Способ контроля физико-механических свойств жидкости по ее колебаниям

 

Использование: для контроля комплекса физико-механических свойств высоковязких, легко воспламеняющихся, агрессивных жидкостей в условиях пожаро- и взрывоопасных производств. Сущность: в заявленном способе сопло погружают на заданную глубину в контролируемую среду, изменяют расход газа и измеряют частоту акустических колебаний, по значению которой в момент начала колебаний жидкости судят о поверхностном натяжении. Технический результат: обеспечение оперативности контроля поверхностного натяжения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэрогидродинамическим способам контроля физико-механических свойств жидкостей, и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Известен способ контроля вязкости жидкости по ее колебаниям (авторское свидетельство СССР 492787, кл. G 01 N 11/08, опубл. 25.11.1975, бюл. 43), основанный на воздействии струи газа на контролируемую жидкость, вызывающем изменение частоты автоколебаний образованного этой струей углубления с момента их возникновения на постоянную величину, например на 1 Гц, путем изменения давления подаваемой струи газа и по этому изменению определяют вязкость исследуемой жидкости.

При реализации такого способа возможно возникновение автоколебаний с различными частотами при различных расходах в зависимости от режима течения газа в струе. Способ также отличается сложностью и невысокой точностью преобразования инфранизких частот, а давление газа в подаваемой струе неоднозначно связано с величиной контролируемого параметра. Кроме того, при изменении давления в струе осуществляют изменение частоты от начального значения, являющегося собственной частотой жидкости, до некоторою другого значения, при этом стабильность генерации системы со второй частотой будет ниже из-за флуктуаций, влияние которых будет тем больше, чем меньше вязкость.

Известен также способ контроля физико-механических свойств жидкости по ее колебаниям (Авторские свидетельство СССР 1746256, кл. G 01 N 11/16, 07.07.92, бюл. 25). заключающийся в погружении сопла в контролируемую среду и подаче на его вход газа, формировании акустического амплитудно-модулированного колебания, измерении частоты и амплитуды изменения огибающей, о вязкости в котором судят по отношению амплитуды изменения огибающей к частоте колебаний жидкости.

Недостатком такого способа является невозможность измерения поверхностного натяжения.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения поверхностного натяжения, реализованный устройством (SU 1712834 А1, МПК G 01 N 13/02. Опубл. 15.02.92. Бюл. 6). Способ измерения поверхностного натяжения, принятый за прототип, заключается в том, что сопло погружают в контролируемую жидкость, подают на его вход газ через генератор акустических колебаний, формируют акустические амплитудно-модулированные колебания, определяют глубину погружения сопла в момент начала автоколебаний, по которой судят о величине поверхностного натяжения.

Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость определения глубины погружения сопла как параметра, определяющего поверхностное натяжение.

Технической задачей изобретения является обеспечение оперативности контроля комплекса физико-механических свойств.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что сопло погружают на заданную глубину в контролируемую среду, изменяют расход газа и измеряют несущую частоту акустического амплитудно-модулированного колебания, по значению которой в момент начала автоколебаний жидкости судят о поверхностном натяжении.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа контроля физико-механических свойств жидкости по ее колебаниям.

Устройство, реализующее способ контроля физико-механических свойств жидкости, состоит из регулятора расхода воздуха (газа) 1, установленного на трубопроводе подачи газа. К выходу регулятора 1 подключен аэродинамический генератор 2 клинового типа акустических колебаний, выход которого соединен с газоподводящей трубкой 3, погруженной на заданную глубину h в контролируемую жидкость 4. При подаче газа на вход газоподводящей трубки 3 за счет действия струи, образующейся на ее выходе, в контролируемой жидкости формируется газовый канал 5 с жидкостными стенками. Возникающие акустические колебания воспринимаются микрофоном 6, выход которого соединен с измерителями 7, 8 амплитуды А_ж и частоты F_ж амплитудно-модулированного колебания, соответствующих амплитуде и частоте колебаний жидкости, а также с измерителем 9 несущей частоты f_a акустических колебаний.

При контроле физико-механических характеристик жидкости газ с выхода регулятора расхода 1 подается на вход генератора 2 акустических колебаний. Изменение расхода газа однозначно определяет изменение его скорости W, которая в свою очередь увеличивает частоту f_а (Б.П. Константинов. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. Л.: Наука, 1974. - С. 50.), т.е.

где l - конструктивный параметр генератора; n=1, 2, 3,...

Струя газа, проходя через слой жидкости, образует газовый канал, который до критического значения скорости W<W газа в струе сохраняет устойчивую форму, при критической скорости газа W=W_кр режим взаимодействия принимает характер автоколебательного.

Начало автоколебательного режима взаимодействия определяется скоростью газовой струи, которая, в свою очередь, определяет поверхностное натяжение жидкости. Учитывая зависимость (1), можно записать, что σ = f(f_а.кр), где f_а.кр - частота акустических колебаний при критической скорости газа.

В системе "струя газа - жидкость" при скорости газа в струе, равной критической W=W_кр, возникают колебания, сопровождаемые изменением формы канала 5. Частота F_ж периодических изменений формы канала 5, т.е. инфразвуковых управляющих колебаний, определяется скоростью движения возникшей жидкостной волны по поверхности канала 5. Амплитуда инфразвуковых колебаний А_ж однозначно определяется амплитудой жидкостной волны.

В системе "струя газа - жидкость" в автоколебательном режиме взаимодействия осуществляется акустическая амплитудная модуляция, при которой на акустические колебания несущей частоты f_а.кр., излучаемые звукообразователем 2, накладываются колебания инфранизкой частоты F_ж, определяемые динамикой роста и движения волны по поверхности жидкости.

На вход микрофона 6 поступает акустическое амплитудно-модулированное колебание, параметры огибающей которого (амплитуда ΔA_ж изменения огибающей и частота инфразвукового управляющего колебания F_ж) несут информацию о вязкости контролируемой жидкости. Так как каждой жидкости, обладающей только ей присущими физико-механическими свойствами, соответствует определенная амплитуда ΔA_ж и частота F_ж, то для контроля вязкости жидкости нужно использовать их в определенной связи. Частота F_ж колебаний связана обратно пропорциональной зависимостью с вязкостью, а амплитуда ΔA_ж изменения огибающей, однозначно определяемая амплитудой волны, связана пропорциональной зависимостью с вязкостью жидкости, так как после возникновения волны на поверхности следа ее масса растет по мере движения по его поверхности за счет вязкого трения внутри пограничного слоя. О вязкости, исходя из изложенного, судят по отношению амплитуды изменения огибающей к частоте колебаний жидкости, т.е.

Учитывая, что жидкость представляет собой звено, осуществляющее фильтрацию частот, т. е. выполняет функцию фильтра нижних частот, присутствие колебаний звуковой частоты в газовой струе не будет оказывать влияния на происходящие в системе "струя газа - жидкость" процессы.

При прохождении струи газа через слой жидкости образуется газовый канал, который при критической скорости газа позволяет осуществить акустическую амплитудную модуляцию. Это дает возможность разместить информацию о контролируемых величинах в параметрах акустического амплитудно-модулированного колебания, при этом о величине поверхностного натяжения σ контролируемой жидкости судят по акустическим колебаниям несущей частоты f_а в момент наступления автоколебательного режима взаимодействия струи газа с жидкостью, а о величине вязкости η - по отношению амплитуды изменения огибающей ΔA_ж к частоте колебаний F_ж жидкости.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность оперативного контроля физико-механических свойств (вязкости и поверхностного натяжения) высоковязких, легко воспламеняемых, агрессивных жидкостей в условиях пожаро- и взрывоопасных производств.

Формула изобретения

Способ контроля физико-механических свойств жидкости по ее колебаниям, заключающийся в погружении сопла в контролируемую среду и подаче на его вход газа через генератор акустических колебаний, формировании акустического амплитудно-модулированного колебания, отличающийся тем, что сопло погружают на заданную глубину в контролируемую среду, изменяют расход газа и измеряют несущую частоту акустического амплитудно-модулированного колебания, по значению которой в момент начала автоколебаний жидкости судят о поверхностном натяжении.

РИСУНКИ

Рисунок 1