Способ измерения вязкости газа
Изобретение относится к области технической физики, в частности к способам измерения вязкости газов, и может найти применение в различных отраслях промышленности и в лабораторной практике. Способ измерения вязкости газов реализуется путем его отбора и заполнения им емкости, пропускания через капилляр при постоянном перепаде давления, измерения времени изменения давления в емкости на заданную величину. При этом дополнительно изменяют объем емкости, измеряют давления до и после дросселя и о вязкости газа судят по произведению давления и времени истечения газа на момент достижения давлением в емкости заданного значения. Техническим результатом является повышение точности и надежности, а также обеспечение возможности проводить анализ газовых сред при давлениях, близких к атмосферному, без использования специальных побудителей расхода газа и регуляторов. 1 ил.
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
так как Р0+ΔР=Р4н - давление в емкости 4 на начало измерений,
Из (1) и (2) на основании закона Бойля-Мариотта, т.е. при условии Θ0RT=const,
Процесс измерения начинается после открытия крана 9 и включения секундомера (на чертеже не показан). Давление Р4н 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=FP10+Fпр12, действующая на мембрану 20 со стороны камеры 10, равна силе F16=FP16+Fпр17, действующей со стороны камеры 16, где FP10=P10S - сила, возникающая при действии давления Р10 на мембрану 20 повторителя площадью S; FP16=P16S - сила, возникающая при действии давления Р16 на мембрану 20 повторителя площадью S; Fпр12=c12Δl и Fпр17=с17Δl - силы от действия сжатых пружин 12 и 17 с жесткостями с12 и с17, соответственно, при деформации на величину Δl.
В состоянии равновесия
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
будет постоянным, что является необходимым условием для осуществления измерительного процесса.
При истечении газа из емкости 4 давление Р4н уменьшается. Истечение газа, а следовательно, и процесс измерения, прекращается как только Р4н-Р4к=Рзад, где Р4к - давление в емкости 4 в момент времени tк. При этом фиксируют значения давлений Р10 и Р16 в камерах 10 и 16 повторителя 11, а также время tк. В конце процесса истечения из емкости 4 заданного количества газа ΔΘ=G15Δtк его состояние будет описываться уравнением
Вычитая из (1) уравнение (4) получим
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 tк, которое не является постоянной величиной и уменьшается с увеличением времени истечения,
В процессе измерения
Суть рассмотренного способа измерения вязкости газа состоит в том, что газ пропускают через капилляр 15, фиксируют давление Р4н в момент времени t0 и давление Р4к в момент времени tк, за которое давление в емкости 4 изменится на заданную величину Рзад, после чего измеряют среднее давление на дросселе 15 и время tк, 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.
Способ измерения вязкости газов путем его отбора и заполнения им емкости, пропускания через капилляр при постоянном перепаде давления, измерения времени изменения давления в емкости на заданную величину, отличающийся тем, что изменяют объем емкости, измеряют давления до и после капилляра и о вязкости газа судят по произведению среднего давления и времени истечения газа на момент достижения давлением в емкости заданного значения.