SU41243A1 - Способ и устройство дл измерени в зкости жидкостей - Google Patents

Description

Существующие типы приборов дл  опргделеии1 в зкости (вискозиметров) должны быть отнесены прэим5-1Цеств;5нно к лабораторным устройствам , так как требуют сложных и довольно длительных ман.шул ций и наличи  сравнительно большого количества исследуемой жидкости. В насто щее врем  фактически отсутствует тип прибора, пригодного ДгЯ технических изме,1ений, который отличалс  бы компактностью, простотой обращени  п лавал бы возможность быстрого получени  результата и требовал бы наличи  Ma.iijro количества исследуемой жидкости.

Эта задача разрешаетс  предлагаемым способом измерени  в зкости, который, поскольку можно судить по полученным в итоге исследоваt ни результатам, удовлетвор ет перечисленным требовани м и состоит в том, что в зкость определ ет по изменению резонансной частоты нат нутой струны при погружении ее в исследуемую жидкость.

На фиг. 1-4 чертежа показаны устройства дл  осзществлени  указанного способа, на фиг. 5-10-устройства дл  осуществлени  видоизмененного способа.

Способ основан HI измзрени х собственной частоты колебаний нат нутой струны или иного аналогичного тела, Как известно, собственна  частота нат нутой и закрепленной в двух точках струны, зависит от р да факторов, как-то: нат жени , материала, размеров, удельного веса и т. п.

Кроме этих величии имеют вли ние также и свойства сргды, в которую помещена струна.

Дл  рассмотрени  этого  влени  необходимо предва )ительно у снить физическую его сторону.

(321)

Можно считать, что имеетс  в ви у струна колеблюща с  под действием сил, величина которых измен етс  по синусоидальному закону. Подобный случай будет иметь место, если по струне, помещенной в каком-либо сильном посто нном магнитном поле, пропускать переменный ток синусоидальной формы кривой.

Далее, если рассматривать вли ние какойлибо добавочной нагрузки, приложенной в некоторой части струны, либо равномерно распределенюй вдоль ее рабочей части, то Irwin дает следующую приближенную зависимость изменени , так называемой, резонансной частоты струны от величины груза, приложеннвго к ее средней части:

Д

MI

J п

гдз /1 и j-p -собственные частоты нагруженной и ненагруженной нитзй, М - вес нити, а M| - вес нчгрузки.

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

В случае погружени  колеблющейс  струны в какую-либо жидкую среау, она приводит в движение частипы жидкости, которые как бы прилипают к поверхности струны и играют роль добавочной, распределенной по длине струны, нагрузки. Однако, вопрос о том, кака  часть жидкости колеблетс  вместе со струной, требует

решени  несыш сложной гидродинамической задачи.

Поэтому, в данном случае гораздо проще определить некоторый коэфицйент-„посто нную ,-завис щий от формы iiOiepxHCCTH колеблющейс  системы,, который остаетс  одинаковым дл  Lcex типов и сортов жидкостей, незЗЕисимо 6т. их физических сьсйств. Вывести эту посто нную можно, исход  из следующих соображений: из расчета колебаний нат нутой струны в магнитном поле можно вывести зависимость угловой частоты колебаний ьибратора „ при отсутстЕИи трени  от частоты ш при наличии трени . В качестве частоты может быть с достаточной точностью прин та частота системы в воздухе. Завискмость эта будет следующа :

ш Y о

где Л - коэфицйент трени . Коэфицйент трени 

где Л- некотора  часть веса подвижной системы , определ ема  подсчетом, а с - посто нна  трени  среды, величина - примерно i аьна  /2 Веса нити. Далее счита , что

О) «DO - А:, получим

/г cog2 - ш2 (O)Q - со) (соц (а) х (2(Up - х}, где X - leличина смещени  часюты, Л / X - х

Принима  , где ) - козфициент ь г кости, получим:

J

Т| - У 2 0о - - Здесь а  вл етс  конструктивной посто нной подвижной системы прибора.

Таким образом, определение в зкости жидкости может быть фактически выполнено следующим образом. Достаточно определить посто нную а системы в ьакой-либо эталонной (известной в зкости) жидкости, после чего, име  константу прибора, можно ве(ьма просто определить в зкость любой другой жидкое ти, по из менению резонансной частоты системы, погру. женкой в эту исследуемую среду.

Приведенные вышг формулы дают возможность определить в зкость жидкости либо путем пересчета , либо по кривым, составленным дл  подвижной системы с известной константой.

Вторым вопросом  вл етс  метод нахождени  резонансной часто 1Ы вибрирующей системы. Хот  эти методы и не вход т в круг описани  самого устройства дл  определени  ь зкости, так как пон тно, что дл  нахождени  точки резонанса можно воспользоватьс  и любым иным методом , однако, ниже приводитс  дл  примера, наиболее простой из испытанных приемов.

Наиболее престым приемом  вл етс  оптический метод, по измерению амплитуды колебани . Очевидно, что наибольша  амплитуда колебани  струны имеет место - в точке резонанса. Таким образом, задача сводитс  к необходимости измерени  амплитуды струны при различных частотах

Битающего струну генератора, поддержиьаг при этом силу тока посто н ой, т. е. J - const .

Частота, при которой амплитуда будет наибольщей , и будет  вл тьс  резонансной частотой 1ИТИ. Дл  измерени  амплитуды по оптическому методу, ити употребл ютс  подобно гальванометру осциллографа. Дл  этого они снабжаютс  в средней части зеркальцем, га которое падает луч света от лампы, отражающийс  затем на экран, снабженный делени ми. Зеркальце, вибриру  вместе с ни1ыо (или нит ми), дает на экране изображение светлой полосы, подобно тому, I ак это имеет место в Еибрационном гальванометре .

1аким образом, исход  из вышеприведенной формулы

г, .1-}/2со„л--л- ,

можно определить ь зкость жьдкости простым погружением вибрирующей системы, ci-ачзла в эталонную жидкость известной в зкости, а затем в исследуемую жидкость, определ   каждый раз точку резонанса.

Однако, как показала практика, подобный простой прием ке вс.гда дает удовлетворительные результаты по следующим причинам: 1) уже При небольшой в зкости исследуемой жидкости крива , резонагса системы сильао притупл етс  по сравнению с- резонансом воздуха, так что в этой точке дает вевьма небольшое увеличение амплитуды, с трудом улавли1аемое наблюдателем; 2) кахождение резонанса, путем изменени  частоты генератора и при сохранении силы .тока I-const, предстагл ет довольно кропотливую операцию , учитыва  особенно, что в существующих типах генераторов весьма трудно добитьс  вполне плавною изменени  частоты на большом диапазоне, что  вл етс  основным условием правильной постановки испытани .

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

Исход  из этих соображений, предлагаетс  р д усоверщенствований описанного i-ыще метода, устран ющих указанные недостатки, а именно:

В случае исследовани  жидкости с больщой абсолютной в зкостью, когда уменьшение величины резонансной частоты системы может достигнуть ьеличины, так называемого, «критического успокоени , т. е. полного прекращени  свободных колеоаний системы, предлагаетс  следующий метод. Исследзема  жидкость раствор етс  в другой жидкости с низким значением ее абсолютной в зкости и в зкость которой известна. Определив в зкость смеси и зна  в зкость растворител , можно подсчитать абсолютную в зкость исследуемой жидкости.

В основном, описанном выше случае, можно исходить из тех соображений, что вс  струна целиком догружена в исследуемую жидкость. Очевидно, 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 прьгоден и дл  жидкостей с большой в зкостью , что весьма расшир ет ибласть его применени . Далее очевидно, что наибольшую амплитуду колебани  струна имеет в средней части и наименьшую у точек креплени , на концах. Исход  из уравнени  колеблющейс  струны, можно получить следующую формулу:

/Zi - (1 - cos

где hi к h соотЕбтственно ьоэфициенты трени  дл  случаев частично,и полностью погруженной струны, а .«-часть струны (длиной /). поГ(1уженна  в ЖИДКОСТЬ. Эта формула вьедена, исход  из того случа , когда магнит) ое поле дейсп.ует на всю струну. Однако, при сравнительно большой длине струны, что удобнее дл  исследовани , выполнение этсго услоьи  представл ет затруднени .

Поскольку на i рантике 1ыгоднее, чтобы магиитное поле действовало не на ЕСЮ струну, а лишь на ее с еднюю часть, с тем, чтобы сам ма: нит не погружалс  в жидк сть, то вса уст;,ойство примет вид, изображенный на фиг. 2, где 3 - магнит, дьйствуюший на среднюю часть нат нутой двсйнои струьы 2, на которой укреплено зеркальце 1. Сама  методика исследовани  существенно отлнча -тс  от описанной тыше. одесь частота генератора остаетс  i.ce врем  посто нней, струна же застраиваетс  на частоту , примерно, на 30-40% выше частоты гекератора . ьтруна приводитс  в колебание, после чего ьс  систем , помощью микрометрической устано ки, постепенно, в ъертикальном положении , погружаетс  в исследуемую жидкость, как изображено на фиг. 2. По мере погружени  системы , ее частота будет снижатьс  до тех пор, пока она не сраьн етс  с частотой генератора, что наблюда1ель узнает по наступлению резонанса . Определив длину погруженной ь жидкость части вибрато ,:а и зна  eiii общую длину, а также начальную и предельную частоты.-не представл ет труда определить в зке сть жидкости. Способ этот исключительно ньост.

Можно Э10 устройстьо видоизменить так, как ноказано HD фнг. 3. Эта фигура дает изображение того же вибратора, что и фи1. 2 с одним дабаьлением: межд} крайними опорами па ьити надето кольцо 5, которое может передвигатьс  вдоль длины нитей по нан)авл ющей 6. Положение кольца отмечаетс  стрелкой на неподвижной шкале.

В кольцо наливаетс  некоторое количество жидкости, котора  благодар  поверхносгому нат жению , удерживаетс  на нем. Жидкость тормозит колебание нитей, понижа  резонансную частоту последних.

Таким образом, получаетс  эффект, аналогичный погружению чзстн струны в жидкость. В виду наличи  поверхностного нат жени  процесс приобретает весьма сложный характер, в виду чего из-за трудности подсчета приходитс  определ ть константу прибора эмпирическим путем , что не составл ет больших затруднений. Дл  удобства удержани  жидкости кольцу можно придать вид полой круглой коробкн с двум  отверсти ми в центре (фиг. 4), сквозь которые и проход т нити.

Определение в зкости может быт также произведено и следующим образох). Определ ют собственную частоту струны с воздухе. З тем опускают ее в исследуемую жидкость, причем, разумеетс , собстьенна  частота системы снизитс ; затем увеличивают нат жение нитей, хот  бы путем отт гивани  пружины 8 (фиг. 1) до тех пор, пока струна снова не будет в резонансе с колебани .чи генератора. Зна  число сделанных оборотов регулирующего нружину винта и ее силу, Можно вполне просто подсчитать величину в зкости жидкости. В этом случае, нет необходимости мен ть частоту генератора колебаний, что дает возможность обойтись генератором лишь на одну н сто нную частоту, упроща  необходимую аппаратуру. Кроне того, в последнем случае генератор может , быть хорошо стабилизован (кварцем или другими методами).

Дл  опредалени  в зкости могут быть использ ва:-:ы 1ибрации не струны, а другого упругого тела различной формы, которое закреплено лишь с одной стороны.

Во многих случа х нодоипый способ представл ет р д преимуществ по сравнению с вышеуказанным способом.

В простейшем случае в качестве такого тела можег быть использована зажата  с одною конца легка , стальна  или иного материала, упруга  пластинка, типа  зычка обычного вибрационного частотомера. Эта пластннка может быть настроена -:а олределенную частоту, причем по изменению ее резонансной частоты при пог,1у кенни ее в жидкость определ ют ь зкость последней.

Примерна  форма выполнени  устройства состоит в следующем (фиг. 5). Виб ирующа  пластинка 1, заключенна  в прозрачный снабженный делени ми цилиндрический сосуд 2. ь верхней, незакрепленной, части снабжена зеркальцем 3, отражающим луч света от источника 4 КЗ матовый экран 5 и виде свет щейс  точки, котора  в случае колебаний пластинки размазываетс  в полоску. Однако применение световой полоскн не сб зате.зьно, так как обычно колебани  можно наблюдать непосредственно, за исключением тех случаев, когда в цел х умень;; ени  торможени , работают на очень малых амилнтудах колебаний.

Возбуждение вибраций может быть осуществлено самыми разнообразными способами. Либо непосредственно подведением электромагнита к пластинке, либо передачи вибрации через основание держател  пластинки (фиг. 5).

Методы измерени  в зкости подобным прибором могут варьироватьс  различным образом, в зависимости от обстановки исследовани . Например: 1) Зна  частоту пластинки в воздухе, заполн ют сосуд до известного уровн  псследуемой жидкостью, после че-о определ ют изменение частоты настройки пластинки по ее резонансу. Определив константу прибора по методу, налогичному указанному выше, не представл ет руда подсчитать в зкость жидкости. В этом случае необходимо иметь источник тока неременной астоты определенного диапазона.

2) Зна  частоту пластинок в воздухе, запол ют сосуд исследуемой жидкостью до тех пор, пока чистота пластины, постепенно понижа сь, не овпадет с частотой возбуждающего колебани 

тока, что обнаруживаетс  наступлением резонанса колебаний пластинки.

После этого, по глубине погружени  ej и жидкость (по делени м, нанесенным ьа стенках сосуда) подсчитывают в зкость. Дл  возЗуждени  колебаний здесь необходим источник тока лишь одной посто нной частоты.

3)Пластинка может быть снабжена на свободном конце грузом, который одним из известных способои может перемещатьс  ьдоль длины пластинки , навинчива сь, либо перемеща сь в направл ющих и т. п. (фиг. 6 и 7). В этом случае необходим генератор одной посто нной частоты. Предварительно пластинка перэмещением (подкручиванием ) 1-руза настраиваетс  и резонанс с неременным током. Затем сосуд заиолн е1С  до оаределенного делени  жидкостью. Посла этого подкручиванием груза вновь добиЕаютс  резонанса. Отмеча  смещение груза (но помещенной возле пластинки неподвижной шкале) подсчитывают в зкость.

4)Пластинка в нижней части может быть зажата между двум  пружин щими пластинками А. /11 (фиг. 8).

Пластинки могут помощью микрометрического винта перемещатьс  друг относительно друга. При этом будет мен тьс  точка креплени , следовательно , рабоча  д.11ина пластинки .или, иначе,. ее сббственна  частота колебаний.

Такое устройство допускает более удобную и точную ре1;улироьку.

Возможны, пон тно, и другие приемы измерени , в той или иной степени варьирующие приведекные выше.

Приведенное устройство имеет р д преимуществ и удобств по сравнению с методом колеблющейс  струны, хот  и  вл етс  более грубым индикатором. Оно весьма просто и удобно в обращении, не боитс  повреждений и может найти, повидимому, щирокое применение при Технических, производственных испытани х, в дорожной обстановке и проч.,  вл  сь весьма компактным прибором, дающим быстрый отсчет без длительных манипул ций требующихс  в обычных типах вискозиметров.

Весьма гажным  вл етс  вопрос о генераторе колебаний. В виду низкой частоты вибрирующих пластинок в р де случдев может быть иснользован iipocro перемеи ый ток осветительной сети. В других случа х может быть иснользован настроенный на .посто нную частоту зуммер, либо, так называемый, зум.мермикрофон, обычный камертон с электрическим контактом, катодный генератор и т. п.

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

Весьма удобным, может быть, в этОдМ случае  вл етс  следующее устройство (фкг. 9). Индуктор переменного тока 1, по типу примен емых в испытател х изол ции (без коллектора) используетс  дл  питани  электромагнита 2 вибрирующей пластинки. Индуктор снабжен тахометром 3, указывающим скорость вращени  и проградуйрованным в частоте переменного тока (либо пр мо в зкости). Вибрирующа  пластинка 4 расположена р дом с его щкалой и можег быть наблюдаема одновременно (либо отражение светового „зайчика от зеркальца пластинки отбрасываетс  на ту же шкалу). Враща  с переменной скоростью  корь индуктора от руки, наблюдают одновременно за щкалой и гибрирующей пластинкой. Показани  стрелки тахомегра в момент резонанса  зычка дадут его частоту. В данном случае нет необходимости в равномерном вращении, так как отсчет производитс  по MiHoueHHbiM показател м. Возможно также снабдить прибор контактами 5, замыкаемыми самой вибрирующей нллстинкой 4 по достижении ею максимальной (резонансной) амнлитуды. Контакт этот может быть ксп льзован дл  замыкани  цепи либо неоновой, либо обычной лампы 6 (отмечено пунктиром), освещающей шкалу в моменг резонанса пластинки и избавл ющей от необходимости следить одновременно за двум  указател ми, либо, что еще целесообразнее, дл  приведени  в действие электромагнита, автоматически стопор щего стрелку тахометра в момент резонанса колебаний пласгимки.

Обычна  форма плоской пр моугольной цласгинки , типа примен емых в 1,иб.)ационных частотомерах, при полном погружении ее в жидкость , благодар  большой поверхности, получает с ишком больщое демпфирование (успокоение), в св зи с чем резонанс будет сильно притуплен, и нахождение точки максимальной амплитуды будет затруднительно.

Поэтому форма колеблющегос  тела должна быть выбрана соответствующим образом. Пластинка должна быть снабжена вырезами или отверсти ми , уменьшающими тормоз щее вли ние жидкости. Предлагаетс  выполнение вибрирующего тела из тонкой жидкости стальной проволоки-одной , либо двух и более, тшраллельно зажатых в основании прибора и св занных вместе в верхней свободной части (фиг. 10). Вместо проволоки может быть применена трубочка соответствующего диаметра.

Однако, чрезмерное успокоение создает затруднени  лишь, в случае полного ногружени  пластинки в жидкость. При частичном ее погружении , когда наиболее колеблюща с  верхн   часть находитс  вне жидкости,  вление притуплени  резонаг са почти не наблюдаетс .

Путем различного погружени  пластинки и жидкость представл етс  возможность исследовани  жидкостей в весьма большом диапазоне от самых подвижных и до переход щих в твердое состо ние, чго неосуществимо в обычных типах вискозиметров.

В некоторых случа х более удобным способом определени  частоты вибрирующего  зычка может  витьсн использование его в качестве самовозбуждающегос  генератора к ejaний по типу,, так называемых, камертонных ламповых генераторов , причем вместо камертона примен етс  виорирующа  пластинка ( зычок).

Подобное устройство, )  иа некоторое усложнение (наличие схемы генератора) все же дает значительные преимущества, так как определение частоты пластинки производитс  не по ее резтнансу, а непосредственно измерением частоты генератора. Поэтому, притупление кривой резонанса и вообще форма ее затрудн ет наблюдени , так что в этом случае можно работать с сильно демпфированной вибрирующей пластинкой .

Предмет изобретени .

Claims (13)

1.Способ измерени  в зкости жидкости, отличающийс  тем, что в зкость олредел ют по изменению резонансной частоты нат нутой струны при погружении ее в исследуемую жидкость.

2.Прием осуществлени  способа по п. 1 путем применени  генератора колебаний, питающего струну, помеп1енную в посто нном магнитном поле, вызыва  ее вибрации (либо струнН; питаемой посто нным током и помещепний

в переменном магнитном поле), отличающийс  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 определ ют в зкость исследуемой жидкости .

3.Видоизменение способа по пп. 1 и 2, отличающеес  тем, что некоторое количество исследуемой жидкости на отверстие кольпа или цилиндра, охватывающего вибрирующие струны , а затем кольцо вместе с жидкостью перемещают вдоль нитей до достижени  необходимой частоты колебаний системы,

4.Видоизменение способа по пп. 1 и 2, отличающеес  тем, что в зкость жидкости определ етс  по величине изменени  нат жени  струны, погруженной в жидкость, необходимого дл  восстановлени  прежней резонансной ее частоты, которую она имела в воздухе или в талонной жидкости.

5.Устройство .дл  измерени  в зкости по пп. 1-3, с применением одной или более нат нутых струн, вибрирующих в магнитном поле, отJ ичающеес  применением охватывающего нити кольца нли цилиндра 1, содержащего исследуемую жидкость и снабженного приспособлением дл  перемещени  его вдоль нат нутых нитей (фиг. 3).

6.Форма выполнени  устройства; по п. 5, отличающа с  тем, что передвнжное кольцо 1 выполнено в виде плоской коробки 9, снабженной двум  отгерсти ми дл  прохождени  нитей вибрирующей системы (фиг. 4).

7.Видоизменение способа по п. 1, отличающеес  тем, что в зкость определ ют по изменению резонансной частоты колебаний какого-либо зажатого с одного конца упругого тела при погружении его в исследуемую жидкость.

8.Прием осуществлени  способа по п. 7, отличающийс  тем, что определение в зкости осуществл ют путем перемещени  груза, укрепленного на свободном конце вибрирующей пластинки, сначала в воздухе, а затем после частичного или полного его погружени  в исследуемую жидкость.

9.Прием осуществлени  способа по п. 7, отличающийс  тем, что необходимое дл  измерени  в зкости изменение частоты колебаний пластинки осуществл ют путем изменени  ее рабочей длины в точке креплени .

10.Устройство дл  осуществлени  способа по п. 7, отличающеес  применением зажатой с одного конца пластинки, заключенной в предназначенный дл  заполнени  исследуемой жидкостью сосуд и приводимой в колебание.

11.Форма выполнени  устройства по п. 10, отличающа с  тем, что вибрирующее тело выполнено из одного или больщего числа св занных трубчатых стержней из упругого материала.

12.Форма выполнени  устройства по п. 10, отличающа с  тем, что, в цел х определени  собственной частоты вибрирующей пластины, последн   использована дл  возбуждени  электрических колебаний каким-либо из известных способов (например, включением в магнитную цепь катодного генератора и т. п.).

13.Форма выполнени  устройства по пп. 10-12, отличающа с  тем, что вибрирзюща  пластинка снабжена контактом, предназначенным дл  замыкани  сигнальной цепи, привод щей в действие какое-либо осветительное или магнитное устройство , фиксирующее пологление стрелки прибора, указывающего частоту генератора колебаний, возбуждающего вибрации пластинки. к авторсж му свидетельству И. А. № 41243. Городинского

Фиг/t

:

1

ФипЗ

--С

Jt.

Фиг5 Фмг5 Фиг Ф.

.0:

ФигЗ

,JJ /1

--1CD

ф.

. , ФигО

1 -И т

iO rf

Jl

-,.,