Спосіб визначення в’язкості рідини

1. Спосіб визначення в'язкості рідини, який полягає у обертанні циліндричного барабана, частково заповненого рідиною, навколо горизонтальної осі, вимірюванні характерного параметра та визначенні в'язкості, який відрізняється тим, що швидкість обертання барабана плавно збільшують зі стану спокою до моменту переходу циркуляційного режиму течії досліджуваної рідини в режим пристінкового шару, вимірюють кутову швидкість обертання барабана при утворенні цього шару, а значення в'язкості визначають за величиною швидкості. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що камеру барабана заповнюють досліджуваною рідиною на 0,1-0,9 її об'єму. 3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що значення в'язкості визначають із співвідношення: 2 3 17100 4 кості рідини шляхом вимірювання, як характерного з точки зору чисельного визначення в'язкості доспараметра, швидкісної межі переходу, що візуаліліджуваної рідини на основі реєстрування швидкізується, режимів течії рідини в камері обертового сної межі переходу режимів течії в обертовій кабарабана забезпечити підвищення точності визнамері із урахуванням нелінійного впливу критеріїв чення в'язкості за рахунок стійкості прояву параподібності руху - числа Рейнольдса, числа Фруда метра, що вимірюється, та запобігання впливу на та ступеня заповнення камери. нього інерційності системи, а також забезпечити Крім того, при дослідженні рідини із екстремарозширення діапазону визначення в'язкості за ральними значеннями в'язкості радіус камері зміннохунок чутливого реагування величини вимірюваного барабана збільшують, причому ступінь заповго параметра на зниження і підвищення в'язкості нення камери зменшують при дослідженні рідини з та можливості змінювання радіуса і ступеня запонизькою в'язкістю, а при дослідженні рідини з вивнення камери для підвищення чутливості. сокою в'язкістю ступінь заповнення збільшують. Вирішення поставленої технічної задачі досяЦе здійснення способу є таким, якому віддається гається тим, що в способі визначення в'язкості перевага з точки зору розширення діапазону вирідини, який полягає у обертанні циліндричного значення в'язкості шляхом спрощення візуалізації барабана, частково заповненого рідиною, навколо переходу режимів течії, оскільки при дослідженні горизонтальної осі, вимірюванні характерного парідини у випадку малого радіуса та великого стураметра та визначенні в'язкості, згідно корисної пеня заповнення камери суттєво зростає величина моделі, швидкість обертання барабана плавно швидкісної межі переходу режимів, що затрудняє її збільшують зі стану спокою до моменту переходу вимірювання, а при дослідженні рідини з високою циркуляційного режиму течії досліджуваної рідини в'язкістю у випадку малих радіуса та ступеня запов режим пристіночного шару, вимірюють кутову внення камери внаслідок виникнення вторинних швидкість обертання барабана при утворенні цьотечій визначення межі переходу режимів течії го шару, а значення в'язкості визначають за велиутруднено. чиною швидкості. Це здійснення способу є таким, Крім того, при дослідженні обмеженого об'єму якому віддається перевага з точки зору підвищенрідини радіус камери змінного барабана зменшуня точності визначення в'язкості шляхом підвиють до досягнення величини ступеня заповнення щення стійкості прояву параметра, що вимірюєтьдіапазону 0,1-0,9. Це здійснення способу є таким, ся, та запобігання впливу на нього інерційності якому віддається перевага з точки зору підвищенсистеми. ня точності визначення в'язкості малого об'єму В окремих випадках здійснення корисної морідини шляхом спрощення візуалізації переходу делі камеру барабана заповнюють досліджуваною режимів, оскільки при ступені заповнення нижче рідиною на 0,1-0,9 її об'єму. Це здійснення способу 0,1 внаслідок вторинних течій визначення швидкіє таким, якому віддається перевага з точки зору сної межі утруднено. підвищення точності визначення в'язкості шляхом Суть корисної моделі пояснюється графічними спрощення візуалізації переходу режимів течії різображеннями: дини в камері, оскільки при ступені заповнення на Фіг.1 показано схему циркуляційного режинижче 0,1 внаслідок виникнення вторинних течій му течії рідини в камері обертового барабана; та плавності переходу режимів [3] визначення на Фіг.2 - схему режиму пристіночного шару швидкісної межі утруднено, а при ступені вище 0,9 течії рідини в камері; величина зазначеної межі суттєво зростає, що на Фіг.3 - графіки меж переходу циркуляційнозатру днює її вимірювання. го режиму течії рідини у камері в режим пристіночКрім того, значення в'язкості визначають із ного шару при прискоренні обертання барабана. співвідношення: На рідину, що частково заповнює камеру обертового барабана, діє гравітаційне та інерційне R2 v , відцентрове силове поле. При низькій швидкості 10lg(Re) обертання барабана переважає гравітаційне поле 4 3 2 lg(Re)=(-39,714·к +82,03·к -53,919·к +9,367·к+ і виникає циркуляційний режим течії переважно в +2,449)x [lg(Fr)]2+(48,177·к4-98,958·к3+64,245·к2нижній частині камери, показаний на фіг.1. При 4 2 11,885·к-0,46)x[lg(Fr)-2,604·к +7,76·к -7,5·к+3,173, високій швидкості обертання переважає інерційне 2 відцентрове поле і виникає режим течії у вигляді R Fr , пристіночного шару, розподіленого по радіальній g поверхні камери, показаний на фіг.2. де v - кінематичний коефіцієнт в'язкості досліНа Фіг.3 зображено одержані за допомогою 2 джуваної рідини, м /с; чисельних та експериментальних методів [3] гра- кутова швидкість барабана при переході фіки меж переходу циркуляційного режиму течії у циркуляційного режиму течії досліджуваної рідини камері в режим пристіночного шару, під чає присв його камері в режим пристіночного шару під час корення обертання барабана, в логарифмічних прискорення обертання, 1/с; осях число Рейнольдса Re= ·R2/v та число Фруда R - радіус камери барабана, м; Fr= 2·R/g для п'яти значень ступеня заповнення Re - число Рейнольдса; камери к. К - ступінь заповнення камери барабана досПри великих Re перехід режимів течії є явно ліджуваною рідиною; вираженим. При малих Re внаслідок прояву ефекFr - число Фруда; ту прилипання до стінки камери та злипання шарів g - гравітаційне прискорення, м/с2. Це здійсрідини розвиваються вторинні циркуляційні течії у нення способу є таким, якому віддається перевага вигляді валика на поверхні шару. Внаслідок плав 5 17100 6 ності зміни течії у вигляді деформації вільної поція. За функцію двовимірної інтерполяції прийнято верхні перехід режимів стає неявно вираженим. lg(Re) за аргументи -lg(Fr) та к. Прийнято рівномірТому точне визначення за допомогою візуалізації ну сітку із п'ятнадцятьма вузлами з координатами: такої швидкісної межі переходу режимів течії сутlg(Fr)=0, 1 та 2, к=0,1, 0,3, 0,5, 0,7 та 0,9. В таблиці тєво утруднюється. наведено прийняті значення функції у вузлах інтеЗ метою визначення співвідношення для розрполювання. рахунку в'язкості рідини застосовується інтерполяТаблиця Значення функції у вузлах інтерполювання Аргументи № к 0,1 0,1 0,1 0,3 0,3 0,3 0,5 0,5 0,5 0,7 0,7 0,7 0,9 0,9 0.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Застосовано інтерполяційний многочлен Лагранжа. Інтерполяційна формула має вигляд 4 3 2 2 4 lg(Re)=(a0·к +a1·к +а2·к +a·к+а4)x[lg(Fr)] +(b0·к + b1·к3+b2·к2+b3·к+b4)x lg(Fr)+(c0·к4+c1·к3+c2·к2+c3·к+c4) Остаточно вираз для v має вигляд v R2 , 10 Після визначення коефіцієнтів а0 a4, b0 b4 та c0...c4 за значеннями функції у вузлах інтерполювання вираз для інтерполяційної формули має вигляд lg(Re)=(-39,714·к4+82,031·к3-53,919·к2+9,367 к+2,449)x [lg(Fr)]2+(48,177·к4-98,958·к3+64,245·к211,885·к-0,46)xlg(Fr)-2,604·к4+7,76·к2-7,5·к+3,173. При к0,9 величина v визначається екстраполюванням. Розрахувати величину в'язкості рідини можна за допомогою нескладних комп'ютерних програм. Для здійснення заявленого способу може бути використаний пристрій, який включає декілька змінних барабанів із циліндричними камерами різного радіуса. З метою запобігання несприятливого впливу на точність вимірювання крайового ефекту на торцевих стінках, довжина кожної камері перевищує її діаметр. Для візуалізації течії в камері, торцеву стінку барабана виконано з прозорого матеріалу. Привод для обертання барабана навколо горизонтальної осі виконано із можливістю плавної зміни швидкості та обладнано датчиком кутової швидкості обертання барабана. Пристрій також обладнано приладом для вимірювання об'єму порції досліджуваної рідини. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. Попередньо оцінюється величина в'язкості досліджуваної рідини. Вибирається барабан із камеlg(Re) Ig(Fr) 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 Функція Ig (Re) 2,5 4,325 12 1,6 3,375 9,75 1,2 2,925 7,5 1,1 2,6125 6,5 1 2,3 5,5 рою відповідного радіуса. Вибирається ступінь заповнення камери та вимірюється об'єм порції рідини. Барабан з рідиною приводиться в обертання і через прозору стінку ведеться спостереження за течією в камері. Плавно збільшуючи швидкість обертання барабана зі стану спокою реєструється момент переходу циркуляційного режиму течії рідини у режим пристіночного шару та вимірюється величина кутової швидкості обертання, що відповідає межі переходу режимів. За значенням швидкості обертання, із урахуванням величин радіуса та ступеня заповнення камери, розраховується значення в'язкості досліджуваної рідини. При необхідності уточнення одержаного результату вибирається інша ступінь заповнення камери або змінний барабан із камерою іншого радіуса і повторюється зазначена послідовність дій. Приклад 1 здійснення способу. За попередньою оцінкою величина в'язкості досліджуваної рідини середня. Прийнято барабан із камерою радіусом R=0,05м. Прийнято ступінь заповнення камери порцією рідини к=0,45. Виміряна величина швидкості обертання барабана при переході режимів складає =55 1/с. Величину кінематичного коефіцієнта в'язкості рідини v розраховують у такій спосіб: 552 0,05 15,418; 9,81 4 3 lg(Re)=(-39,714·0,45 +82,031·0,45 -53,919 2 2 0,45 +9,367·0,45+2,449)x[lg(15,418)] +(48,177·0,454 -98,958x0,453+64,245x0,452-11,885x0,450,46)x lg(15,418)-2,604·0,454+7,76·0,4527,5·0,45+3,173=3,699; Fr 7 17100 2 55 0,05 10 4,5607 ì 2 / ñ. 103,699 Приклад 2. За попередньою оцінкою величина в'язкості низька. Прийнято: R=0,1м, к=0,15. Виміряно: =53 1/с. v 532 0,1 Fr 28,634; 9,81 lg(Re)=(-39,714·0,154+82,031·0,153-53,919· ·0,152+9,367·0,15+2,449)x[lg(28,634)]2+(48,177·0,154 -98,958·0,153+64,245·0,152-11,885·0,150,46)x lg(28,634)-2,604·0,154+7,76·0,1527,5·0,15+3,173=6,759; 53 0,052 10 7,0347 ì 2 / ñ. 106,759 Приклад 3. За попередньою оцінкою величина в'язкості висока. Прийнято: R=0,15м, к=0,85. Виміряно: =16 1/с. Fr Fr 162 0,15 9,81 8 lg(Re)=(-39,714·0,854+82,031·0,85353,919·0,852+9,367·0,85+2,449)x [lg(3,9144)]2+(48,1 77·0,854-98,958·0,853+64,245·0,852-11,885·0,850,46)x lg(3,9144)-2,604·0,854+7,76·0,8527,5·0,85+3,173=1,5688; 16 0,152 10 2,0125 ì 2 / ñ. 101,5688 Здійснення заявленого способу дозволяє підвищити точність та розширити діапазон визначення в'язкості. Джерела інформації: 1. А.с. СРСР №478192, кл. G01F13/00, G01С9/00, 1975, Бюл. №27. 2. Пат. України №51256 С2, кл. G01N11/14, 2004, Бюл. №9. 3. Науменко Ю.В. Режимный гистерезис вязкого течения со свободной поверхностью в горизонтальном вращающемся цилиндре // Прикд. гідромеханіка. - 2001. - Т.3(75), №2. - С.25-31. v 9,9144; Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601