СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ГАЗА

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики, в частности к способам измерения вязкости газов η, и может найти применение в различных отраслях промышленности и в лабораторной практике.

Известен способ измерения вязкости газов (см. Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - Москва.: Недра, 1973. с. 122-126), согласно которому газ с постоянным расходом пропускают через капилляр, измеряют перепад давления на нем, по которому судят о вязкости.

Недостатком такого способа является невысокая точность измерения, связанная с влиянием плотности газа на результат измерений.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ измерения вязкости, реализованный в устройстве (а.с. СССР №972325, МПК G01N 11/06), в котором отбирают пробу газа, пропускают его при постоянном перепаде давления через капилляр, измеряют время изменения давления до капилляра на заданную величину, по значению которого судят о величине вязкости.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является недостаточная точность измерения вязкости газа.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем снижения методической ошибки и обеспечения возможности измерения вязкости газа при давлениях, близких к атмосферному.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения вязкости газов путем отбора и заполнения им емкости, пропускания его через капилляр при постоянном перепаде давления, измерения времени изменения давления в емкости на заданную величину дополнительно изменяют объем емкости, измеряют давления до и после дросселя и о вязкости газа судят по произведению среднего давления и времени истечения газа на момент достижения давлением в емкости заданного значения.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ измерения вязкости газа.

Газ на анализ поступает на вход 1 трехходового крана 2, к входу 3 которого подключена емкость 4 переменного объема с поршнем 5. К входу 6 крана 2 присоединены манометр 7, вход 8 крана 9 и камера 10 повторителя давления 11. В камере 10 размещена пружина 12 и винт 13 для ее сжатия. К входу 14 крана 9 подключен вход капилляра 15, вход которого соединен с камерой 16 повторителя 11. В камере 16 размещена пружина 17 и сопло 18, связанная с атмосферой. Поршень 5 снабжен штоком 19. Между камерами 10 и 16 повторителя 11 размещена мембрана 20. К камере 16 подключен манометр 21.

Реализация способа осуществляется следующим образом. В начальный момент времени трехходовой кран 2 переводят в состояние, при котором линия подвода газа на анализ соединяется с полостью емкости 4 переменного объема, поршень 5 в которой занимает крайнее нижнее положение. Кран 9, установленный на входе капилляра 15, закрыт. Отбор газа осуществляют путем перемещения поршня 5 до уровня Н₀. Состояние газа, поступившего в емкость 4, описывается уравнением

где Р₀ - абсолютное давление газа в емкости 4, имеющей начальный объем V₀, после отбора анализируемого газа; Θ₀ - количество газа; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура газа.

После этого кран 2 переводят в состояние, при котором емкость 4 соединяется с манометром 7 и камерой 10 повторителя 11. Газ сжимается за счет перемещения поршня 5 с помощью штока 19 до заданного уровня Н₁. Объем емкости 4 уменьшится на величину ΔV, а давление Р₀ - увеличится на ΔР.

Состояние газа изменится и уравнение (1) примет вид

(P₀+ΔP)(V₀-ΔV)=Θ₀RT,

так как Р₀+ΔР=Р_4н - давление в емкости 4 на начало измерений,

V₀-ΔV=V_4н, то

Из (1) и (2) на основании закона Бойля-Мариотта, т.е. при условии Θ₀RT=const,

Из (3)

Процесс измерения начинается после открытия крана 9 и включения секундомера (на чертеже не показан). Давление Р_4н на входе капилляра 15 в начальный момент времени t₀ фиксируют. Анализируемый газ проходит через капилляр 15 в камеру 16 повторителя 11, а далее через сопло 18 в атмосферу. Перепад давления на капилляре 15 в процессе измерения поддерживается на заданном уровне с помощью повторителя 11.

В состоянии равновесия повторителя 11 сила F₁₀=F_P10+F_пр12, действующая на мембрану 20 со стороны камеры 10, равна силе F₁₆=F_P16+F_пр17, действующей со стороны камеры 16, где F_P10=P₁₀S - сила, возникающая при действии давления Р₁₀ на мембрану 20 повторителя площадью S; F_P16=P₁₆S - сила, возникающая при действии давления Р₁₆ на мембрану 20 повторителя площадью S; F_пр12=c₁₂Δl и F_пр17=с₁₇Δl - силы от действия сжатых пружин 12 и 17 с жесткостями с₁₂ и с₁₇, соответственно, при деформации на величину Δl.

В состоянии равновесия

F₁₆=F₁₀ или P₁₆S+c₁₇Δl=P₁₀S+с₁₂Δl, откуда

или

Р₁₀-P₁₆=(с₁₂-с₁₇)Δl/S.

Величина Δl настраивается при помощи элемента настройки 13 повторителя 11 со сдвигом.

Так как Р₁₀-Р₁₆=const, то расход газа G₁₅ по капилляру 15 с проводимостью α=const

G₁₅=α(Р₁₀-Р₁₆)

будет постоянным, что является необходимым условием для осуществления измерительного процесса.

При истечении газа из емкости 4 давление Р_4н уменьшается. Истечение газа, а следовательно, и процесс измерения, прекращается как только Р_4н-Р_4к=Р_зад, где Р_4к - давление в емкости 4 в момент времени t_к. При этом фиксируют значения давлений Р₁₀ и Р₁₆ в камерах 10 и 16 повторителя 11, а также время t_к. В конце процесса истечения из емкости 4 заданного количества газа ΔΘ=G₁₅Δt_к его состояние будет описываться уравнением

Δt_к=(t_к-t₀) - время процесса истечения, при t₀=0 Δt_к=t_к.

Вычитая из (1) уравнение (4) получим

P_задV_4н=G₁₅Δt_кRT, откуда

Расход газа G₁₅ при его ламинарном течении по капиллярной трубке 15 определяется по формуле Пуазейля для сжимаемой жидкости (см., например, Ибрагимов И.А., Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики. - М.: Высш.шк., 1985.)

где d, l - диаметр и длина капилляра 15 соответственно; η - динамическая вязкость газа.

Подставляя значение G₁₅ из (6) в (5), получим

Учитывая, что и - среднее давление на момент времени t_к, которое не является постоянной величиной и уменьшается с увеличением времени истечения,

В процессе измерения

поэтому

Суть рассмотренного способа измерения вязкости газа состоит в том, что газ пропускают через капилляр 15, фиксируют давление Р_4н в момент времени t₀ и давление Р_4к в момент времени t_к, за которое давление в емкости 4 изменится на заданную величину Р_зад, после чего измеряют среднее давление на дросселе 15 и время t_к, по произведению которых определяют значение контролируемой величины.

Предложенный способ измерения вязкости газа позволяет проводить анализ газовых сред без использования специальных побудителей расхода газа и регуляторов. В предложенном способе отбор газа на анализ может осуществляться при давлениях, близких к атмосферному. В способе исключена методическая погрешность, вызванная изменением среднего давления на концах капилляра. Способ экономичен, его реализация проста, надежна и позволяет повысить точность измерений.