способ определения вязкости жидкости

Формула изобретения

Способ определения вязкости жидкости, заключающийся в измерении начальной высоты столба жидкости в емкости и времени истечения определенного объема жидкости через цилиндрический канал под действием силы тяжести, отличающийся тем, что в процессе истечения производят не меньше трех замеров высоты столба жидкости в емкости, измеряют наклон выпускного цилиндрического канала, а вязкость вычисляют по формулам

где с - константа;

n - количество замеров высоты столба жидкости в емкости;

H_j - ряд измеренных значений высоты столба жидкости в емкости над входом в выпускной канал;

L - длина цилиндрического канала;

- угол наклона канала к горизонту;

Н₀ - высота столба жидкости в емкости в момент начала замеров Н и времени t;

t_j - моменты замеров H_j ;

t₀ - начальный момент замера H;

R - внутренний радиус цилиндрического канала;

R_c - радиус цилиндрической части емкости;

d_i - коэффициенты ряда, аппроксимирующего распределение скорости жидкости в канале;

N - количество членов ряда, определяемое требуемой точностью расчетов;

- искомая кинематическая вязкость жидкости;

g - ускорение силы тяжести;

p_g - плотность газа в полости, в которую происходит истечение жидкости;

- плотность жидкости.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области исследования физических и химических свойств жидкостей.

Известен способ определения вязкости жидкости (А.с. №1191779, G 01 N 11/08, 1985 г.) по разнице времени истечения через капилляр одинакового объема контролируемой жидкости и жидкости с известной вязкостью. Недостатком данного способа является сложность реализации способа, требующая фактического удвоения затрат на оборудование.

Известен способ определения вязкости жидкости (А.с. №493703, G 01 N 11/08, 1976 г.), заключающийся в измерении времени истечения постоянного объема контролируемой жидкости из капилляра под действием силы тяжести или внешнего давления и вычислении вязкости. Недостатком данного способа является низкая точность определения вязкости, так как истечение происходит при переменной высоте столба жидкости, что не учитывается при вычислении вязкости

Известен способ определения вязкости жидкости (А.с. №1176213, G 01 N 11/08, 1983 г.) с помощью капиллярного вискозиметра путем фиксации уровня среды при постоянном установившемся режиме истечения и фиксации высоты столба среды, соответствующей началу капельного истечения. Недостатком данного способа является сложность его реализации, вызванная необходимостью стабилизации уровня среды при постоянном режиме истечения.

Ближайшим аналогом к предлагаемому является способ определения вязкости жидкости (Щепкин С.И., Кулаков М.В. Автоматические контрольно-измерительные приборы для химических производств. М., 1961, с.534-536), заключающийся в определении времени истечения определенного объема жидкости из емкости через капилляр под действием силы тяжести и вычислении динамической вязкости по формуле Пуазейля

где - динамическая вязкость;

d - внутренний диаметр капилляра;

g - ускорение силы тяжести;

Р - перепад давления, действующего на столб жидкости в капилляре;

l - длина капилляра;

Q - средний объемный расход жидкости, равный Q=V/t;

V - объем жидкости, вытекшей через капилляр за время t:

- кинематическая вязкость жидкости;

- плотность жидкости.

Недостатком этого способа является невысокая точность определения вязкости вследствие применения формулы, описывающей стационарное истечение при постоянном перепаде давления, действующего на столб жидкости в капилляре, к процессу истечения при переменном перепаде давления, так как высота столба жидкости в емкости над капилляром уменьшается в процессе истечения, причем нелинейно во времени.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности определения вязкости жидкости при переменном перепаде давления, действующего на столб жидкости при ее истечении через цилиндрический канал.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе определения вязкости жидкости, заключающемся в измерении начальной высоты столба жидкости в емкости и времени истечения определенного объема жидкости через цилиндрический канал под действием силы тяжести, новым является то, что в процессе истечения производят не меньше трех замеров высоты столба жидкости в емкости, измеряют наклон выпускного цилиндрического канала, а вязкость вычисляют по формулам:

где с - константа;

n - количество замеров высоты столба жидкости в емкости;

H_j - ряд измеренных значений высоты столба жидкости в емкости над входом в выпускной канал;

L - длина цилиндрического канала;

- угол наклона канала к горизонту;

Н₀ - высота столба жидкости в емкости в момент начала замеров Н и времени t;

t_j - моменты замеров H_j ,

t₀ - начальный момент замера Н;

R - внутренний радиус цилиндрического канала;

R_c - радиус цилиндрической части емкости;

d_j - коэффициенты ряда, аппроксимирующего распределение скорости жидкости в канале;

N - количество членов ряда, определяемое требуемой точностью расчетов;

- искомая кинематическая вязкость жидкости;

g - ускорение силы тяжести;

_g - плотность газа в полости, в которую происходит истечение жидкости;

- плотность жидкости.

Система (1)...(4) получена из более общего аналитического решения системы уравнений неразрывности и Навье-Стокса, описывающих нестационарное однонаправленное движение вязкой жидкости в цилиндрическом канале постоянного сечения:

с использованием следующих допущений и граничных условий:

где t - время;

W(t,r) - скорость жидкости;

z, , r - продольная, угловая и радиальная координаты;

F_r, F - проекции массовой силы на оси r и ;

P(t,z) - давление жидкости в канале;

H(t) - высота столба жидкости в емкости над входом в выпускной канал;

P₀ - давление над поверхностью жидкости в емкости;

Р_а2 - давление жидкости на выходе из канала;

Можно доказать (или убедиться подстановкой), что системе (5)...(8) при условиях ограниченности параметров (9) и (10) удовлетворяют следующие выражения:

где d_i равны (4).

Константа с, зависящая от параметров емкости, канала и жидкости, вычисляется по выражению (1) с использованием ряда экспериментальных значений H_i при n 2. Значения d₀ и однозначно определяются из условий (2) и (3).

Способ осуществляется следующим образом: систему, состоящую из емкости частично или полностью цилиндрической по форме, выпускного трубопровода длиной L с клапаном на конце, заполняют исследуемой жидкостью, измеряют давление и температуру окружающего воздуха, измеряют угол наклона выпускного цилиндрического канала, открывают клапан для слива жидкости при атмосферном давлении и после 2-5% опорожнения емкости производят в моменты t₀, t₁, t ₂, ... замеры уровня жидкости в цилиндрической части емкости, после чего закрывают клапан и вычисляют значения c с использованием выражения (1), а - с использованием условий (2), (3) и формул (4). Последний замер Н_i должен быть произведен не позднее чем жидкость опустится ниже цилиндрической части емкости.