RU147292U1

RU147292U1 - DEVICE FOR MEASURING VISCOSITY AND LIQUID DENSITY

Info

Publication number: RU147292U1
Application number: RU2014108089/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Сенин; Сергей Александрович Потехин; Андрей Александрович Сенин; Сергей Владимирович Бирюков
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт белка Российской академии наук (ИБ РАН)
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-11-10

Abstract

1. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкостей, содержащее внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера, вход которой связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру и с возможностью установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси, при этом камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл, где датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера выполнена из металла или стекла.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина стенки камеры составляет от 0,1 до 0,2 мм.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диапазон измерения плотности составляет от 0 до 3 г/см5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диапазон измерения вязкости составляет от 0,2 до 30 сантипуаз.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла выполнена цельной или полой.1. A device for measuring the viscosity and density of liquids, containing an external thermostat, a thermostat control unit, a measuring chamber, driven into the forced oscillation mode using an electromagnet, a Hall sensor and an electronic unit, characterized in that the device further comprises an overpressure installation unit, an internal thermostatically controlled a housing in which a measuring chamber is installed, the input of which is connected to a refueling unit, which is configured to supply pressure from an overpressure installation unit in the measuring chamber and with the possibility of installing the needle into the volume of the measuring chamber along its longitudinal axis, the chamber is a capillary, which is made of elastic material inert to the measured samples and has a volume of not more than 0.5 ml, where the temperature sensor and heating element The internal thermostatic housing is connected to the thermostat control unit, and a Peltier element is placed under the base of the internal thermostat housing. 2. The device according to claim 1, characterized in that the camera is made of metal or glass. The device according to claim 2, characterized in that the wall thickness of the chamber is from 0.1 to 0.2 mm. The device according to claim 1, characterized in that the density measurement range is from 0 to 3 g / cm5. The device according to claim 1, characterized in that the viscosity measurement range is from 0.2 to 30 centipoise. The device according to claim 1, characterized in that the needle is made whole or hollow.

Description

Данная полезная модель представляет собой устройство для измерения плотности и вязкости жидких сред. Устройство относится к точному приборостроению и может быть использовано для определения плотности и вязкости жидких сред в научных исследованиях, здравоохранении и различных отраслях промышленности.This utility model is a device for measuring the density and viscosity of liquid media. The device relates to precision instrumentation and can be used to determine the density and viscosity of liquid media in scientific research, healthcare and various industries.

В ходе выполнения ряда исследовательских работ возникает необходимость в измерении кинематической вязкости малых объемов жидкости с достаточно высокой точностью. По определению, кинематической вязкостью жидкости называется отношение вязкости динамической (обычной) к плотности жидкости. Таким образом, для решения таких задач необходимо устройство, способное измерять динамическую вязкость и плотность.In the course of a number of research works, it becomes necessary to measure the kinematic viscosity of small volumes of liquid with sufficiently high accuracy. By definition, the kinematic viscosity of a fluid is the ratio of dynamic (normal) viscosity to fluid density. Thus, to solve such problems, a device capable of measuring dynamic viscosity and density is needed.

Известны устройства для измерения плотности и вязкости с помощью погружных зондов, в которых возбуждают гармонические колебания на резонансной частоте зонда. Способ включает возбуждение колебаний вибрационного преобразователя, помещенного в исследуемую жидкость, измерение амплитуды колебаний вибрационного преобразователя и определение вязкости и плотности расчетным путем. В качестве вибрационного преобразователя используют вертикально расположенную U-образную скобу с поплавком, укрепленным между концами скобы на упругих эластичных шнурах. Амплитуду колебаний определяют по разности гармонических изменений длин упругих эластичных шнуров. Устройство содержит помещенный в исследуемую жидкость вибрационный преобразователь, подключенный к генератору колебаний, и блоки регистрации и индикации. Вибрационный преобразователь выполнен в виде вертикально расположенной U-образной скобы с поплавком, укрепленным на концах скобы при помощи двух упругих эластичных шнуров, представляющих собой петли, внутренняя часть которых выполнена из токопроводящего эластичного материала, а оболочка - из упругого эластичного материала [1].Known devices for measuring density and viscosity using immersion probes in which harmonic oscillations are excited at the resonant frequency of the probe. The method includes exciting vibrations of a vibration transducer placed in a test fluid, measuring an amplitude of vibrations of a vibration transducer, and determining viscosity and density by calculation. As a vibration transducer, a vertically arranged U-shaped bracket is used with a float fixed between the ends of the bracket on elastic elastic cords. The amplitude of the oscillations is determined by the difference between the harmonic changes in the lengths of the elastic elastic cords. The device comprises a vibration transducer placed in a test liquid connected to an oscillation generator, and registration and indication units. The vibration transducer is made in the form of a vertically arranged U-shaped bracket with a float fixed to the ends of the bracket using two elastic elastic cords, which are loops, the inner part of which is made of conductive elastic material, and the shell is made of elastic elastic material [1].

Известны устройства для определения плотности и вязкости с помощью измерения скорости разгона и торможения тела в исследуемой жидкости. В патенте РФ №2247357, для измерения плотности и вязкости тело массой m и плотностью ρ_пприводят в движение в жидкости, измеряют в фазе разгона в момент времени t скорость тела v и скорость v^∞ в фазе установившегося равномерного движения, по измеренным значениям определяют вязкость и плотность жидкости [2].Known devices for determining the density and viscosity by measuring the speed of acceleration and deceleration of the body in the test fluid. In the patent of the Russian Federation No. 227357, to measure the density and viscosity, a body of mass m and density ρ _{p is} set in motion in a liquid, measured in the acceleration phase at time t, the velocity of the body v and the velocity v ^∞ in the steady-state phase of uniform motion, the viscosity is determined from the measured values and fluid density [2].

Известно устройство, описанное в патенте РФ №2082153 которое содержит зонд, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда, узел возврата зонда в исходное положение и вычислительный блок. Вход вычислительного блока соединен с выходом измерителя вертикальной составляющей скорости движения зонда. Выход вычислительного блока соединен с входом угла разгона зонда [3].A device is known, described in the patent of the Russian Federation No. 2082153 which contains a probe, a probe acceleration unit, a vertical component of the probe velocity, a probe return to the initial position, and a computing unit. The input of the computing unit is connected to the output of the meter of the vertical component of the speed of the probe. The output of the computing unit is connected to the input of the acceleration angle of the probe [3].

К общему недостатку устройств использующих погружные зонды относится то, что такие устройства не позволяют измерить значения плотности и вязкости жидкостей имеющихся в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Кроме того, такие устройства требуют дополнительного приборов для термостатирования используемых образцов с точностью не хуже сотых градуса. Отсутствие термостотирования будет приводить к значительным погрешностям измерения плотности и, особенно, вязкости жидкости.A common disadvantage of devices using immersion probes is that such devices do not allow the density and viscosity of liquids available in small quantities with a volume of not more than 0.5 ml to be measured. In addition, such devices require additional devices for thermostating of the samples used with an accuracy of no worse than hundredths of a degree. The lack of temperature control will lead to significant errors in measuring the density and, especially, the viscosity of the liquid.

Известны устройства, сочетающие в себе возможность измерения плотности и вязкости за счет дополнительного вращения трубки с исследуемым образцом и измерения поперечных и вращательных колебаний. Патент Великобритании №GB 2456034, относится к устройству измерения плотности и/или вязкости стационарной или движущейся жидкости. Устройство обеспечивает возможность измерения резонансной частоты поперечных колебаний трубы для определения плотности, и также обеспечивает возможность измерения затухания вращательных колебаний трубы для определения вязкости жидкости в трубе. С этой целью на трубе закреплен возбудитель колебаний, который выполнен с возможностью передавать поперечные и/или вращательные колебания к трубе [4]. Устройства данного типа разработаны для работы в скважинах не позволяют измерить значения плотности и вязкости образца в малых количествах с объемом не более 0.5 мл. Модификация данного технического решения реализована в вискозиметре Штабингера SVM3000 (фирма Anton Paar) [5]. Однако, этот прибор требует замены измерительного блока прибора при измерении плотности. Минимальный рабочий объем вискозиметра составляет 1,5 мл, а для измерения плотности требуется 3 мл образца.Known devices that combine the ability to measure density and viscosity due to additional rotation of the tube with the test sample and measurement of transverse and rotational vibrations. UK patent No. GB 2456034, relates to a device for measuring the density and / or viscosity of a stationary or moving fluid. The device provides the ability to measure the resonant frequency of the transverse vibrations of the pipe to determine the density, and also provides the ability to measure the attenuation of the rotational vibrations of the pipe to determine the viscosity of the liquid in the pipe. For this purpose, a vibration exciter is fixed on the pipe, which is configured to transmit transverse and / or rotational vibrations to the pipe [4]. Devices of this type developed for work in wells do not allow measuring density and viscosity of a sample in small quantities with a volume of not more than 0.5 ml. Modification of this technical solution is implemented in the Stabinger SVM3000 viscometer (Anton Paar) [5]. However, this device requires replacement of the measuring unit of the device when measuring density. The minimum working volume of the viscometer is 1.5 ml, and 3 ml of the sample is required to measure the density.

Известны устройства, которые могут работать с малыми объемами исследуемой жидкости, например для измерения плотности. Известен патент Австрии №АТ 399051, в котором кроме основного, используют дополнительный референсный вибратор. Вибраторы выполнены из стеклянных трубок и установлены в термостатирующую ячейку [6]. В данном устройстве можно измерять только плотность с объемом образца не менее 1 мл.Known devices that can work with small volumes of the investigated fluid, for example for measuring density. Known Austrian patent No. AT 399051, in which, in addition to the main one, an additional reference vibrator is used. The vibrators are made of glass tubes and installed in a thermostatic cell [6]. In this device, you can only measure density with a sample volume of at least 1 ml.

Наиболее близкий аналог, по принципу измерения параметров, приведен в патенте США №4838084, в котором определение плотности образца осуществляется путем измерения резонансных частот трубки с помощью магнитных датчиков. Для измерения в этом приборе требуется около одного кубического сантиметра образца. Трубку с образцом устанавливают в термостат, что позволяет выполнить измерения плотности с достаточной точностью [7]. Однако данное устройство не предназначено для измерения двух параметров - вязкости и плотности.The closest analogue, according to the principle of measuring parameters, is given in US patent No. 4838084, in which the density of the sample is determined by measuring the resonant frequencies of the tube using magnetic sensors. About one cubic centimeter of sample is required for measurement in this instrument. The tube with the sample is installed in a thermostat, which allows density measurements to be made with sufficient accuracy [7]. However, this device is not intended to measure two parameters - viscosity and density.

Технической задачей является разработка устройства, в котором используют небольшой объем исследуемого образца с сохранением высокой точности и воспроизводимости измерения динамической и кинематической вязкости малых образцов жидкости, а также их плотности.The technical task is to develop a device in which a small volume of the test sample is used while maintaining high accuracy and reproducibility of measuring the dynamic and kinematic viscosity of small liquid samples, as well as their density.

Другой технической задачей является расширение арсенала устройств используемых для реологических методов.Another technical task is to expand the arsenal of devices used for rheological methods.

Указанные технические задачи реализуются в конструкции устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей, которое содержит внешний термостат, блок управления термостатом, измерительную камеру, приводимую в режим вынужденных колебаний с помощью электромагнита, датчика Холла и электронного блока. При этом устройство дополнительно содержит узел установки избыточного давления, внутренний термостатируемый корпус, в котором установлена измерительная камера, вход которой связан с узлом заправки, который выполнен с возможностью подачи давления из узла установки избыточного давления в измерительную камеру. Кроме того узел заправки обеспечивает возможность установки иглы в объем измерительной камеры вдоль ее продольной оси при измерении параметра вязкости. Измерительная камера представляет собой капилляр, который изготовлен из упругого материала инертного к измеряемым образцам и имеет объем не более 0,5 мл. Датчик температуры и нагревательный элемент внутреннего термостатируемого корпуса соединены с блоком управления термостатом, а под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье.These technical tasks are implemented in the design of a device for measuring the viscosity and density of liquids, which contains an external thermostat, a thermostat control unit, a measuring chamber, which is brought into forced oscillation mode using an electromagnet, a Hall sensor, and an electronic unit. Moreover, the device further comprises an overpressure installation unit, an internal thermostatic housing in which a measuring chamber is installed, the input of which is connected to a refueling unit, which is configured to supply pressure from the overpressure installation unit to the measuring chamber. In addition, the filling unit provides the ability to install the needle into the volume of the measuring chamber along its longitudinal axis when measuring the viscosity parameter. The measuring chamber is a capillary, which is made of an elastic material inert to the measured samples and has a volume of not more than 0.5 ml. The temperature sensor and the heating element of the internal thermostatic housing are connected to the thermostat control unit, and a Peltier element is placed under the base of the internal thermostat housing.

Полезная модель поясняется следующими фигурами:The utility model is illustrated by the following figures:

Фиг.1. Схема устройства для измерения вязкости и плотности жидкостей.Figure 1. Scheme of a device for measuring the viscosity and density of liquids.

Фиг.2. Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей.Figure 2. The scheme of the measuring unit in the mode of measuring the density of liquids.

Фиг.3 Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей.Figure 3 Diagram of the measuring unit in the mode of measuring the viscosity of liquids.

Фиг. 4 Зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C. Значение плотности измерено для следующих жидкостей: А - 1 M KCl в воде, Б - 0.3 M KCl в воде, В - дистилированая вода, Г - метанол, Д - Декан, Ε - гексан, Ж - воздух.FIG. 4 The dependence of the density of liquids on the period of oscillation of the chamber at a temperature of 20 ° C. The density value was measured for the following liquids: A - 1 M KCl in water, B - 0.3 M KCl in water, C - distilled water, G - methanol, D - Deccan, Ε - hexane, G - air.

Фиг. 5 Зависимость динамической вязкости жидкостей от амплитуды сигнала с датчика Холла при температуре 20°C. Значение вязкости измерено для следующих жидкостей: А - значение вязкости 40% глицерина; Б - значение вязкости 20% глицерина; В - значение вязкости 10% глицерина; Г - вода; Д - декан; Е - гексан.FIG. 5 The dependence of the dynamic viscosity of liquids on the amplitude of the signal from the Hall sensor at a temperature of 20 ° C. The viscosity value was measured for the following liquids: A — viscosity value of 40% glycerol; B - viscosity value of 20% glycerol; B is the viscosity value of 10% glycerol; G is water; D - dean; E is hexane.

Описание устройстваDevice description

Предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять измерение вязкости и плотности жидкости в рамках единой термостатированной измерительной камеры объемом 0,5 мл., в диапазоне температур от -10 до 150°C. Исследуемая жидкость заправляется в упругий капилляр, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Собственная частота колебаний капилляра и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости. Для увеличения влияния вязкости на добротность механической системы внутрь капилляра вводится дополнительный стержень, препятствующий движению жидкости в процессе колебаний.The proposed utility model allows the measurement of viscosity and density of a liquid in a single thermostatically controlled measuring chamber with a volume of 0.5 ml., In the temperature range from -10 to 150 ° C. The test fluid is refilled in an elastic capillary, which is part of a single electromechanical oscillatory system. The natural frequency of oscillations of the capillary and, consequently, of the entire system, in accordance with the laws of mechanics, will depend on the density of the liquid that is charged into it, and the quality factor of the oscillatory system will depend on the viscosity of the charged liquid. To increase the effect of viscosity on the quality factor of a mechanical system, an additional rod is introduced into the capillary, which impedes the movement of fluid during oscillations.

Вышеуказанный принцип измерения реализован следующим образом. Устройство состоит из измерительного узла и электронного блока. Блок-схема устройства представлена на фиг. 1. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 5 - усилитель напряжения, 6 - блок управления термостатом, 7 - обмотка электромагнита, 8 - схема автоматической регулировки усиления - АРУ, 9 - узел установки избыточного давления.The above measurement principle is implemented as follows. The device consists of a measuring unit and an electronic unit. A block diagram of the device is shown in FIG. 1. Where: 1 - Hall sensor, 2 - external thermostat case, 3 - camera, 4 - permanent magnet, 5 - voltage amplifier, 6 - thermostat control unit, 7 - electromagnet winding, 8 - automatic gain control circuit - AGC, 9 - overpressure installation unit.

В электронный блок входят: усилитель напряжения 5, схема АРУ 8, блок управления термостатом 6. Электронный блок обеспечивает непрерывные колебания камеры, регистрацию, усиление и преобразование выходных сигналов, снимаемых с датчиков, расположенным в измерительном узле, а также задание и поддержание температуры термостатирующего устройства.The electronic unit includes: voltage amplifier 5, AGC circuit 8, thermostat control unit 6. The electronic unit provides continuous camera vibrations, registration, amplification and conversion of output signals taken from sensors located in the measuring unit, as well as setting and maintaining the temperature of the thermostatic device .

Измерительные узлы в режимах измерения плотности и вязкости представлены на фиг. 2 и фиг. 3, соответственно. Различие между этими двумя конструкциями измерительного узла состоят в том, что для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры с изучаемым раствором вводится игла 20, препятствующая движению жидкости внутри камеры при ее механических колебаниях. Иглу 20 помещают внутрь камеры 3 вдоль ее продольной оси и фиксируют в верхней части узла заправки 12. Фиксацию иглы осуществляют с помощью переходника, который устанавливает иглу в одно и тоже фиксированное положение по отношению к объему камеры. Фиксацию осуществляют за счет дополнительного фиксатора установленного на переходнике, который фиксирует положение иглы в вертикальном положении и ограничивает поворот иглы вокруг ее оси.The measuring units in the density and viscosity measurement modes are shown in FIG. 2 and FIG. 3, respectively. The difference between these two designs of the measuring unit is that to increase the degree of influence of viscosity on the quality factor of the mechanical system, a needle 20 is inserted inside the chamber with the studied solution, which impedes the movement of fluid inside the chamber during its mechanical vibrations. The needle 20 is placed inside the chamber 3 along its longitudinal axis and fixed in the upper part of the refueling assembly 12. The needle is fixed using an adapter, which sets the needle in the same fixed position with respect to the chamber volume. The fixation is carried out due to the additional clamp mounted on the adapter, which fixes the position of the needle in a vertical position and limits the rotation of the needle around its axis.

Исследуемую жидкость заправляют в камеру 3, выполненную в виде упругого капилляра, который представляет собой часть единой электромеханической колебательной системы. Связь механической и электрической системы осуществляется через элементы системы включающей: электромагнит 7, расположенный на корпусе 2 измерительного узла, постоянный магнит 4, приклеенный к основанию камеры 3 и датчик Холла 1 (датчик напряженности магнитного поля), через который осуществляется обратная связь между механической и электрической частями системы. Период колебаний камеры 3 и, следовательно, и всей системы, в соответствии с законами механики будет завесить от плотности жидкости, которая в нее заправлена, а добротность колебательной системы будет зависеть от вязкости заправленной жидкости.The investigated liquid is charged into the chamber 3, made in the form of an elastic capillary, which is part of a single electromechanical oscillatory system. The communication of the mechanical and electrical systems is carried out through elements of a system including: an electromagnet 7 located on the housing 2 of the measuring unit, a permanent magnet 4 glued to the base of the chamber 3 and a Hall sensor 1 (magnetic field strength sensor), through which the feedback between the mechanical and electrical parts of the system. The oscillation period of the chamber 3 and, consequently, of the entire system, in accordance with the laws of mechanics, will depend on the density of the liquid that is charged into it, and the quality factor of the oscillatory system will depend on the viscosity of the charged liquid.

Кроме того, в измерительный узел входит узел заправки 12 для ввода исследуемой жидкости (см. фиг. 2, 3). Узел заправки сопряжен с камерой 3, которая жестко закреплена в держателе 14. Камера 3 представляет собой капилляр имеющий объем не более 0.5 мл с толщиной стенки камеры от 0,1 до 0,2 мм. Предпочтительно 0,1 мм. Камера 3 может быть изготовлена из упругого металла инертного к измеряемым образцам или из стекла. В частности для изготовления капилляра может быть использована нержавеющая сталь. Вдоль камеры 3 расположен корпус внутреннего термостата 19. К нижней торцевой части камеры 3 прикреплен постоянный магнит 4, вдоль центральной оси которого, с одной стороны, размещен датчик Холла 1, а с другой стороны электромагнит 7. Под основанием корпуса внутреннего термостата размещен элемент Пельтье 17, предназначенный для охлаждения термостата. В корпусе внешнего термостата 2 расположен также датчик температуры (на фигурах не показан), сигнал с которого поступает на вход блока управления термостатом 6 (фиг. 1), с выхода которого сигнал поступает на нагреватели корпуса внешнего термостата 2, нагреватели корпуса внутреннего термостата 19 и элемент Пельтье 17. Выходы электромагнита 7 (см. фиг. 2 и 3), датчика Холла 1, датчика температуры и термобатареи выведены на разъем 16, через который сигналы поступают в электронный блок. В электронном блоке регистрируемый сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 5 (фиг. 1), выходной сигнал с которого последовательно подается через схему АРУ 8 на аналого-цифровой преобразователь и далее на вход компьютера. Электромагнит 7 подключен к выходу схемы АРУ 8.In addition, the measuring unit includes a refueling unit 12 for introducing the test fluid (see Fig. 2, 3). The refueling unit is interfaced with a chamber 3, which is rigidly fixed in the holder 14. The chamber 3 is a capillary having a volume of not more than 0.5 ml with a chamber wall thickness of 0.1 to 0.2 mm. Preferably 0.1 mm. The chamber 3 can be made of elastic metal inert to the measured samples or of glass. In particular, stainless steel can be used to make the capillary. A housing of the internal thermostat 19 is located along the chamber 3. A permanent magnet 4 is attached to the lower end part of the chamber 3, along the central axis of which, on the one hand, there is a Hall sensor 1, and on the other hand an electromagnet 7. A Peltier element 17 is placed under the base of the housing of the internal thermostat designed to cool the thermostat. In the case of the external thermostat 2 there is also a temperature sensor (not shown in the figures), the signal from which is input to the control unit of the thermostat 6 (Fig. 1), the output of which is fed to the heaters of the case of the external thermostat 2, the heaters of the case of the internal thermostat 19 and Peltier element 17. The outputs of the electromagnet 7 (see Fig. 2 and 3), the Hall sensor 1, the temperature sensor and thermal battery are output to the connector 16, through which the signals are fed to the electronic unit. In the electronic unit, the recorded signal from the Hall sensor 1 is fed to amplifier 5 (Fig. 1), the output signal from which is sequentially fed through the AGC circuit 8 to an analog-to-digital converter and then to the computer input. The electromagnet 7 is connected to the output of the AGC circuit 8.

Температура исследуемой жидкости задается с помощью корпуса термостата 2, корпуса внутреннего термостата 19 и элемента Пельтье 17. Камера 3 и термостат помещены в полностью герметичный корпус 2, что положительно сказывается на точности измерения и поддержания температуры исследуемой жидкости. Управление температурой термостата осуществляется блоком управления термостатом 6 (фиг. 1).The temperature of the test fluid is set using the thermostat housing 2, the internal thermostat housing 19 and the Peltier element 17. The chamber 3 and the thermostat are placed in a completely sealed housing 2, which positively affects the accuracy of measuring and maintaining the temperature of the test fluid. The temperature control of the thermostat is carried out by the thermostat control unit 6 (Fig. 1).

При работе в области высоких температур в полость рабочей камеры 3 через канал 18 узла установки избыточного давления 9 подают давление для исключения образования пузырьков воздуха в исследуемой жидкости.When working in the high temperature region, pressure is applied to the cavity of the working chamber 3 through the channel 18 of the overpressure unit 9 to prevent the formation of air bubbles in the test fluid.

Пример 1. Измерение плотности жидкостей.Example 1. Measurement of the density of liquids.

Перед измерениями в любом режиме камеру 3 полностью заполняют исследуемой жидкостью через верхнее отверстие узла заправки 12, предварительно сняв пробку 11 и шайбу 10. Камеру заполняют с помощью шприца с длинной полой иглой.Before measurements in any mode, the chamber 3 is completely filled with the test liquid through the upper hole of the filling station 12, after removing the plug 11 and the washer 10. The chamber is filled with a syringe with a long hollow needle.

Схема измерительного узла в режиме измерения плотности жидкостей показана на фиг. 2. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата.A diagram of the measuring unit in the liquid density measurement mode is shown in FIG. 2. Where: 1 - Hall sensor, 2 - external thermostat housing, 3 - camera, 4 - permanent magnet, 7 - electromagnet winding, 10 - washer, 11 - plug, 12 - refueling unit, 13 - top cover, 14 - holder , 15 - housing, 16 - connector, 17 - Peltier element, 18 channel for supplying excess pressure, 19 - housing of the internal thermostat.

Измеряемой величиной в режиме определения плотности является период собственных колебаний электромеханической системы с камерой 3, заполненной исследуемой жидкостью. Камера 3 при помощи электромагнита 7, датчика Холла 1 и усилителя постоянного тока 5 с системой АРУ 8 совершает колебания на частоте собственного резонанса.The measured value in the density determination mode is the period of natural vibrations of the electromechanical system with a chamber 3 filled with the test fluid. Camera 3 using an electromagnet 7, a Hall sensor 1 and a direct current amplifier 5 with an AGC system 8 oscillates at the natural resonance frequency.

Перед измерением проводят калибровку устройства по образцам с известными значениями плотности. Диапазон измерения плотности от 0 до 3 г/см³.Before measurement, the device is calibrated against samples with known density values. The range of measurement of density is from 0 to 3 g / cm ³ .

Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: ρ=33.055-9.2797T+0.6513T², где, ρ - плотность жидкости г/см³. T - период колебаний камеры представленный в миллисекундах. На фиг. 4 приведена зависимость плотности жидкостей от периода колебаний камеры при температуре 20°C.The calibration curve is a second-order curve of the following form: ρ = 33.055-9.2797T + 0.6513T ² , where, ρ is the density of the liquid g / cm ³ . T - camera oscillation period represented in milliseconds. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the density of liquids on the period of oscillation of the chamber at a temperature of 20 ° C.

Пример 2. Измерение вязкости жидкостей.Example 2. Measurement of the viscosity of liquids.

Схема измерительного узла в режиме измерения вязкости жидкостей показана на фиг.3. Где: 1 - датчик Холла, 2 - корпус внешнего термостата, 3 - камера, 4 - постоянный магнит, 7 - обмотка электромагнита, 10 - шайба, 11 - пробка, 12 - узел заправки, 13 - верхняя крышка, 14 - держатель, 15 - корпус, 16 - разъем, 17 - элемент Пельтье, 18 канал подачи избыточного давления, 19 - корпус внутреннего термостата, 20 игла.The diagram of the measuring unit in the mode of measuring the viscosity of liquids is shown in Fig.3. Where: 1 - Hall sensor, 2 - external thermostat case, 3 - camera, 4 - permanent magnet, 7 - electromagnet winding, 10 - washer, 11 - plug, 12 - refueling unit, 13 - top cover, 14 - holder, 15 - housing, 16 - connector, 17 - Peltier element, 18 overpressure supply channel, 19 - internal thermostat housing, 20 needle.

Для увеличения степени влияния вязкости на добротность механической системы внутрь камеры 3 вводится игла 20, выполненная для создания препятствия движению жидкости внутри камеры 3 в процессе ее колебаний. Внешний диаметр иглы составляет 0,9 мм. Игла 20 может быть изготовлена из металла, инертного к измеряемым образцам или из стекла и выполнена цельной или полой.To increase the degree of influence of viscosity on the quality factor of the mechanical system, a needle 20 is inserted inside the chamber 3, which is designed to impede the movement of the fluid inside the chamber 3 during its oscillations. The outer diameter of the needle is 0.9 mm. The needle 20 may be made of metal inert to the measured samples or of glass and made solid or hollow.

После заполнения камеры исследуемой жидкостью, в верхнее отверстие измерительной камеры вставляется игла 20. Поскольку усилитель 5 генератора обеспечен системой АРУ, напряжение на электромагните 7 поддерживается постоянным, а напряжение на датчике Холла 1 будет тем меньше, чем меньше добротность системы и, следовательно, чем больше вязкость.After filling the chamber with the test liquid, a needle 20 is inserted into the upper hole of the measuring chamber. Since the generator amplifier 5 is provided with an AGC system, the voltage on the electromagnet 7 is kept constant, and the voltage on the Hall sensor 1 will be lower, the lower the quality factor of the system and, therefore, the greater viscosity.

Вязкость исследуемой жидкости определяется из калибровочного графика как функция добротности камеры заполненной исследуемой жидкостью. Для получения калибровочных точек использовались справочные данные по вязкости водных растворов глицерина с концентрациями 40%, 20%, 10%, воды, декана и гексана. На фиг.5 приведена зависимость динамической вязкости от амплитуды измеряемого сигнала (напряжения на датчике Холла 1) при температуре 20 град. С. Калибровочная кривая представляет собой кривую второго порядка следующего вида: η=3.66-0.405 U+0.0121 U², где, η - вязкость в сантипуазах, a U - напряжение на выходе датчика Холла в милливольтах. Диапазон измерения вязкости составляет от 0.2 до 30 сантипуаз.The viscosity of the test fluid is determined from the calibration graph as a function of the quality factor of the chamber filled with the test fluid. To obtain calibration points, reference data on the viscosity of aqueous solutions of glycerol with concentrations of 40%, 20%, 10%, water, decane, and hexane were used. Figure 5 shows the dependence of dynamic viscosity on the amplitude of the measured signal (voltage at the Hall sensor 1) at a temperature of 20 degrees. C. The calibration curve is a second-order curve of the following form: η = 3.66-0.405 U + 0.0121 U ² , where, η is the viscosity in centipoises, and U is the voltage at the output of the Hall sensor in millivolts. The viscosity measurement range is from 0.2 to 30 centipoise.

Предложенная полезная модель для измерения плотности и измерения вязкости промышленно воспроизводима. Устройство позволяет работать с малым количеством исследуемого вещества и обеспечивать высокую воспроизводимость за счет термостатирования с высокой точностью.The proposed utility model for measuring density and measuring viscosity is industrially reproducible. The device allows you to work with a small amount of the investigated substance and to provide high reproducibility due to thermostating with high accuracy.

Литература:Literature:

1 Онищенко A.M. Способ непрерывного определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU 2069848 (27.11.1996).1 Onishchenko A.M. A method for continuously determining the viscosity and density of a liquid and a device for its implementation. Patent RU 2069848 (11.27.1996).

2. Тетерин Е.П. и др. Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости. Патент РФ №2247357 (27.02.2005).2. Teterin EP and others. A method for simultaneously measuring the density and viscosity of a liquid. RF patent №2247357 (02.27.2005).

3. В.П. Подживотов и др. Устройство для измерения вязкости и плотности жидкости Патент РФ №2082153 (20.06.1997).3. V.P. Podzhivotov et al. Device for measuring the viscosity and density of a liquid RF Patent No. 2082153 (06/20/1997).

4. W.M. Cowsar et all. Using transverse and torsional oscillations of a pipe to determine fluid density and viscosity №GB2456034 (2010-07-14).4. W.M. Cowsar et all. Using transverse and torsional oscillations of a pipe to determine fluid density and viscosity No.GB2456034 (2010-07-14).

5. Вискозиметр Штабингера SVM3000 (Anton Paar) http://granate.ru/svm3000.html5. Stabinger viscometer SVM3000 (Anton Paar) http://granate.ru/svm3000.html

6. Hans L. et al. Vorrichtung zur bestimmung der dichte von flussigkeiten und gasen aus der periodendauer einnes mit einem preparat gefullten messschwingers. AT patent №AT 399051 (27.03.1995).6. Hans L. et al. Vorrichtung zur bestimmung der dichte von flussigkeiten und gasen aus der periodendauer einnes mit einem preparat gefullten messschwingers. AT patent No.AT 399051 (03/27/1995).

7. Hans L. et al. Density measuring instrument. US patent №4838084 (13.06.1989)7. Hans L. et al. Density measuring instrument. US patent No. 4838084 (06/13/1989)

Claims

1. A device for measuring the viscosity and density of liquids, containing an external thermostat, a thermostat control unit, a measuring chamber, driven into the forced oscillation mode using an electromagnet, a Hall sensor and an electronic unit, characterized in that the device further comprises an overpressure installation unit, an internal thermostatically controlled a housing in which a measuring chamber is installed, the input of which is connected to a refueling unit, which is configured to supply pressure from an overpressure installation unit in the measuring chamber and with the possibility of installing the needle into the volume of the measuring chamber along its longitudinal axis, the chamber is a capillary, which is made of elastic material inert to the measured samples and has a volume of not more than 0.5 ml, where the temperature sensor and heating element The internal thermostatic housing is connected to the thermostat control unit, and a Peltier element is placed under the base of the internal thermostat housing.

2. The device according to claim 1, characterized in that the camera is made of metal or glass.

3. The device according to claim 2, characterized in that the wall thickness of the chamber is from 0.1 to 0.2 mm.

4. The device according to claim 1, characterized in that the density measurement range is from 0 to 3 g / cm ^3.

5. The device according to claim 1, characterized in that the viscosity measuring range is from 0.2 to 30 centipoise.

6. The device according to claim 1, characterized in that the needle is made whole or hollow.