Способ одновременного определения плотности и вязкости жидкостей

 

Использование: для исследования физических и физико-химических свойств жидких сред в научной практике, нефтяной, химической, автотракторной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности для контроля и диагностики жидкостей различного назначения. Способ заключается в том, что тело массой m и объемом V приводят в движение в жидкости 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, по измеренным параметрам определяют плотность и вязкость. Технический результат: повышение точности измерения плотности и вязкости жидкостей. 3 ил.

Способ относится к области измерительной техники и может быть использован для исследования физических и физико-химических свойств жидких сред в научной практике, нефтяной, химической, автотракторной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности, в медицине для контроля и диагностики жидкостей различного назначения.

Известен способ измерения вязкости жидкости (см. патент 2080584, G 01 N 11/12, 1997 г.), заключающийся в том, что осуществляют разгон шарового зонда радиусом R и плотностью его материала ρ₃ до обусловленной скорости движения, обеспечивают его свободное всплытие в жидкости по инерции, измерение в момент времени t координаты h, или скорости v, или ускорения dv/dt осуществляют на участке всплытия зонда и определяют постоянную времени Т экспоненты замедленного движения как решения соответствующего уравнения из следующих трех: где v₀ - значение скорости всплытия зонда в момент времени t₀=0; h_м - наибольшая высота всплытия зонда; t_м - время достижения зондом точки траектории всплытия с высотой h_м, вязкость рассчитывают по формуле: η = (R²ρ)/(4,5T). Данный способ не позволяет проводить определение плотности.

Известен также способ определения плотности и вязкости жидкостей (см. патент 2084865, G 01 N 11/10, 9/08, 1997 г.), заключающийся в том, что осуществляют разгон шарового зонда радиусом R и плотностью его материала ρ_З до обусловленной скорости движения, направленной под углом к горизонту, обеспечивают его свободное всплытие до точки начала погружения без достижения поверхности жидкости с последующим погружением, измеряют времена t_i достижения центром зонда обусловленных высот h_i и времени t_j обусловленных точек горизонтальной составляющей траектории движения I_j, после чего рассчитывают плотность жидкости по формуле: где ρ_Ж - измеряемая плотность жидкости;
v_j - начальное значение горизонтальной составляющей скорости движения зонда нa j-м участке горизонтальной составляющей траектории его движения;
v_j+i - конечное значение горизонтальной составляющей скорости движения зонда нa j-м участке горизонтальной составляющей траектории его движения;
v_i - начальное значение вертикальной составляющей скорости всплытия зонда на i-м участке вертикальной составляющей траектории его движения;
- расчетные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скоростей движения зонда нa j-м и i-м участках соответственно;
g - ускорение свободного падения;
- проходимые зондом горизонтальная и вертикальная составляющие движения зонда;
а вязкость жидкости рассчитывается или из соотношения

или из соотношения

или как среднюю или среднеквадратичную величину по результатам двух расчетов.

Недостатками данного способа являются низкая точность определения вязкости и плотности жидкости из-за того, что зонд обладает конечными размерами и регистрация параметров движения его центра масс осуществляется с точностью до размеров зонда, а также то, что для проведения замеров необходим большой объем жидкости.

Изобретение направлено на повышение точности измерения плотности и вязкости жидкостей.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в приведении в движение в жидкости тела массой m и объемом V, причем движение тела осуществляют вверх силой F₁, 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 ρ и вязкость η жидкости находят по формулам:


где ρ_п - плотность тела;
g - ускорение свободного падения;
h - пройденное телом расстояние на данный момент времени;
k_η = S/σ,
S - площадь поверхности тела, соприкасающейся со сдвигаемыми слоями жидкости;
σ - толщина слоя жидкости, в пределах которого скорость движения сдвигаемых слоев жидкости изменяется от v₁ или v₂ до нуля.

В предлагаемом способе повышение точности измерения плотности и вязкости достигается тем, что тело массой m и объемом V, погруженное в жидкость, приводят в движение вверх внешней силой F₁, совершающей работу А₁₁ по перемещению тела на расстояние H:

где h - пройденное телом расстояние на данный момент времени.

Наряду с силой F₁ работу A₁₂ по перемещению тела вверх на расстояние Н совершает сила Архимеда F_A, работу А₁₃ - сила вязкого трения Ньютона F_тр1, работу A₁₄ - сила тяжести F_T:



где ρ - плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
η - вязкость жидкости;
k_η = S/σ;
S - площадь поверхности тела, соприкасающейся со сдвигаемыми слоями жидкости;
σ - толщина слоя жидкости, в пределах которого скорость движения сдвигаемых слоев жидкости изменяется от v₁ до нуля.

Таким образом, суммарная работа A₁ по перемещению тела вверх в жидкости на расстояние Н будет:

Эта работа вызывает изменение кинетической энергии тела на величину ΔE_k1:
A₁ = ΔE_k1; (6)

где E''_k1 и E'_k1 - кинетическая энергия тела соответственно в крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях при его перемещении вверх;
v₀₁ - скорость тела, которую оно приобретает в момент достижения крайнего верхнего положения.

Подставив (5) и (7) в (6), получим:

После достижения крайнего верхнего положения тело приводят в движение вниз под действием силы тяжести F_Т и силы F₂, направленной противоположно силе тяжести и имеющей меньшую, чем сила тяжести, величину. Кроме этих сил на движущееся в жидкости тело оказывают действие сила Архимеда _А и сила вязкого трения F_тр2. В этом случае работа каждой из этих сил при перемещении тела на расстояние Н определяется следующими уравнениями:




Суммарная работа А₂ по перемещению тела вниз в жидкости на расстояние Н будет:

Эта работа вызывает изменение кинетической энергии тела на величину ΔE_k2:
A₂ = ΔE_k2, (14)

где Е''_k2 и Е'_k2 - кинетическая энергия тела соответственно в крайнем нижнем и в крайнем верхнем положениях при его перемещении вниз;
v₀₂ - скорость тела, которую оно приобретает в момент достижения крайнего нижнего положения.

Подставим (13) и (15) в (14):

Сложим уравнения (8) и (16):

Из полученного уравнения выразим вязкость жидкости:

Вычтем из уравнения (8) уравнение (16):

Из полученного уравнения выразим плотность жидкости:

где ρ_п - плотность тела.

Из уравнения (18) выразим произведение k_ηη_s и подставим в (20). В результате получим выражение для определения плотности жидкости:

Из уравнений (18) и (21) следует, что для определения вязкости и плотности требуется измерения только скорости движения тела и внешней силы, обеспечивающей это движение, и не требуется измерение параметров, связанных с размерами тела. В то время как в прототипе определение плотности ρ и вязкости η осуществляется по результатам измерения времени и соответствующих параметров траектории движения зонда, привязанных к центру зонда, положение которого определяется с точностью до размеров зонда, что и ограничивает точность определения искомых параметров.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 представлено тело, погруженное в жидкость, с действующими на него силами при движении вверх. На фиг.3 представлено тело, погруженное в жидкость, с действующими на него силами.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг.1), содержит цилиндр 1, заполненный исследуемой жидкостью, в которую помещен поршень 2, подвешенный на нити, намотанной на шкив 3, который насажен на вал двигателя 4 со встроенным тахометром, с выходом которого связан регистратор 5 скорости движения поршня и регулируемый источник питания 6, задающий вращающий момент вала двигателя.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Регулируемым источником питания 6 задается вращающий момент M₁ вала двигателя. Этот момент создает силу F=M₁/r (см. фиг.2), где r - радиус шкива, действующую на поршень 2, который под действием этой силы начинает двигаться вверх со скоростью v₁, значение которой непрерывно фиксируется регистратором 5 скорости движения поршня до достижения им крайнего верхнего положения, и в том числе фиксируется скорость v₀₁, которую поршень имеет в момент достижения крайнего верхнего положения. После достижения поршнем 2 крайнего верхнего положения регулируемым источником питания 6 задается вращающий момент М₂ вала двигателя, которому соответствует сила F₂=М₂/r (см. фиг.3), действующая на поршень 2, величина которой задается условием F₂<(F-F_A). При этом поршень 2 начинает двигаться вниз со скоростью v₂, значение которой непрерывно фиксируется регистратором 5 скорости движения поршня до достижения им крайнего нижнего положения, и в том числе фиксируется скорость v₀₂, которую поршень имеет в момент достижения крайнего нижнего положения.

По полученным значениям сил F₁ и F₂, результатам регистрации скоростей v₁ и v₂ в течение всего времени движения вверх и вниз соответственно, и в том числе скоростей v₀₁ и v₀₂ в момент достижения поршнем крайних положений, по формулам (18) и (21) соответственно определяют сдвиговую вязкость и плотность жидкости.

Формула изобретения

Способ одновременного определения плотности и вязкости жидкостей, заключающийся в том, что тело массой m и объемом V приводят в движение в жидкости, отличающийся тем, что движение тела осуществляют 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 ρ и вязкость η жидкости определяют из соотношений


где ρ_п - плотность тела;
g - ускорение свободного падения;
h - пройденное телом расстояние на данный момент времени;
- коэффициент;
S - площадь поверхности тела, соприкасающаяся со сдвигаемыми слоями жидкости;
δ - толщина слоя жидкости, в пределах которого скорость движения сдвигаемых слоев изменяется от v₁ или v₂ до нуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3