Способ и устройство для измерения вязкости жидкостей

 

Класс 421, о, АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ способа и устройства для измерения вязкости жидкости.

К авторскому свидетельству И. A. ГородинскогО, заявленному 13 апреля 1933 года (спр. о перв. № 127089), с присоединением заявки от 27 июня 1933 года (спр. о перв. № 131022).

О vûëà÷å авторского свидетельства опубликовано 3! января 1935 года. (32!) Существующие типы приборов для определе-, нн вязкости (вискозиметров) должны быть от- несены пр имуществ нно к лабораторным уст- ройствам, так как требуют сложных и довольно длигельных ман1пуляцйй и наличия сравнитель- пп большого количества исследуемой жидкости.

В настояшее время фактически отсутствует тип прибора, нригодного д я технических изме бдений, который отличался бы компактностью, простотой обращения н давал бы возможность быстрого получения результата и тр.бовал бы наличия малого количества исследуемой жидкости. 1

Эта задача разрешается предлагаемым спосо-,: бом измерения вязкости, который, поскольку можно судить по полученным в итоге исследова- г ий результатам, удовлетворяет перечисленным требованиям и состоит в том, что вязкость определяют по измен"нию резонансной частоты натянутой струны при погружении ее в исследуемую жидкость. а:.

На фиг. — 4 чертежа показаны устройства: для осуществления указанного способа, на фиг. 5 — 1Π— сгройства для осуществления видо- измененного способа.

Способ основан нд измерениях собственной частоты колебаний натянутой струны или иного аналогичного тела, Как известно, собственная частота натянутой н закрепленной в двух точках

iòðóíû, зависит от ряда факторов, как-то: натя- 1 жения, материала, размеров, удельного веса и т. и.

Кроме этих величин имеют влияние также и свойсгва ср.ды, в которую помещена струна.

Для рассмотрения этого явления необходимо предва рительно уяснить физическую его сторону.

Можно считать, что имеется в виду струна колеблгощаяся под действием снл, величина котоDbIx изменяется по синусоидальному закону.

Подооный случай будет иметь место, если по струне, помещенной в каком-либо сильном постоянном магнитном поле, пропускать переменный ток синусоидальной формы кривой.

Далее. если рассматривать влияние какойлноо добавочной нагрузки, приложенной в некоторой части струны, либо равномерно распределен ой вдоль ее рабочей части, то Irwin дает следующую приближенную зависимость изменения, так называем й, резонансной частоты струны от величины гр„за, приложенного к ее средней части:

У, м

М+М, гда /г, и уэ- — собственные частоты нагруженной и ненагруженной нитей, М вЂ” вес нити, а Мг— вес нагрузки.

Таким образом видно, что груз, приложенный к вибрирующей струне, понижает собственную резонансную частоту системы, причем в.дичина этого снижения может быть подсчитана в каждом отдельном случае.

В случае погружения колеблющейся струны в какую-либо жидкую среду, она приводит в движение частицы жидкости, которые как бы прилипают к поверхности струны и играют роль добавочной, распределенной по длине струны, нагруз и. Однако, вопрос о том, какая часть жидкости колеблется вместг со струной, требует решения весьма сложной гидродинамической задачи.

Поэтому, в данном случае гораздо проще определить некоторый коэфициеит — „постояннуюю",— зависящий от формы ьогерхности колеблющейся системы, который остается одинакоьым для 1сех типов и сортов жидкостей, независимо ьт, их физических сьойств. Вывести эту постоянную можно, исходя из следующих соображений: из расчета колебаний натянутой струны в магнитном поле можно вывести зависимость угловой частоты колебаний ьибратора во при отсутствии трения от частоты в нри наличии трения.

В качестве частоты во может быть с достаточной точностью принята частота системы в иозд)хе.

Зависимость эта будет следующая: о> = угв; г, где h — коэфициеит трения.

Коэфициьнт трения

» с

,,А где и. — некоторая часть веса подвижной системы, определяемая подсчетом, а с — постоянная трения среды. ьеличина — примерно аьная >;з веса нити, Далее считая. что

c>=в — х о получим

1г = воа в - = (во — в) (во + в) = х (- во — х) где х — |еличина смещения час1оты, h = — уг 2во х — хг

Принимая h = а g, где >j — коэфициеит вязкости, получйм:

1 .г, 7 — а у 2вох — Аг а

Здесь а является конструктивной постоянной подвижной системы прибора.

Таким образом, определение вязкости жидкости может быть фактически выполнено следующим образом. Достаточно определить постоянную а системы в лакой-либо эталонной (известной вязкости) жидкости, после чего, имея константу прибора, можно ве ьма просто определить вязкость любой другой жидкос ти, по из» менению резонансной частоты системы, погруженной в эту исследуемую среду.

Приведенные выш. формулы дают возможность определить вязкость жидкости либо путем пересчета, либо по кривым, составленным для подвижной системы с известной константой.

Вторым вопросом является метод нахождения резонансной часто>ы вибрирующей системы.

Хотя эти методы и нз входят в круг описания самого устройства для определения ьязкости, так как понятно, что для нахождения точки резонанса можно воспользоваться и любым иным методом, однако, ниже приводится для примера, наиболее простой as испытанных приемов.

Наиболее престым приемом является оптический метод, по измерению амплитуды колебания.

Очевидно, что наибольшая амплитуда колебания струны имеет место в точке резонанса. Таким образом, задача сводится к необходимости измерения амплитуды струны при различных частотах витающего струну генератора, поддержиьая нри этом силу тока ностоян> ой, т. е. 1-const

Частота, при которой амплитуда будет иаи. большей, и будет являться резонансной частотой

> нти, Для измерения амплитуды по оптическому ме>оду, > ити употребляются подобно галььанометру осциллографа. Для этого они снабжаются в средней части зеркальцем, га которое падает луч света or лампы, отражогощийся затем на экран, снабженный делениями. Зеркальце, вибрируя вместе с нп1ью (или нитями), дает иа экране изображение светлой полосы, подобно лому, I ак это имеет место в ьибрационном гальво нометре.

1аким образом, исходя из вышеприведенной формулы

1 т1 = — Уг 2 во х — хо> а можно определить ьязкость жидкости простым погру>кением вибрирующей сис>емы, сгачала в эталонную жидкость известной вязкости, а затем в исследуемую жидкость, онредсляя каждый раз точку резонанса.

Однако, как показ-:ла практика, подобный нрсстой прием пе вс.гда даег удовлетворительные результаты но следующим причинам: 1) уже нри небольшой вязкости исследуемой жидкости кривая резонакса системы сильно притупляется по сравнению с- резонансом воздуха, так что в этой точке дает веоьма небольшое увеличение амплитуды, с трудом улавли>аемое наблюдателем;

2) >.àõoæäåír å резонанса, пут.м изменения частоты генератора и нри сохранении силы. тока

1-const, предста> ляет довольно кронотлпвую операцию, учитывая особенно, что в существующих о ипох генераторов весьма трудно добиться вполне пгаьного изменения частоты иа большом диапазоне, что является основным условием правильной постановки испытания.

Поэтому в таком виде метод этот может быть применен лишь для жидкостей ьесьма малой плотности и притом обладающих достаточной степенью прозрачности, так как в случае непрозрачной жидкости луч света не сможет попасть на зеркало и отразиться на экран.

Исходя из этих соображений, предлагается ряд усовершенствований описанного i-ыше метода, устраняющих указанные недостатки, а именно:

В случае исследования жидкости с большой абсолютной вязкостью, когда i:Måíüøåíèå величины резогансной частоты системы может достигнуть геличииы, так называемого, „критического успокоения", т. е. полного прекращения свободйых колеоаний системы. предлагается следующий метод, Исследуемая жидкость растворяется в другой жидкости с низким значением ее абсолютной вязкости и вязкость которой известна.

Определив вязкость смеси и зная вязкость рас" творителя, можно подсчитать абсолютную вязкость исследуемой жидкости.

В осноьном, описанном выше случае, можно исходить из тех соображений, что вся струна целиком погружена в исследуемую жидкость.

Очег.идно, что, если струна погружена в жидкость не полностью, а частично, то величина добавочной нагрузки, а равно снижение собственной частоты системы будет значительно меньше.

Следовательно, в последнем случае метод этот будет пригоден и для жидкостей с большой вязкостью, что весьма расширяет область его применения. Далее очевидно, что наибольшую амплитуду колебания струна имеет в средней части и наименьшую у точек крепления, на концах.

Исходя из уравнения колеблющейся ст 1уны, можно получить следую1цую формулу:

h (—.х 1

hi = — (1-- cos

=2() где hi u h соответственно ьоэфициенты трения для случаев частично,и полнсстью погруженн.й стру -ы, а х-часть струны (длиной !), пог, уженная в жидкость. Эта формула вьедена, искодя из того случая, когда магнит ое поле действует на

r.cro струну. Однако, при сравнительi о большой длине струны, что удобнее для исследования, вьптолнение этсго услоьия представляет затруднения.

Поскольку на .рантике гыгоднее, чгобы магнитное поле действоь ало не íà Lcio струну, а лишь на ее с еднюю часть, с эем, чтооы сам ма; нит не погружался в жидк сть, то все уст;.ойство примет вид, изображенный на фиг. 2, где 3 — магнит, дьйствуюший на среднюю часть натянутой двгйвой струьы 2, на которой укреплено зеркальце 1. Самая методика исследования существенно отлича тся от описанной ьыше. десь частота генератора остается Lc время тюстояннвй, струна же i:àñòðàèaàåòñÿ на чзсготу, примерно, на 30 — 40% ьыше частоты генератора. трупа приводится в колебание, после чего ься систем, помошью микрометрической устано) ки, постепенно, в ьертикальнсм положении, погружается в исследуемую жидкосгь, как изображено на фиг. 2. По мере погружения системы, ее частота будет снижаться до тех пор, пока она не сраьняется с частотгй г, нератора, что наблюда ель узнает по иасгунлению резонанса. Спределив длину погруженной ь жидкость части вибратор, а и зная его обшую длину, а также начальную и предельную час.оты,— не представляет труда определить вязк< сть жидкости.

Спссеб этот исключительно прост.

Можно э:о устройстьо видоизменить так, как показано нэ фиг. 3. Эта фигура дает изображение того же вибратора что и фи . 2 с одним дабаьлением: между крайними опорами на ьити надето кольцо 5,. которое может передвигаться вдоль длины нитей по нэправляюшей 6. Положение кольца отмечается стрелкой на неподвижной шкале.

В кольцо наливается некоторое количество жидкости, которая благодаря поверхносгому натяжению, удерживается на нем. Жидкость тормозит колебание нитей, понижая резонансную частоту последних.

Таким образом, получается эффект, аналогичный погружению части струны в жидкость.

В виду наличия поверхностного натяжения процесс приобретает весьма сложный характер, в виду чего из-за трудности подсчета приходится определять константу прибора эмпирическим путем, что не составляет больших затруднений.

Для удобства удержания жидкости кольцу можно придать вид полой круглой коробки с двумя отверстиями в центре (фиг. 4), сквозь которые и проходят нити.

Определение вязкости может быт также произведено и следуюшим образом. Опр деля ют собственную частоту струны о воздухе. Затем опускают ее в исследуемую жидкость, причем, разумеется, собстьенная частота сист мы снизится; затем увеличивают натяжение нитей, хотя бы путем оттягивания пружины 8 (фиг. 1) до тех нор, пока струна снова не будет в резонансе с колебаниями генератора. Зная число сделанных оборотов регулируюшего пружину винта и ее силу, можно вполне просто подсчитать величину вязкости жидкости. В этом случае, нет необходимости менять частоту генератора колебаний, что дает возможность обойтись генератором лишь на одну п стоянную частоту, упрощая необходимую аппаратуру. Кроме того, в последнем случае генератор может быть xo,>oøo стабилизован (кварцем или другими методзми).

Для определения вязкости могут быть использ васы 1ибрации не струны, а другого упругого тела различной формы, которое закреплено лишь с одно" стороны.

Во многих случаях подобный способ представляет ряд преимушеств по сравнению с вышеуказанным способом.

В простейшем случае в качестве такого тела может быть использована зажатая с одно о конца ле1кая. стальная или иного материала, упругая пластинка, тина язычка обычного вибрационио.о частотомера. Эта пластинка мож т быть настроеíà ia определенную частоту, причем по изменению ее резонансной частоты при погружении ее в жидкость определяют ьязкость последней .

Примерная форма r.ûïoëíåíèÿ устройства состоит в следуюшем (фиг. Ь). Виб ируюшая пластинка 1, заключе»нзя в прозрачный снабженный делениями цилиндрический сосуд 2, ь верхней, незакрепленнсй, части срабя:ена зеркальцем 3, отражаюшим луч света от источника 4

«а матовый экран 5 в виде св тящейся точки, которая ь случае колебаний пластин:.и размазывается в полоску. < >днако применение световой полоски не сбязательно. так как обычно колебания можно наблюда1ь непосредственно, за исключением тех случаев, когда в целях умень»»ения торможения, работают на очень малых амплитудах колебаний.

Возбужд ние вибраций может быть осушествлено самыми разнообразными способами. Либо непосредственно подьедением электромагнита к пластинке, либо путем передачи вибрации через основание держателя гластинки (фиг. 5).

Методы изм рения вязкости подобным прибором могут варьироваться различным образом, в ззвисимости от сбстаиовки исследования. Например: 1) Зная частоту пластинки в воздухе, заполняют сосуд до известного уровня исследуемой жидкостью, после че о определяют измене. ние частоты настройки пластинки по ее резонансу.

Определив константу прибора по методу, аналогичному указанному выше, не представляет труда подсчитать ьязкость жидкости. 5 этом случае необходимо иметь источник тока переменной частоты определенного диапазона.

2) Зная частоту пластинок в воздухе, заполняют сосуд исследуемой жидкостью до тех пор, пока частота пластины, постепенно понижаясь, не совпадет с частотой возбуждаюшего колебания тока, что обнаруживается наступлением резонанса колебаний пластинки, После этого, по глубине погружения е в жидкость (по делениям, нанесенным ьа стенках сосуда) подсчитывают вязкость, Для возбуждения колебаний здесь необходим источник тока лишь одной постоянной частоты.

3) Пластинка может быгь снабжена иа свооодном конце грузом, который одним из известных способов может перемешаться вдоль длины пластинки, навинчиваясь, либо перемещаясь в направляющих и т. и. (фиг. 6 и 7). В этом случае необходим генератор одной постоянной ч."стоты.

Предварительно пластинка перзмещением (подкручиванием) груза настраивается ь резонанс с переменным током. Затем сос>д заполняе>ся до определенного деления жидкостью. После этого подкоучива»ием груза вновь добиваются резонанса. Отмечая смешение груза (по помещенной возле пластинки неподви>кной шкале) подсчитывают вязкость.

4> Пластинка в нижней части может быть зажата между двумя пружинящими пластинками А. Ат (фиг. 8).

Пластинки могут помощью микрометрического винта перемещаться друг относительно друга.

При этом будет меняться точка крепления, следовательно, рабочая длина пластинки.или, иначе, ее с<>бственная частота колебаний.

Такое устройство допускает более удобну>о и точную регулировку.

Возможны, понятно, и другие приемы измерения, в той или иной степени варьирующие приведенные выше.

Приведенное устройство имеет ряд преимушеств и удобств по сравненик> с методом колеолющейся струны, хотя и является более грубым индикатором. Оно весьма просто и удобно в обращении, не боится повреждений и мо>кег найти, повидимому, широкое применение при технических, производственных испытаниях, в дорожной обстановке и проч., являясь весьма компактным прибором, дающим быстрый отсчет без длительных манипуляций требующихся в обычных типах вискозиметров.

Весьма гажным является вопрос о генераторе колебаний. В виду низкой .частогы вибрирующих пластинок в ряде случ>ев может быть использован ирос<о переменный ток осветительной сети.

В других случаях мо;кет быть использован настроенный на постоянную чзсготу зуммер, либо, так называемый, зуммермикрофон, обычный камертон с электрическим контактом, катодный

>.енератор и т. п.

В случае, когда необходима пер и иная частота генератора, может быть применен камертон с передвижными грузами, регулируемый катодный генератор и т. и.

Весьма удобным, может быть, в этом случае является следующее устройство (фиг. 9). Индуктор переменного тока 1, по типу. применяемых в испытателях изоляции (без коллектора) используется для питания электромагнита 2 вибрирующей пластинки. Индуктор снабжен тахометром 3, указывающим скорость вращения и проградуврованным в частоте переменного тока (либо прямо вязкости). Вибрирующая пласгинка 4 расположена рядом с его шкалой и можег быть наблюдзема одновременно (либо отражение светового „зайчика от зеркальца пластинки отбрасывается на ту же шкалу). Вращая с перемени >й скоростью якорь индуктора от руки, наблюдают одновре»енно за шкалой и гибрирующей пластинкой. Показания стрелки тахометра в момент резонанса язычка дадут его частоту.

8 данном слу.чае нет необходимости в равномерном вращ нии, так как отсчет производится f10 м.новенным показателям. Возможно также снабдить црибор контактами 5, замыкаемыми самой вибрирующей пластинкой 4 по достижении ею максимальной (резонансной) амплитуды. Контакт этот может быть исп"льзован для замыкания цепи либо неоновой, либо обычной лампы 6 (отмечено пунктиром), освещающей шкалу в моменг резонанса и: астинки и избавляющей от необходимости следить одно>:ременно за двумя указателями, либо, что еще целесообразн е, для ттриведения в действие электромагнита, автоматически стопорящего стрелку тахометра в момент резонанса колебаний плас-инки.

Обычная фо;>ма плоской прямоугольной пласгинки, типа применяемых в i.èá >ационных частотомерах, нри полном погружении <;е в жидкость, благодаря большой поверхности, получает с ишком большое демпфирование (успокоение), в связи с чем резонанс будет сильно притуплен, и нахождение точки максимальной амгглитуды будет затруднительно, Поэтому форма колеблющегося тела должна быть выбрана соответствующим образом. Пластинка долн<на быть снабжена вырезами или отверстиями, уменьшающими тормозящее влияние жидкости. Пред:>агается выполнение вибрирующего тела из тонкой жидкости сгальной проволоки — одной, либо двух и более, параллельно зажатых в основании прибора и связанных вместе в верхней свободной части (фиг. 10). Вместо проволоки может быть применена трубочка соответствующего диаметра.

Однако, черезмерное успокоение создает затруднения лишь. в случае полного погружения пластинки в н<идкость. При частичном ее погружении, когда наиболее колеблющаяся верхняя часть находится вне жидкости, явление притупления резонанса почти не наблюдается.

Путем различного погружения пластинки в >кидкосгь представляется возможность исследования жидкостей в весьма большом диапазоне, от самых подан>кных и до переходящих в твердое состояние, ч<о неосг>цесгвимо в обычных типах вискозиметров.

В н которых случаях более удобным способом опр деления частоты вибрирующего язычка может явиться использование его в качестве сзмовозбуждающегося генерагора к деланий по типу, так называ мых, камертонных ламповых генератор в, причем вместо каме.>тона применяется виорирующая пластинка (язычок).

Подобное устройство, н.смог.>я иа некоторое усложнение (наличие схемы генератора) все же дает значительные преимущества, так как определени частоты пласгинки производится не по ее резонансу> а непосредственно изм:".рением частоты генератора. Поэтому, притупление кривой резонанса и вообще форма ее затрудняетиаблюдения, так что в этом случае можно работать с сильно демпфированиой виб,>ируюшей пластинкой.

Предмет изобретения.

1. Способ измерения вязкости жидкости,, I отличающийся тем, что вязкость оцределяют ло, изменению резонансной частоты натянутой стоу- ны при погружении ее в исследуемую жидкость.

2, Прием осуществления способа по п. 1, путем применения генератора колебаний, питаю- . щего струну, помещенную в постоянном магнит- ном лоле, вызывая ее вибрации (либо струны, . питаемои постоянным током и помещенной в переменном магнитном поле), отличающийся тем, что генератор настраивают на определенную частоту, отличную от собственной частоты вибрирующей струны в воздухе, а затем погружают постепенно струну вертикально в исследуемую жидкость до тех пор, пока частота струны не совпадет с частотой генератора и не придет в резонанс, после чего по длине части,,: струны, погруже. ной в жидкость, либо по соотношению длины погруженной и непогруженной частей определяют вязкость исследуемой жидкости.

3. Видоизменение способа по пп. 1 и 2, от.личающееся тем, что некоторое количество исследуемой жидкости нан сят на отверстие кольца или цилиндра, охватывающего виб,.ируюшие струны, а затем кольцо вместе с жидкостью перемешают вдоль нитей до достижения необходимой частоты колебаний системы. 1

4. Видоизменение способа по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вязкость жидкости определяется по величине изменения натяжения струны, погруженной в жидкость, необходимого для восстановления прежней резонансной ее частоты, которую она имела в воздухе или в эталонной жидкости.

3. Устройство .для измерения вязкости по пп. 1 — 3, с применением одной или более натянутых струн, вибрируюших в магнитном поле, отг ичаюшееся применением охватывающего пяти кольца или цилиндра 1, содержащего исследуемую жидкость и снабженного приспособлением для перемешеиия его гдоль натянутых нитей (фиг. 3).

6. Форма выполнеьия устройства по п. 5, отличающаяся тем, что передвижное кольцо 1 выполнено в виде плоской коробки 9, снабженной двумя отгерстиями для прохождения нитей вибрирующей системы (фиг. 4).

7. Видоизменение способа по и, 1, отличающееся тем, что вязкость определяют по изменению резонансной частоты колебаний какого-либо зажатого с одного конца упругого тела при погружении его в исследуемую жидкость.

8. Прием осуществления способа по п. 7, отличающийся тем, что определение вязкости осуществляют путем перемещения груза, укрепленного на свободном конце вибрируюшей пластинки, сначала в воздухе, а затем после частичного или полного его погружения в исследуемую жидкость.

9. Прием осуществления способа по п. 7, отлича1ощийся тем, что необходимое для измерения вязкости изменение частоты колебаний пластинки осушествляют путем изменения ее рабочей длины в точке крепления.

10. Устройство для осуществления способа по и. 7, отличающееся применением зажатой с одного конца пластинки, заключенной в предназначенный для заполнения исследуемой жидкостью сосуд и приводпмой в колебание.

11. Форма выполнения устройства по и. 10. отличающаяся тем, что вибрирующее тело выполнено из одного или большего числа связанных трубчатых стержней из упр того мзтериала.

12. Форма выполнения устройства по п. 10, отличающаяся тем, что, в целях определения собственной частоты вибрирующей пластины, последняя использована для возбуждения электрических колебаний каким-либо из известных способов (например, включением в магнитную цепь катодного генератора и т. п.).

13. Форма выполнения устройства по пп. 10 — 12, отличающаяся тем, что вибрирующая пластинка снабжена контактом, предназначенным для замыкания сигнальной цепи, приводящей в действие какое-либо осветительное или магнитное устройство, фиксирующее поло:кение стрелки прибора, указывающего частоту генератора колебаний, возбуждающего вибрации пластинки.

h авторсному свидетельству И. А. Городинского

М 41243.

Фиг) fg

Йигг, ф„Щ, Фг

Эксперты И. Г. Вайншток и А. В. Уткин

Редактор А. В. Уткин

Тип. „Промполиграф. Тамбовская, 12. Зак. 2056