Вибрационный метод вискозиметрии

Этот метод является на данный момент самым перспективным в нефтехимической отрасли. Его используют повсеместно, в том числе нам интересна перспектива этого метода в качестве эталонного, для мобильной поверочной установки. [12]

Вибрационные вискозиметры имеют следующие основные преимущества: удобство и простоту использования, небольшие габариты вибрационного зонда, возможность контроля взрывоопасных жидкостей, возможность контроля вязкости жидкостей, находящихся при высокой температуре и высоком давлении, хорошие динамические параметры, возможность автоматизации процесса измерения и передачи информации как для исполнительных актюаторов агрегатов технологического процесса, так и передачи ее на большие расстояния по телеметрическим или беспроводным каналам связи на основе Интернет технологий. [8]

Основные контролируемые параметры вибрационного измерительного зонда резонансная частота, амплитуда механических колебаний, сдвиг фаз между возбуждающей силой преобразователя и параметрами колебания приемного преобразователя зонда, а также декремент затухания механических колебаний. [8]

Классификация вибрационных вискозиметров приведена в таблице 1 из которой можно проанализировать преимущества и недостатки каждого метода измерения.[8]

Таблица 1

Классификация основных параметров вибрационных вискозиметров?

Режим колебаний зонда	Измеряемая колебательная характеристика	Зонды с сосредоточенными параметрами	Зонды с распределенными параметрами
Резонансные	Апериодические	Резонансные	Бегущей волны
Вынужденные гармонические колебания	Амплитуда	Метод приме- ним при малых D	Применим при D ≥ 1	Применим при D << 1	Применим при D>(χ/(χ+1))0,5
Добротность	Высокая чувствительность при χ << 1		Высокая чувствительность при χ << 1
Сдвиг фаз	Применим в широком диапазоне D	Применим при D >1	Применим в широком диапазоне D	Применим при D > 1
Частота резонанса	Применим при D ~1		Применим при D ~1
Поглощение бегущей волны				Применим в широком диапазоне D
Скорость распространения волны				При увеличении D погрешность уменьшается
Свободные колебания	Логарифмический декремент затухания	Высокая чувствительность при χ << 1		Высокая чувствительность при χ << 1
Собственная частота	Применим при D ~1		Применим при D ~1
Гармонические автоколебания	Амплитуда	Высокая чувствительность при χ <<1		Высокая чувствительность при χ << 1
Частота	Низкая точность из-за фазовой не- стабильности частот		Низкая точность из-за фазовой нестабильности час- тот	Эквивалентен скоростному методу при использовании зонда в звене обратной связи
Релаксационные автоколебания	Амплитуда		Методы применимы при широком диапазоне D
Частота

где χ – коэффициент механических потерь, величина обратно пропорциональная механической добротности Q (χ = 1/ Q); D – коэффициент демпфирования виброзонда контролируемой жидкостью.

В существующих вискозиметрах измерение вязкости ведут в двух режимах возбуждения вибрационных преобразователей измерительного зонда. В непрерывном режиме возбуждения измеряют следующие параметры зонда: частоту, амплитуду механических колебаний и фазовые соотношения между колебаниями возбуждающего и приемного преобразователей измерительного зонда. В импульсном режиме возбуждения – измеряют величину коэффициента (декремента) затухания вибрационного зонда. [8]

Важнейшим теоретическим достижением в области вибрационной вискозиметрии является создание математических моделей для расчетов безразмерных коэффициентов демпфирования Do измерительного зонда контролируемой жидкостью. При этом для различных видов механических колебаний измерительных зондов выведены формулы для расчета коэффициентов Do, связывающие конструктивные механические параметры зондов и параметры контролируемой жидкости – вязкость h и плотность r ж (таблица 2). [8]

Для вибрационных вискозиметров предложен и используется ряд практических методов измерения вязкости жидкости. Ранее отмечалось, что понижение частоты колебаний зонда во всех отношениях весьма выгодно для построения вибрационных вискозиметров. [8]

Существенным достижением в области разработки различных методов конструирования вибрационных вискозиметров, в т. ч. и при переходе к колебаниям низкой частоты является возможность использовать измерительные зонды неидеальной (неправильной) конфигурации, что позволяет удовлетворительно решить многие жесткие требования, продиктованные условиями использования вибровискозиметров в промышленных условиях. [8]

 

Таблица 2 Определения вязкого демпфирования для вибрационных измерительных? зондов

змерительных зондов

 

Тип колебательного звена Частота колебания Коэффициент демпфирования   Обозначения Один конец жестко закреплен Оба конца свободны   Поступательные колебания, зонд с сосредоточенны- ми параметрами     h – площадь соприкосновения зонда с жидкостью; m – масса зонда   Вращательные колебания, зонд с сосредоточенны- ми параметрами h – момент инерции площади соприкосновения зонда с жидкостью; J – момент инерции зонда     Продольные ко- лебания, зонд с сосредоточенны- ми параметрами     E – модуль Юнга; n = 0, 1, 2…; l – длина зонда; h – отношение периметра поперечного сечения зонда к площади его сечения; r з – плотность материала зонда   Крутильные коле- бания, зонд с со- средоточенными параметрами     h – отношение момен- та инерции периметра поперечного сечения зонда к моменту инерции площади это- го сечения     Релаксационные       f – частота релаксаци- онных колебаний; h и m имеют ранее введенный смысл в зависимости от вида зонда Изгибные колебания, зонд с распределенными параметрами     n 1 = 1,785; l – длина зонда

При поступательных механических колебаниях в вязкой среде из-за сжимаемости жидкости происходит отвод энергии за счет излучения. С понижением частоты колебаний условия излучения звука в жидкость ухудшаются, так как поперечные размеры вибратора (зонда) становятся весьма малыми по сравнению с длиной звуковых волн. При этом осциллирующий в жидкости зонд можно считать дипольным источником, поле которого в безграничной среде почти не зависит от его формы, а определяется только величиной создаваемого дипольного момента. В этих условиях колеблющееся тело можно заменить осциллирующим шаром такого же радиуса, чтобы он создавал одинаковый дипольный момент, как и реально рассматриваемое колеблющееся тело. [8]

Амплитудный (автоколебательный) метод

Для жидкостей с динамической вязкостью η < (5 ÷ 25) Па·с наиболее целесообразно использовать автоколебательный (амплитудный) метод измерения вязкости жидкостей, как наиболее простой, и легко поддающийся автоматизации. Метод обеспечивает наивысшую теоретически возможную чувствительность вибрационного измерительного зонда по вязкости. Измеряют максимальную (резонансную) амплитуду механических колебаний приемного преобразователя вибрационного зонда. Основные недостатки автоколебательного метода и вискозиметров, выполненных на его основе, неравномерность (до 2-3 порядков) чувствительности по измеряемому диапазону вязкостей, нелинейная и обратная зависимость показаний, т. е. при уменьшении вязкости увеличивается амплитуда механических колебаний. [8]

Для исключения недостатков автоколебательного метода предложен компенсационный автоколебательный метод и изготовлены образцы вибрационных вискозиметров. Сущность компенсационного метода измерения состоит в том, что амплитуда механических колебаний измерительного зонда поддерживается постоянной путем соответствующего изменения величины возбуждающей силы (электрической мощности, тока или напряжения) возбуждающего преобразователя зонда. Величина возбуждающей силы преобразователя зонда является мерой вязкости контролируемой жидкости, при этом зависимость между этими параметрами прямая и практически линейная. Наиболее часто для амплитудного метода используют вибрационные зонды изгибных колебаний в виде цилиндрических стержней или камертонов. [8]

Рисунок 3 Чувствительность автоколебательного и компенсационного методов

Рисунок 4 Зависимость резонансной частоты (а) и коэффициента демпфирования (б)

 

Фазовый вибрационный метод

Для существенного расширения диапазона измеряемой динамической вязкости вплоть до величин (106-107) Па×с предложен фазовый метод, при кото- ром измеряют величину фазового сдвига j между электрическими напряже- ниями возбуждающего и приемного преобразователей вибрационного измери- тельного зонда [1]. Для данного фазового метода вибрационные зонды должны иметь только сосредоточенные параметры и в исследуемой вязкой жидкости должны создавать плоские сдвиговые волны. Для вибрационных зондов ис- пользуют поступательные и вращательные (крутильные) механические колеба- ния. Значения безразмерных коэффициентов демпфирования используемых зондов запишутся выражениями [2]:

зонд поступательных колебаний

зонд вращательных колебаний

где h – площадь соприкосновения зонда с жидкостью;

m – масса зонда;

М – момент инерции площади соприкосновения зонда с жидкостью;

J – кинетический момент инерции зонда. [8]

Индекс вязкости

Индекс вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее степень изменения в вязкости масла в пределах данного диапазона температур. Высокий ИВ означает относительно небольшое изменение вязкости с температурой, а низкий ИВ означает большое изменение вязкости с температурой. Большинство минеральных основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла (multigrage) часто превышает 110.

Для определения индекса вязкости требуется определить кинематическую вязкость при 40oC и 100oC. После этого ИВ определяют из таблиц по ASTM D 2270 или ASTM D 39B. Так как ИВ определяется из вязкости при 40oC и 100oC, он не связан с низкотемпературной или HTHS вязкостью. Эти значения получают с помощью CCS, MRV, низкотемпературного вискозиметра Брукфильда и вискозиметров высокой скорости сдвига.

SAE не использует ИВ, для классификации моторных масел начиная с 1967, потому что этот термин технически устарел. Однако, методика Американского нефтяного института API 1509 описывает систему классификации основных масел, используя ИВ как один из нескольких параметров, чтобы обеспечить принципы взаимозаменяемости масел и универсализацию шкалы вязкости.

Основные типы модификаторов вязкости

Химическая структура и размер молекул - наиболее важные элементы молекулярной архитектуры модификаторов вязкости. Имеется множество типов модификаторов вязкости, выбор зависит от специфических обстоятельств. [11]

Все выпускаемые сегодня модификаторы вязкости, состоят из алифатических углеродных цепочек. Главные структурные различия находятся в боковых группах, которые отличаются и химически, и по размеру. Эти изменения в химической структуре обеспечивают различные свойства модификаторов вязкости типа масел, такие как способность к загустеванию, зависимость вязкости от температуры, окислительная стабильность и характеристики экономии топлива. [11]

Полиизобутилен (PIB или полибутен) — преобладающие модификаторы вязкости в конце 1950-ых, с тех пор PIB модификаторы были заменены модификаторами других типов, потому что они обычно не обеспечивают удовлетворительную работу при низких температурах и работу дизельных двигателей. Однако, низкмолекулярные PIB все еще широко используется в автомобильных трансмиссионных маслах. [11]

Полиметилакрилат (PMA) — PMA модификаторы вязкости содержат алкильные боковые цепочки, которые препятствуют образованию кристаллов воска в масле, таким образом обеспечивая превосходные свойства при низкой температуре. [11]

Олефиновые сополимеры (OCP) — OCP модификаторы вязкости широко используются для моторных масел благодаря их низкой стоимости и удовлетворительной моторной эффективности. Выпускаются различные OCP, отличные главным образом по молекулярному весу и отношению этилена к пропилену. [11]

Сложные эфиры сополимера стирола и малеинового ангидрида (стироловые эфиры) — стироловые эфиры - мультифункциональные модификаторы вязкости высокой эффективности. Комбинация различных алкильных групп придает маслам, содержащим такие добавки, превосходные свойства при низкой температуре. Стирольные модификаторы вязкости использовались в маслах для энергосберегающих двигателей и по-прежнему используются в трансмиссионных маслах для автоматических коробок передач. [11]

Насыщенные стиролдиеновые сополимеры — модификаторы на основе гидрогенизированныз сополимеров стирола с изопреном или бутадиеном способствуют экономии топлива, хорошими характеристиками вязкости при низких температурах и выскокотемпературными свойствами. [11]

Насыщенные радиальные полистиролы (STAR) — модификаторы на основе гидрогенизированных радиальных полистирольных модификаторов вязкости показывают хорошее сопротивление сдвигу при относительно низкой стоимости обработки, по сравнению с другими типами модификаторов вязкости. Их свойства при низкой температуре подобны свойствам модификаторов OCP. [11]