Способ определения вязкости диэлектрической жидкости

 

Использование: для определения вязкости микроколичеств диэлектрической жидкости. Сущность изобретения: способ включает измерение времени движения жидкости по капилляру, с использованием которого вычисляют вязкость. Один конец капилляра помещают в анализируемую жидкость, создают с использованием пары электродов острие-плоскость неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра, измеряют напряжение между электродами и с использованием измеренных величин рассчитывают вязкость. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вязкости жидкости в медицине, биологии, а также для научных исследований в условиях новых космических технологий.

Известен способ определения вязкости, основанный на методе капиллярного вискозиметра [1] в котором используется зависимость времени движения жидкости через капилляр от вязкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения вязкости жидкости методом капиллярного вискозиметра, заключающийся в фиксации уровня жидкости при постоянном установившемся режиме течения [2] Оба способа требуют относительно большого количества исследуемой жидкости (до 10 г), занимают много времени на одно измерение (порядка 10 мин) и не позволяют проводить измерения в условиях слабых гравитационных полей и невесомости без создания дополнительных устройств обеспечивающих поток жидкости через капилляр.

Техническим результатом являются: экономия исследуемой жидкости путем измерения вязкости ее микроколичеств (не более 10 мкл на одно измерение); расширение диапазона использования способа (проведение измерений в условиях слабых гравитационных полей и невесомости космические летательные аппараты, орбитальные станции и т.п.); повышение экспрессности способа за счет сокращения времени термостатирования микроколичеств жидкости при измерениях.

Это достигается тем, что в способе определения вязкости диэлектрической жидкости методом капиллярного вискозиметра, заключающемся в измерении времени движения жидкости по капилляру, один срез капилляра помещают в жидкость, а с помощью двух электродов типа острие-плоскость создают неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра и измеряют напряжение между электродами. Вязкость жидкости определяют по формуле (1) где η коэффициент вязкости жидкости; e_o электрическая постоянная; ε диэлектрическая проницаемость жидкости; U напряжение между электродами; t время движения жидкости по длине l капилляра под действием сил электрического поля; b фокусное расстояние электрода-острия; L - расстояние между электродами; r радиус капилляра.

В случае стационарного ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости вдоль оси Z цилиндрического капилляра радиуса r при совместном действии градиента давления ∂p/∂z и внешней массовой силы f(z), действующей со стороны неоднородного электрического поля на жидкость с диэлектрической проницаемостью ε, уравнение Навье-Стокса имеет вид (Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. М. Наука, 1986) (2) где V(y) скорость течения жидкости по капилляру; y радиальная координата; η и r динамическая вязкость и плотность жидкости соответственно.

Так как правая часть (2) не зависит от y, то (3) Значение постоянной l находится из граничных условий p=p₀ при z=0 и p=p(l) при z=l (4) где l длина столба жидкости в капилляре, образованного за время t под действием сил электрического поля; p₀ давление на поверхности жидкости; p(l) гидростатическое давление столба жидкости в капилляре.

Из (3), (4) следует, что

где Δp = p(l) - p_o.
Очевидно, что в условиях слабых гравитационных полей и невесомости

В этом случае
(5)
Следовательно, каждому положению мениска жидкости в капилляре соответствует определенное значение λ(t). Величину скорости движения жидкости по капилляру находят из уравнения (2), которое при указанных условиях сводится к обыкновенному дифференциальному уравнению
(6)
с граничными условиями:
при y=r V=0 условие прилипания на стенке;
при y=0 dv/dy=0 условие стационарности течения.

Решение уравнения (6) при данных граничных условиях есть

Отсюда средняя по сечению скорость жидкости в капилляре равна
(7)
Величина массовой силы, действующей со стороны электрического поля на жидкость в капилляре равна (Ландау Л. Д. Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Т. 8. -М. Наука, 1982, с. 95)
(8)
где E(z) напряженность электрического поля между электродами.

Расчетную модель электродов удобно представить в виде софокусных гиперболоидов вращения, один из которых аппроксимирует игольчатый электрод, а другой вырождается в плоскость. Тогда можно показать, что напряженность электрического поля на оси капилляра есть
(9)
где U напряжение на электродах; L расстояние между ними; b фокусное расстояние гиперболоида-острия.

Время t, за которое жидкость под действием сил электрического поля пройдет расстояние l, равно
(10)
Подставляя выражение (9) в (8) и проведя интегрирование в (7), с учетом (10) получают формулу (1), по которой определяют вязкость жидкости.

Из приведенного следует, что в данном способе определяющими силами, которые обеспечивают движение жидкости по капилляру, являются силы электрического поля f(z), так как величину dE/dz можно сделать сколь угодно большой за счет соответствующей конфигурации электрода-острия. Поэтому f(z)>g, где g ускорение свободного падения. Следовательно, предложенный способ измерения вязкости диэлектрической жидкости применим в условиях слабых гравитационных полей и невесомости.

Количество жидкости, требуемое на одно измерение, очевидно, очень мало, так как жидкость при измерениях занимает лишь объем капилляра, не вытекая из него. В данном способе объем жидкости для одного измерения не превышает 10 мм³. Отсюда следует, что для такого малого количества жидкости необходимо и малое время его термостатирования, а следовательно и время, необходимое на одно измерение, будет значительно меньше, чем в каких-либо других способах.

На чертеже представлена схема реализации способа.

В микроемкость 1 с исследуемой жидкостью помещают срез капилляра 2. С помощью электродов 3, 4 типа плоскость-острие, которое подключают к источнику 5 постоянного тока высокого напряжения, создают неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра. Измеряют напряжение между электродами по киловольтметру 6 и время движения жидкости на известной длине капилляра. Вязкость жидкости вычисляют по формуле (1).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Измерялась вязкость этиленгликоля и трансформаторного масла. Измерения проводились при нормальных условиях (температура 20 ± 0,5^oС) в поле тяжести Земли (g ≃ 9,81 м/с²). На электроды подают постоянное напряжение от высоковольтного источника УПУ-10, которое измеряют электростатическим вольтметром С196. Смещение мениска жидкости в капилляре на расстояние l за время t определяют с помощью катетометра КМ-6 и секундомера GОС. Остальные условия проведения измерений представлены в таблице.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет преимущество в экономии исследуемой жидкости так как позволяет проводить измерение вязкости малых ее количеств и сокращает время измерений.

Расширяет область его использования, так как позволяет измерять вязкость жидкости в условиях невесомости или слабых гравитационных полей, так как во всех случаях определяющими являются силы электрического поля, действующие на жидкость.

Формула изобретения

Способ определения вязкости диэлектрической жидкости, включающий измерение времени движения жидкости по капилляру, с использованием которого вычисляют вязкость, отличающийся тем, что один конец капилляра помещают в анализируемую жидкость, создают с использованием пары электродов "острие-плоскость" неоднородное электрическое поле, направленное по оси капилляра, измеряют напряжение между электродами, а вязкость жидкости вычисляют по формуле

где η динамическая вязкость жидкости;
e_o электрическая постоянная;
ε диэлектрическая проницаемость жидкости;
U напряжение между электродами;
t время движения жидкости по длине l капилляра под действием сил электрического поля;
b фокусное расстояние электрода-острия;
L расстояние между электродами;
r радиус капилляра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2