Модернизация капиллярного метода измерения вязкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.2:532.5:519.6

МОДЕРНИЗАЦИЯ КАПИЛЛЯРНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

ВЯЗКОСТИ

А.В. ЧУПАЕВ

Казанский государственный технологический университет

В статье представлены результаты проведенного аналитического обзора вискозиметров, основанных на капиллярном методе измерения вязкости. Выявлены недостатки приборов, реализующих данный метод измерения, и предложены способы уменьшения их влияния. Разработаны измерительная процедура и функциональная схема нового устройства измерения вязкости. Сконструирован его макетный образец и проведены технические и метрологические испытания.

Ключевые слова: измерение вязкости, капиллярный вискозиметр, закон Пуазейля, измерительное устройство.

Наиболее трудным этапом на пути совершенствования автоматизированных систем управления энергетическими установками является разработка технических средств полевого уровня, которые обеспечивают функции преобразования различных физических величин, определяющих состояние управляемых объектов в сигналы связи цифрового формата. В особой степени это относится к средствам контроля показателей состава и качества энергоносителей, в частности к средствам измерения вязкости.

Среди современных методов измерения вязкости наибольшее распространение получил капиллярный. Главными его достоинствами являются сравнительная простота реализации и возможность достаточно точного моделирования измерительной процедуры.

Принципиальная схема типового прибора, реализующего этот метод, включает в себя 3 основных элемента: накопительный и приемный резервуары и соединяющую их капиллярную трубку (рис. 1).

Теоретически статическую

характеристику приборов данного типа можно представить в нескольких вариантах в виде выражений:

пА Рг к

Ц =

пА Рг к * и

81 к й

81 к Vж

Рис. 1. Принципиальная схема капиллярного вискозиметра: 1 - накопительный резервуар; 2 - капиллярная трубка; 3 - приемный резервуар

© А.В. Чупаев Проблемы энергетики, 2010, № 1-2

й 1 = ^ * и 2 = й2 V2 *и 1 Ц1 й 1 А Рг к

ПГи

Ц 21 к

(1) (2) (3)

4

где ц - коэффициент динамической вязкости [Па*с]; АРк - перепад давления на капиллярной трубке [Па]; гк и Iк - соответственно радиус поперечного сечения и

длина капиллярной трубки [мм]; 2 - объемный расход жидкости через капилляр

/ ж

[м3/с]; Кж - объем жидкости в накопительном резервуаре перед началом

измерения [м3]; *и - время измерения [с], которые являются по существу видоизмененными формами записи уравнений Пуазейля, полученного для ламинарного стабилизированного потока жидкости в закрытом канале.

Выражение (1) используется для определения абсолютных значений д по известным значениям АР и 2; выражение (2) используется для определения относительных значений д; выражение (3) - для получения так называемых кривых течения, необходимых при исследовании вязкостных свойств неньютоновских жидкостей.

Поскольку геометрические размеры капилляра заранее известны и в процессе измерительной процедуры не изменяются, то их обычно заменяют константами С1 и С2, индивидуальными для каждого прибора. При этом уравнение (3) приобретает вид

1

С12 = - С 2 АР. (4)

д

Зависимость (4) реализуется в виде статической характеристики капиллярного прибора, если зафиксировать 2 или АР.

При постоянном АР уравнение (4) приобретает вид (5), и коэффициент вязкости ц однозначно определяется величиной расхода 2:

К1

Д = —, (5)

2

с 2

где К1 =— АР.

С1

Приборы, в которых реализуется указанная процедура измерения вязкости, называются вискозиметрами переменной скорости истечения.

В другой группе капиллярных приборов, которые называются вискозиметрами постоянного расхода, коэффициент динамической вязкости определяется из выражения

Д = К 2 АР, (6)

С2

где К1 =-.

С12

Здесь мерой динамической вязкости служит перепад давления на капиллярной трубке.

Однако в любом случае в основе капиллярного метода измерения при различных способах его реализации лежит закон Пуазейля, который работает при условии существования в потоке полностью сформировавшегося параболического профиля скорости и при условии постоянства продольного градиента давления по всей длине капиллярной трубки.

Теоретический анализ гидродинамической картины в рабочем пространстве капиллярных вискозиметров постоянного расхода, проведенный в работе [1], позволил заключить, что указанный тип вискозиметров является наиболее перспективным для дальнейшего совершенствования и что на их работу заметное влияние могут оказать: геометрия накопительного объема, геометрические размеры капиллярной трубки, зависящие от длины гидродинамического начального участка, перестройка кинематической структуры потока по длине проточного тракта, процессы вихреобразования в придонной части накопительного объема, нелинейность распределения давления перед входом в капиллярную трубку. Однако установлено, что негативное влияние вышеуказанных факторов на метрологические характеристики вискозиметров может быть ослаблено использованием конической формы дна накопительного объема вискозиметра, правильным выбором длины капиллярной трубки и режима проведения измерительной процедуры.

На рис. 2 показана функциональная схема предлагаемого автоматизированного устройства измерения вязкости, разработанная с учетом рекомендаций работы [1] и требований, предъявляемых к современным вискозиметрам [2].

Рис. 2. Функциональная схема интеллектуального устройства для измерения вязкости

По функциональному признаку это устройство делится на 3 модуля: механический, сенсорный и электронный. Механический модуль включает в себя 3 блока: рабочий, блок кинематической передачи и блок привода. Главным элементом электронного модуля является микропроцессорный контроллер, на который возложены функции автоматического управления, обработки данных по алгоритмам, реализующим процедуру измерения, корректировки диапазона

измерения, регистрации временных данных процесса, диагностирования функциональных узлов и блоков вискозиметра.

Схема, представленная на рис. 2, реализована в виде макетного образца, на котором проведены технические и метрологические испытания. В качестве образцового средства измерения использовался вискозиметр ВПЖ-2. Результаты измерения вязкости на макетном образце и на образцовом вискозиметре расходились не более, чем на 0,5%.

Summary

The article represents results of implemented analytical survey of viscosimeters based on capillary method of viscosity measurement. Defects of devices used for realization of this measurement method have been revealed; the ways of reducing their influence have been offered. Moreover, the measurement procedure and functional scheme of new device for viscosity measurement have been developed. Its prototypical specimen has been constructed; technical and metrological tests have been carried out.

Key words: viscosity measurement, capillary viscosimeter, Poiseuille's law, measurement device.

Литература

1. Чупаев А.В., Кузьмин В.В. Результаты математического моделирования течения жидкости в рабочем пространстве капиллярных вискозиметров постоянного расхода // Вестник Удмуртского государственного университета. 2009. №2. С.97-101.

2. ГОСТ 29226-91. Вискозиметры жидкостей. Общие технические требования и методы испытаний.

Поступила в редакцию 11 ноября 2009 года

Чупаев Андрей Викторович - ст. преподаватель кафедры «Системы автоматизации и управления технологическими процессами» Казанского государственного технологического университета. Тел.: 8 (843) 231-42-72; 8-917-2380400. E-mail: andrey-8004@mail.ru.