного к измеряемым образцам или из стекла. В частности для изготовления капилляра может быть использована нержавеющая сталь. Вдоль камеры 3 расположен корпус внутреннего термостата 19. К нижней торцевой части камеры 3 прикреплен постоянный магнит 4, вдоль центральной оси которого, с одной стороны, размещен датчик Холла 1, а с другой стороны электромагнит 7. Под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье 17, предназначенный для охлаждения термостата. В корпусе внешнего термостата 2 расположен также датчик температуры (на фигурах не показан), сигнал с которого поступает на вход блока управления термостатом 6 (фиг. 1), с выхода которого сигнал поступает на нагреватели корпуса внешнего термостата 2, нагреватели корпуса внутреннего термостата 19 и элемент Пельтье 17. Выходы электромагнита 7 (см. фиг. 2 и 3), датчика Холла 1, датчика температуры и термобатареи выведены на разъем 16, через который сигналы поступают в электронный блок. В электронном блоке регистрируемый сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 5 (фиг. 1), выходной сигнал с которого последовательно подается через схему АРУ 8 на аналого-цифровой преобразователь и далее на вход компьютера. Электромагнит 7 подключен к выходу схемы АРУ 8.

Температура исследуемой жидкости задается с помощью корпуса термостата 2, корпуса внутреннего термостата 19 и элемента Пельтье 17. Камера 3 и термостат помещены в полностью герметичный корпус 2, что положительно сказывается на точности измерения и поддержания температуры исследуемой жидкости. Управление температурой термостата осуществляется блоком управления термостатом 6 (фиг. 1).

При работе в области высоких температур в полость рабочей камеры 3 через канал 18 узла установки избыточного давления 9 подают давление для исключения образования пузырьков воздуха в исследуемой жидкости.

Пример 1. Измерение плотности жидкостей.

Перед измерениями в любом режиме камеру 3 полностью заполняют исследуемой жидкостью через верхнее отверстие узла заправки 12, предварительно сняв пробку 11 и шайбу 10. Камеру заполняют с помощью шприца с длинной полой иглой.

Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей показана на фиг. 2. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата.

Измеряемой величиной в режиме определения плотности является период собственных колебаний электромеханической системы с камерой 3, заполненной исследуемой жидкостью. Камера 3 при помощи электромагнита 7, датчика Холла 1 и усилителя постоянного тока 5 с системой АРУ 8 совершает колебания на частоте собственного резонанса.

Перед измерением проводят калибровку устройства по образцам с известными значениями плотности. Диапазон измерения плотности от 0 до 3 г/см3.

Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: =33.055-9.2797T+0.6513T2, где, - плотность жидкости г/см3. T - период колебаний камеры представленный в миллисекундах. На фиг. 4 приведена зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C.

Пример 2. Измерение вязкости жидкостей.

Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей показана на фиг.3. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата, 20 игла.

Для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры 3 вводится игла 20, выполненная для создания препятствия движению жидкости внутри камеры 3 в процессе ее колебаний. Внешний диаметр иглы составляет 0,9 мм. Игла 20 может быть изготовлена из металла, инертного к измеряемым образцам или из стекла и выполнена цельной или полой.

После заполнения камеры исследуемой жидкостью, в верхнее отверстие измерительной камеры вставляется игла 20. Поскольку усилитель 5 генератора обеспечен системой АРУ, напряжение на электромагните 7 поддерживается постоянным, а напряжение на датчике Холла 1 будет тем меньше, чем меньше добротность системы и, следовательно, чем больше вязкость.

Вязкость исследуемой жидкости определяется из калибровочного графика как функция добротности камеры заполненной исследуемой жидкостью. Для получения калибровочных точек использовались справочные данные по вязкости водных растворов глицерина с концентрациями 40%, 20%, 10%, воды, декана и гексана. На фиг.5 приведена зависимость динамической вязкости от амплитуды измеряемого сигнала (напряжения на датчике Холла 1) при температуре 20 град. С. Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: =3.66-0.405 U+0.0121 U2, где, - вязкость в сантипуазах, a U - напряжение на выходе датчика Холла в милливольтах. Диапазон измерения вязкости составляет от 0.2 до 30 сантипуаз.

Предложенная полезная модель для измерения плотности и измерения вязкости промышленно воспроизводима. Устройство позволяет работать с малым количеством исследуемого вещества и обеспечивать высокую воспроизводимость за счет термостатирования с высокой точностью.

Литература:

1 Онищенко A.M. Способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU 2069848 (27.11.1996).

2. Тетерин Е.П. и др. Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости. Патент РФ 2247357 (27.02.2005).

3. В.П. Подживотов и др. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости Патент РФ 2082153 (20.06.1997).

4. W.M. Cowsar et all. Using transverse and torsional oscillations of a pipe to determine fluid density and viscosity GB2456034 (2010-07-14).

5. Вискозиметр Штабингера SVM3000 (Anton Paar) http://granate.ru/svm3000.html

6. Hans L. et al. Vorrichtung zur bestimmung der dichte von flussigkeiten und gasen aus der periodendauer einnes mit einem preparat gefullten messschwingers. AT patent AT 399051 (27.03.1995).

7. Hans L. et al. Density measuring instrument. US patent 4838084 (13.06.1989)

1. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкостей, содержащее внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера, вход которой связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру и с возможностью установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси, при этом камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл, где датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера выполнена из металла или стекла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина стенки камеры составляет от 0,1 до 0,2 мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диапазон измерения плотности составляет от 0 до 3 г/см3.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диапазон измерения вязкости составляет от 0,2 до 30 сантипуаз.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла выполнена цельной или полой.



 

Похожие патенты:
Наверх