СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей с помощью тепловых средств. Может успешно использоваться для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки многокомпонентных прозрачных жидкостей: дизтоплив, авиационных керосинов, растительных масел и др. Предлагаемый способ наиболее актуален при использовании проб жидкости малого объема.

Известен динамический способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для его реализации [патент РФ №2263305]. По этому способу в термоизолированной металлической кювете с пробой исследуемой жидкости, снабженной термодатчиком дна кюветы, размещают пробу исследуемой жидкости и термоизолированный от внешней среды сферический металлический зонд вибровискозиметра, снабженный термодатчиком; зонд вибровискозиметра с заданной вынуждающей силой приводят в режим гармонических механических колебаний, монотонно и непрерывно по времени по известному закону изменяют температуру кюветы путем обеспечения теплового контакта с управляемым устройством охлаждения-нагрева пробы, при этом температуру изменяют со скоростью, превышающей скорость установления процессов изменения температуры исследуемой жидкости, измеряют температуру зонда во всем заданном интервале изменения температуры кюветы, а также амплитуду, фазу, частоту колебаний зонда и определяют плотность ρ, вязкость η и температуропроводность а_ж жидкости в зависимости от ее температуры по уравнению теплопроводности жидкости и по уравнению вынужденных колебаний зонда вибровискозиметра.

Известное устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей по патенту РФ №2263305 включает корпус, в котором установлены термоэлектрические модули с термоаккумулирующим элементом, один из модулей соединен с регулируемым источником постоянного тока и имеет тепловой контакт с кюветой, второй термоэлектрический модуль снабжен средством теплоотвода, внутри кюветы размещены измерительный преобразователь температуры и зонд вибровискозиметра, выполненный в виде шарика из меди или серебра, измерительные преобразователи температуры зонда и кюветы в виде термопар встроены внутри зонда через капиллярный шток и в дне металлической кюветы; зонд, капилляр и кювета термоизолированы от внешней среды. Вибровискозиметр и кювета размещены в корпусе устройства с возможностью перемещения относительно друг друга.

Способ и реализующее его устройство имеют следующие недостатки:

- отсутствует возможность определения температур помутнения и кристаллизации многокомпонентных жидкостей,

- отсутствует возможность одновременного исследования зависимости вязкости и оптического пропускания исследуемой жидкости от температуры, особенно в области отрицательных температур, что важно при определении температурных зон структурной перестройки многокомпонентных жидкостей.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение полноты и достоверности оценок в отношении температурозависимых свойств многокомпонентных жидкостей путем одновременного исследования зависимости от температуры: вязкости, плотности, температуропроводности и оптического пропускания в одной локальной области пробы жидкости малого объема при высокой скорости и точности регистрации измерительной информации.

Для реализации указанной задачи предложен способ исследования теплофизических свойств жидкостей, при котором в металлической кювете с пробой исследуемой жидкости, снабженной датчиком температуры дна кюветы, размещают сферический металлический зонд вибровискозиметра, снабженный датчиком температуры, зонд вибровискозиметра приводят в режим гармонических механических колебаний посредством внешней вынуждающей силы, кювету приводят в тепловой контакт с управляемым устройством охлаждения-нагрева и монотонно и непрерывно по времени изменяют температуру кюветы со скоростью, превышающей скорость установления процессов изменения температуры исследуемой жидкости, измеряют температуру зонда во всем интервале изменения температуры кюветы, а также амплитуду, фазу, частоту колебаний зонда и определяют плотность ρ, вязкость η и температуропроводность жидкости α_ж в зависимости от ее температуры в заданном температурном диапазоне в режимах охлаждения и нагрева пробы, при этом обеспечивают термоизоляцию от внешней среды кюветы и зонда, отличающийся тем, что дополнительно измеряют зависимость от температуры оптического пропускания жидкости в непосредственной близости от сферического зонда вибровискозиметра в одной с ним изотермической зоне посредством волоконно-оптического датчика оптического пропускания жидкости, а определение положения виброзонда, оптического пропускания жидкости и температуры зонда и кюветы осуществляют в каждом периоде колебаний зонда, причем определение положения зонда и его фазового угла относительно вынуждающей силы осуществляют для моментов экстремального отклонения зонда от исходного равновесного положения, а уровень оптического сигнала определяют для моментов прохождения зондом его равновесного положения.

Предложено также устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей, которое включает корпус, кювету, размещенную с обеспечением теплового контакта с управляемым устройством охлаждения-нагрева, сферический металлический зонд вибровискозиметра, размещенный с возможностью установочных перемещений относительно кюветы, при этом шток зонда и кювета термоизолированы от внешней среды; внутри зонда и внутри дна кюветы встроены датчики температуры, выходы которых и выходы датчика положения зонда вибровискозиметра подключены к входу устройства регистрации и управления, выход которого соединен с управляемым устройством охлаждения-нагрева и с входом электромеханической колебательной системы вибровискозиметра. Устройство отличается тем, что кювета снабжена волоконно-оптическим датчиком оптического пропускания жидкости, установленным в непосредственной близости от зонда вибровискозиметра в одной с ним изотермической зоне.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, на которых показано заявляемое устройство и вид кюветы сверху.

Металлическая кювета 1 с исследуемой жидкостью в виде пробы 2 малого объема, например 0,1÷0,2 мл, имеет возможность нагрева-охлаждения путем теплового контакта дна кюветы с управляемым устройством охлаждения-нагрева 3. Устройство охлаждения-нагрева может быть, как и в прототипе, выполнено в виде двух термоэлектрических модулей на основе элементов Пельтье с термоаккумулирующим элементом между ними. Сферический металлический зонд 4 вибровискозиметра размещен с возможностью установочных перемещений относительно кюветы 1 для обеспечения смены пробы и очистки кюветы. Внутри зонда и внутри дна кюветы встроены датчики температуры 5 и 6 соответственно. Шток 7 зонда и кювета термоизолированы от внешней среды во избежание влияния неконтролируемых тепловых потоков из внешней среды (см. заштрихованную зону вокруг кюветы на фиг.1). Шток 7 зонда выполнен в виде капилляра из термоизоляционного материала, через который пропущены проводники датчика температуры 5. Датчик 5 температуры зонда может быть выполнен, например, в виде термопары, измерительный спай которой размещен в зонде, а опорный спай находится в термостатируемом корпусе (на фиг.1 заштрихованная область) вибровискозиметра 8. Второй датчик 6 температуры кюветы выполнен в виде либо терморезистора, либо в виде термопары, измерительный спай которой размещен в дне кюветы, а опорный спай термостатирован.

В непосредственной близости от миниатюрного сферического зонда 4 и на одной высоте с ним в одной с ним изотермической зоне размещен волоконно-оптический датчик 9, включающий излучающее оптическое волокно 10 и приемное оптическое волокно 11. При этом излучающее волокно снабжено оптоизлучателем 12, например, светодиодом, а приемное оптическое волокно снабжено фотоприемником 13, например, фотодиодом (фиг.2).

Как и в прототипе, кювета выполнена из металла с высокой температуропроводностью, например, из меди. Сферический зонд 4 вибровискозиметра выполнен из меди или серебра диаметром не более нескольких миллиметров, что уменьшает тепловую инерцию зонда, и соответственно погрешность измерения текущей температуры жидкости. Миниатюрный зонд при амплитуде колебаний менее нескольких микрон не вызывает механической деструкции жидкости, а метрологическая характеристика такого зонда нечувствительна к изменению температуры исследуемой жидкости в связи с тем, что колебательная система вибровискозиметра вынесена за пределы кюветы и находится при постоянной температуре, а зонд механически связан с колебательной системой термоизолирующим штоком 7.

Выходы датчиков температуры 5 и 6 и датчика положения 14 зонда вибровискозиметра подключены к входу устройства регистрации и управления 15, выход которого соединен с управляющим входом устройства охлаждения-нагрева 3. Устройство регистрации и управления 15 выполнено на базе микроконтроллера. Необходимые управляющие команды обеспечивают тепловой режим, гармонические колебания зонда 4, работу датчиков температуры 5 и 6 зонда и дна кюветы, излучение и прием оптического сигнала, контроль и синхронизацию параметров, в частности, последовательный выбор моментов измерения, синхронизованных относительно периода колебаний зонда.

Тепловая постоянная времени для жидкости определяется как τ_ж=h²/а_ж, где h - характерный геометрический размер пробы. При объеме пробы не более 1 мл величина h составляет несколько миллиметров, а тепловая постоянная времени τ_ж не превышает единиц или десятков секунд, что позволяет исследовать температурозависимые параметры жидкости для быстропротекающих процессов структуропреобразования жидкости.

Обеспечение теплового режима подразумевает заданное изменение температуры дна металлической кюветы. Монотонное и непрерывное изменение охлаждения-нагрева кюветы упрощает технику исследования, повышает достоверность и точность анализа жидкостей, например, с большим временем релаксации (смолы, аморфные вещества с большой вязкостью), позволяет наблюдать гистерезисные явления жидкости при ее термоциклировании.

Теоретические предпосылки заявляемого способа состоят в следующем.

В каждом периоде колебаний зонда измеряют его температуру, частоту, фазу, а также амплитуду как экстремальное отклонение зонда от равновесного положения. Измеренные параметры колебаний зонда и его температуры позволяют определить плотность ρ и вязкость η жидкости по уравнению вынужденных колебаний зонда для механической колебательной системы с одной степенью свободы [Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977]:

где M - приведенная масса колебательной системы; r - механическое сопротивление колебательной системы; B - приведенная жесткость колебательной системы; x - отклонение колебательной системы от положения равновесия; F(t) - вынуждающая сила, приложенная к колебательной системе.

Уравнение (1) достаточно хорошо описывает поведение вибровискозиметра, работающего в режиме колебаний с малой амплитудой [Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, Сибирское отд-е, 1970].

Уравнение колебания шарика в жидкости может быть приведено к виду [см. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Гидродинамика. - М.: Наука, 1964]

где

здесь F_c, сила действующая на колеблющийся с частотой ω шарик; r_з - механическое сопротивление зонда; m - присоединенная масса жидкости; d - диаметр зонда; η и ρ - вязкость и плотность жидкости; ∂x/∂t - динамика отклонения зонда от равновесного положения.

По результатам измерений сигналов вибровискозиметра (амплитуды А, частоты ω и фазы φ вынужденных колебаний зонда) определяют r_з и m, а динамические вязкость η и плотность ρ жидкости вычисляют путем одновременного решения уравнений (3).

Параметры r_з и m - могут быть определены следующим образом

Здесь r_в - механическое сопротивление зонда при колебании в воздухе; B и M - приведенные эффективные жесткость и масса, a Q - добротность колебательной системы в воздухе. B, M и Q определяются стандартными методами на стадии калибровки прибора. Коэффициенты α и β определяются как

α=А_рж/А_рв; β=ω_рж/ω_рв.

где А_рж, А_рв, ω_рж, ω_рв - амплитуда и частота резонансного колебания зонда в жидкости и в воздухе.

Измеряя параметры колебания зонда А_рж/А_рв и ω_рж/ω_рв, температуру зонда в реальном масштабе времени, находим значения r_з и m. По вышеприведенному уравнению (3) определяем плотность ρ и вязкость η исследуемой жидкости и их зависимость от температуры. Температуропроводность жидкости а_ж определяется путем решения уравнения теплопроводности с учетом параметров, измеренных вибровискозиметром

а_ж(T_cp)=К/T_cp(t)

где Т_ср - средняя температура жидкости в момент измерения; коэффициент формы К зависит только от геометрии термодинамической системы и имеет размерность м², он может быть либо рассчитан, либо определен экспериментально при заполнении термодинамической системы жидкостью с известной зависимостью а_ж(Т). Более подробно математическое обоснование приведено в описании к патенту РФ №2313305.

Способ осуществляют следующим образом.

В кювету 1 помещают малый объем пробы 0,15÷0,2 мл исследуемой жидкости. Затем в жидкость опускается зонд вибровискозиметра. Перед началом измерений устанавливается необходимая начальная температура, например +20°C, исследуемой жидкости, зонда и кюветы.

Зонд 4 приводят в режим гармонических механических колебаний посредством внешней вынуждающей силы, действующей на колебательную систему 16, кювету приводят в тепловой контакт с управляемым устройством охлаждения-нагрева пробы 3 и монотонно и непрерывно по времени изменяют температуру кюветы со скоростью, превышающей скорость установления процессов изменения температуры исследуемой жидкости. Скорость нагрева или охлаждения, установка начальной и конечной температуры пробы задается устройством регистрации и управления 15, Устройство регистрации и управления обеспечивает возбуждение колебательной системы 16 вибровискозиметра 8 на заданной частоте, задает амплитуду вынуждающей силы, определяет также в каждом периоде колебаний зонда моменты измерения температуры и уровня оптического сигнала. Измерение амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в каждом периоде колебаний позволяет обеспечить максимально возможную скорость съема температуровязкостной характеристики исследуемой пробы жидкости.

В ходе исследования температуру дна кюветы однократно или циклически охлаждают от начальной до конечной температуры минус 40°C ÷ минус 70°C и затем нагревают до начальной температуры непрерывно и монотонно.

Разница температур между кюветой и зондом позволяет определить из уравнения теплопроводности жидкости ее температуропроводность. При постоянной температуре кюветы разница температур равна нулю и температуропроводность жидкости в статическом режиме не может быть определена. Скорость изменения температур кюветы выбирается такой, чтобы разница температуры зонда и кюветы была измерена с достаточной точностью. Непрерывность, монотонность и заданная скорость изменения температуры обеспечивается устройством регистрации и управления 15, и задается функционально, математически.

В процессе исследования одновременно измеряют сигналы датчиков температуры зонда 5 и кюветы 6 и зависимость от температуры оптического пропускания жидкости в непосредственной близости от зонда вибровискозиметра в одной с ним изотермической зоне. Использование волоконно-оптического датчика оптического пропускания жидкости, расположенного в одной изотермической зоне с зондом вибровискозиметра, позволяет обеспечить локальность контроля оптических свойств жидкости, оценить согласованность температурных изменений оптических и вязкостных свойств исследуемой жидкости, исключить влияние изменения температуры жидкости на характеристики оптоизлучателя 12 и фотоприемника 13, находящихся на излучающем и приемном оптических волокнах, соответственно.

Также измеряют амплитуду колебаний зонда, их частоту, фазовый сдвиг между колебаниями зонда и колебаниями вынуждающей силы и определяют плотность ρ, вязкость η температуропроводность жидкости α_ж в зависимости от ее температуры с учетом указанных выше зависимостей (программными средствами). Измерение разности температур между зондом и дном кюветы позволяет определить температуропроводность жидкости а_ж и исследовать зависимость температуропроводности от температуры. Такая возможность имеется в связи с тем, что охлаждение кюветы производится снизу, что практически исключает конвекцию, а небольшая (единицы… десятки микрон) амплитуда колебаний зонда позволяет пренебречь эффектом перемешивания жидкости колеблющимся зондом.

Все измерения и вычисления параметров привязаны к параметру "текущее время измерения". Измерение амплитуды виброзонда и его фазового угла относительно вынуждающей силы осуществляют для моментов экстремального отклонения зонда от равновесного положения, а определение уровня оптического сигнала, проходящего через пробу, производят для моментов прохождения зондом его равновесного положения.

В связи с тем, что чувствительный промежуток между излучающим 10 и приемным 11 волокнами волоконно-оптического датчика 9 расположен в непосредственной близости от зонда вибровискозиметра, возникает модуляция оптического излучения, проходящего в приемное оптическое волокно 11, механическими колебаниями зонда 4. Для исключения влияния этой модуляции на точность регистрации оптического сигнала значения оптического сигнала определяют для моментов прохождения виброзондом его равновесного положения.

Измерение оптического пропускания пробы жидкости при изменении ее температуры позволяет исследовать температурную эволюцию структуры жидкости оптическим методом, определять температуры помутнения и кристаллизации проб, что важно для оценки эксплуатационных свойств моторных масел, дизтоплив и авиационных керосинов.

Одновременное исследование зависимости оптического пропускания и вязкости исследуемой жидкости от температуры в одной изотермической зоне позволяет полнее и достовернее описывать явления микро- и макроструктурной перестройки жидкости в процессе ее термостимуляции [Соломин Б.А. Способ исследования межмолекулярных взаимодействий в многокомпонентных жидких средах методами неравновесной термодинамики // Известия Самарского научного центра, №3/2008, 732-738]. С практической точки зрения это важно для уточнения оценки эксплуатационных и потребительских свойств ряда достаточно прозрачных многокомпонентных жидкостей: нефтепродуктов, пищевых и медицинских препаратов.

Заявляемый способ обеспечивает:

1. Возможность одновременного определения основных теплофизических (в том числе термооптических) свойств жидкостей в процессе термостимуляции с использованием микродоз (0,15…0,2 мл) исследуемых жидкостей.

2. Высокую скорость и точность регистрации измерительной информации, что позволяет более детально исследовать динамику макро- и микроструктурных процессов в жидкости при ее термостимуляции.

3. Позволяет оперативно определять важные эксплуатационные параметры жидких нефтепродуктов.