izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-11-57-64izmertech-1668Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMECHANICAL MEASUREMENTSМодель измерений вязкости бесконтактным аэрогидродинамическим методомThe model of viscosity measurement by the non-contact aerohydrodynamic methodhttps://orcid.org/0000-0001-6424-6462СавенковА. П.SavenkovA. P.

Александр Петрович Савенков

Тамбов

Aleksandr P. Savenkov

Tambov

savencow@yandex.ruСычёвВ. А.SychevV. A.

Владислав Андреевич Сычёв

 г. Тамбов

Vladislav A. Sychev

Tambov

flyholand@mail.ruТамбовский государственный технический университетРоссияTambov State Technical UniversityRussian FederationНаучно-производственное объединение «МИЭЛТА ТЕХНОЛОГИИ»РоссияNPO “MIELTA TECHNOLOGII”Russian Federation2022290520230115764Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1668

Дан краткий обзор бесконтактных методов измерений вязкости жидкостей. Показано, что для измерений высокой (более 10 Па·с) вязкости целесообразно использовать импульсный аэрогидродинамический метод. Изложена суть метода, заключающаяся в деформации поверхности контролируемой жидкости струёй газа и определении вязкости по времени достижения заданной степени деформации с момента подачи струи. Теоретически получены две модели и две функции измерений вязкости импульсным аэрогидродинамическим методом и оценен нижний предел измерений вязкости. Экспериментально исследованы две модели измерений вязкости при углах аэродинамического воздействия 20° и 50° с компенсацией и без компенсации переходного процесса в момент открытия электромагнитного клапана. Установлено, что для определения вязкости по времени достижения заданной степени деформации поверхности жидкости целесообразно применять линейную функцию измерений, не компенсировать переходный процесс в пневмосистеме и использовать аэродинамическое воздействие под углом 20–30° к поверхности жидкости. Экспериментально доказано, что в диапазоне 0,5–100 Па·с относительная погрешность измерений вязкости не превышает 3 %. Результаты актуальны для повышения оперативности измерений вязкости жидкостей в машиностроении, лакокрасочной, пищевой, химической, электротехнической и нефтяной промышленности.

A brief review of non-contact methods for viscosity measurement is given. It is shown that it is reasonable to use the pulse aerohydrodynamic method for the measurement of high viscosity (more than 10 Pa·s). The essence of the method is presented, it consists in deforming the tested liquid surface with a gas jet and determining the viscosity from the time takes to reach a predetermined degree of deformation from the moment when the jet was applied. The two models and two functions of the viscosity measurements are theoretically obtained for the pulsed aerohydrodynamic method. The theoretical evaluation of the lower measurement limit is performed. We conduct the experimental research of two viscosity measurement models at the aerodynamic action angles of 20° and 50° with the compensation of transient process in the moment of a solenoid valve opening and without it. It is found that to determine the viscosity by the time of the liquid surface deformation it is reasonable to apply the linear measurement function, not to use the compensation of transient process in the pneumatics, and utilize the aerodynamic action at angle of 20–30° to the liquid surface. It is experimentally proved that the viscosity measurement relative error is not more than 3 % in the interval of 0.5–100 Pa·s. The results is necessary for increase in the operability of liquid viscosity measurement in machine, paint, coating, food, chemical, electrical, and petroleum industries.

бесконтактный метод измеренийвязкостьгазжидкостьповерхностьструямодель измеренийфункция измеренийgasjetliquidmeasurement functionmeasurement modelnon-contact measurement methodviscositysurfaceReferencesДомостроев А. В., Демьянов А. А., Клим О. В., Юдченко Д. А. Сравнительные исследования поточных вибрационных вискозиметров нефти // Измерительная техника. 2013. № 3. С. 62–66 [Domostroev A. V., Dem’yanov A. A., Klim O. V., Yudchenko D. A., Measurement. Techniques, 2013, vol.56, nо. 3, pp.337–343.https://doi.org/10.1007/s11018-013-0206-1 ]Домостроев А. В., Демьянов А. А., Клим О. В., Юдченко Д. А. Сравнительные исследования поточных вибрационных вискозиметров нефти // Измерительная техника. 2013. № 3. С. 62–66 [Domostroev A. V., Dem’yanov A. A., Klim O. V., Yudchenko D. A., Measurement. Techniques, 2013, vol.56, nо. 3, pp.337–343.https://doi.org/10.1007/s11018-013-0206-1 ]Соломин Б. А., Черторийский А. А., Конторович М. Л., Низаметдинов А. М. Аппаратно-программный комплекс для оперативного исследования теплофизических свойств жидкости // Измерительная техника. 2014. № 3. С. 49–52. [Solomin B. A., Chertoriiskii A. A., Kontorovich M. L., Nizametdinov A. M., Measurement. Techniques, 2017, vol. 57, nо. 3, pp. 312–317. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0451-y ]Соломин Б. А., Черторийский А. А., Конторович М. Л., Низаметдинов А. М. Аппаратно-программный комплекс для оперативного исследования теплофизических свойств жидкости // Измерительная техника. 2014. № 3. С. 49–52. [Solomin B. A., Chertoriiskii A. A., Kontorovich M. L., Nizametdinov A. M., Measurement. Techniques, 2017, vol. 57, nо. 3, pp. 312–317. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0451-y ]Chaudhary K., Munjal P., Singh K. P., Sci. Rep., 2021, vol. 11, no. 14365. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93729-0Chaudhary K., Munjal P., Singh K. P., Sci. Rep., 2021, vol. 11, no. 14365. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93729-0Banks R. B., Chandrasekhara D. V., J. Fluid Mech., 1963, vol. 15, part 1, pp. 13−34. https://doi.org/10.1017/S0022112063000021Banks R. B., Chandrasekhara D. V., J. Fluid Mech., 1963, vol. 15, part 1, pp. 13−34. https://doi.org/10.1017/S0022112063000021Савенков А. П., Сычёв В. А. Исследование реакции поверхности жидкости на импульсное воздействие наклонной газовой струи при малых числах Рейнольдса // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. Вып. 2. С. 216–224. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.02.52010.251-21 [Savenkov A. P., Sychev V. A., Tech. Phys., 2022, vol. 92, no. 2, pp. 183–190. https://doi.org/10.21883/TP.2022.02.52944.251-21 ]Савенков А. П., Сычёв В. А. Исследование реакции поверхности жидкости на импульсное воздействие наклонной газовой струи при малых числах Рейнольдса // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. Вып. 2. С. 216–224. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.02.52010.251-21 [Savenkov A. P., Sychev V. A., Tech. Phys., 2022, vol. 92, no. 2, pp. 183–190. https://doi.org/10.21883/TP.2022.02.52944.251-21 ]Савенков А. П., Мордасов М. М., Сычёв В. А. Бесконтактное пневмоэлектрическое устройство для измерений вязкости жидкостей // Измерительная техника. 2020. № 9. С. 43–49. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-9-43-49 [Savenkov A. P., Mordasov M. M., Sychev V. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, nо. 9, pp. 722–728. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01845-0 ]Савенков А. П., Мордасов М. М., Сычёв В. А. Бесконтактное пневмоэлектрическое устройство для измерений вязкости жидкостей // Измерительная техника. 2020. № 9. С. 43–49. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-9-43-49 [Savenkov A. P., Mordasov M. M., Sychev V. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, nо. 9, pp. 722–728. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01845-0 ]Herlach D. M., Cochrane R. F., Egry I., Fecht H. J., Greer A. L., Int. Mater. Rev., 1993, vol. 38, no. 6, pp. 273–347. https://doi.org/10.1179/095066093790326267Herlach D. M., Cochrane R. F., Egry I., Fecht H. J., Greer A. L., Int. Mater. Rev., 1993, vol. 38, no. 6, pp. 273–347. https://doi.org/10.1179/095066093790326267Li L. H., Hu L., Yang S. J., Wang W. L., Wei B., J. Appl. Phys., 2016, vol. 119, no. 035902. https://doi.org/10.1063/1.4940243Li L. H., Hu L., Yang S. J., Wang W. L., Wei B., J. Appl. Phys., 2016, vol. 119, no. 035902. https://doi.org/10.1063/1.4940243Xue S., Dong W., Chen D., Guo Q., He H., Yu J., Rev. Sci. Instrum., 2021, vol. 92, no. 065111. https://doi.org/10.1063/5.0026974Xue S., Dong W., Chen D., Guo Q., He H., Yu J., Rev. Sci. Instrum., 2021, vol. 92, no. 065111. https://doi.org/10.1063/5.0026974Beckers M., Engelhardt M., Schneider S., High Temp. – High Press., 2021, vol. 50, no. 3, pp. 167–184. https://doi.org/10.32908/hthp.v50.1031Beckers M., Engelhardt M., Schneider S., High Temp. – High Press., 2021, vol. 50, no. 3, pp. 167–184. https://doi.org/10.32908/hthp.v50.1031Langstaff D., Gunn M., Greaves G. N., Marsing A., Kargl F., Rev. Sci. Instrum., 2013, vol. 84, no. 124901. https://doi.org/10.1063/1.4832115Langstaff D., Gunn M., Greaves G. N., Marsing A., Kargl F., Rev. Sci. Instrum., 2013, vol. 84, no. 124901. https://doi.org/10.1063/1.4832115Kremer J., Kilzer A., Petermann M., Rev. Sci. Instrum., 2018, vol. 89, no. 015109. https://doi.org/10.1063/1.4998796Kremer J., Kilzer A., Petermann M., Rev. Sci. Instrum., 2018, vol. 89, no. 015109. https://doi.org/10.1063/1.4998796Sohl C. H., Miyano K., Ketterson J. B., Rev. Sci. Instrum., 1978, vol. 49, no. 10, pp. 1464–1469. https://doi.org/10.1063/1.1135288Sohl C. H., Miyano K., Ketterson J. B., Rev. Sci. Instrum., 1978, vol. 49, no. 10, pp. 1464–1469. https://doi.org/10.1063/1.1135288Behroozi F., Smith J., Even W., Am. J. Phys., 2010, vol. 78, no. 11, pp. 1165–1169. https://doi.org/10.1119/1.3467887Behroozi F., Smith J., Even W., Am. J. Phys., 2010, vol. 78, no. 11, pp. 1165–1169. https://doi.org/10.1119/1.3467887Koller T. M., Kerscher M., Fröba A. P., J. Colloid Interface Sci., 2022, vol. 626, pp. 899–915. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.06.129Koller T. M., Kerscher M., Fröba A. P., J. Colloid Interface Sci., 2022, vol. 626, pp. 899–915. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.06.129Nishimura Y., Hasegawa A., Nagasaka Y., Rev. Sci. Instrum., 2014, vol. 85, no. 044904, 11 p. https://doi.org/10.1063/1.4871992Nishimura Y., Hasegawa A., Nagasaka Y., Rev. Sci. Instrum., 2014, vol. 85, no. 044904, 11 p. https://doi.org/10.1063/1.4871992Eguchi M., Taguchi Y., Nagasaka Y., Opt. Express, 2018, vol. 26, no. 26, pp. 34070–34080. https://doi.org/10.1364/OE.26.034070Eguchi M., Taguchi Y., Nagasaka Y., Opt. Express, 2018, vol. 26, no. 26, pp. 34070–34080. https://doi.org/10.1364/OE.26.034070Taylor M. A., Kijas A. W., Wang Z., Lauko J., Rowan A. E., Biomed. Opt. Express, 2021, vol. 12, no. 10, pp. 6259–6268. https://doi.org/10.1364/BOE.435869Taylor M. A., Kijas A. W., Wang Z., Lauko J., Rowan A. E., Biomed. Opt. Express, 2021, vol. 12, no. 10, pp. 6259–6268. https://doi.org/10.1364/BOE.435869Postnov D. D., Moller F., Sosnovtseva O., PLoS ONE, 2018, vol. 13(9), e0203141. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203141Postnov D. D., Moller F., Sosnovtseva O., PLoS ONE, 2018, vol. 13(9), e0203141. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203141Chan J., Raghunath A., Michaelsen K. E., Gollakota S., Proc. ACM Interact. Mob. Wearable Ubiquitous Technol., 2022, vol. 6, no. 1, pp. 3:1–3:27. https://doi.org/10.1145/3517256Chan J., Raghunath A., Michaelsen K. E., Gollakota S., Proc. ACM Interact. Mob. Wearable Ubiquitous Technol., 2022, vol. 6, no. 1, pp. 3:1–3:27. https://doi.org/10.1145/3517256Verma G., Yadav G., Saraj C. S., Li L., Miljkovic N., Delville J. P., Li W., Light: Sci. Appl., 2022, vol. 11, no. 115. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00796-7Verma G., Yadav G., Saraj C. S., Li L., Miljkovic N., Delville J. P., Li W., Light: Sci. Appl., 2022, vol. 11, no. 115. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00796-7Yoshitake Y., Mitani, S., Sakai, K., Takagi, K., J. Appl. Phys., 2005, vol. 97, no. 024901. https://doi.org/10.1063/1.1839640Yoshitake Y., Mitani, S., Sakai, K., Takagi, K., J. Appl. Phys., 2005, vol. 97, no. 024901. https://doi.org/10.1063/1.1839640Shimokawa Y., Sakai K., Phys. Rev. E, 2013, vol. 87, no. 063009. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.063009Shimokawa Y., Sakai K., Phys. Rev. E, 2013, vol. 87, no. 063009. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.063009Гализдра В. И., Мордасов М. М. Двухфазная система «струя газа – жидкость» в измерении вязкости жидких сред // Вестник ТГТУ. 1999. Т. 5. № 2. С. 218–227. [Galizdra V. I., Mordasov M. M., Dvuhfaznaya sistema “struya gaza – zhidkost’” v izmerenii vyazkosti zhidkih sred, Transactions TSTU, 1999, vol. 5, no. 2, pp. 218–227. (In Russ.)]Гализдра В. И., Мордасов М. М. Двухфазная система «струя газа – жидкость» в измерении вязкости жидких сред // Вестник ТГТУ. 1999. Т. 5. № 2. С. 218–227. [Galizdra V. I., Mordasov M. M., Dvuhfaznaya sistema “struya gaza – zhidkost’” v izmerenii vyazkosti zhidkih sred, Transactions TSTU, 1999, vol. 5, no. 2, pp. 218–227. (In Russ.)]Гребенникова Н. М., Мордасов М. М. Пневматический метод контроля вязкости жидкостей // Вестник ТГТУ. 2005. Т. 11. № 1А. С. 81–87 [Grebennikova N. M., Mordasov M. M., Pnevmaticheskij metod kontrolya vyazkosti zhidkostej, Transactions TSTU, 2005, vol. 11, no. 1А, pp. 81–87. (In Russ.) ]Гребенникова Н. М., Мордасов М. М. Пневматический метод контроля вязкости жидкостей // Вестник ТГТУ. 2005. Т. 11. № 1А. С. 81–87 [Grebennikova N. M., Mordasov M. M., Pnevmaticheskij metod kontrolya vyazkosti zhidkostej, Transactions TSTU, 2005, vol. 11, no. 1А, pp. 81–87. (In Russ.) ]Мордасов М. М., Савенков А. П., Сафонова М. Э., Сычев В. А. Бесконтактное триангуляционное измерение расстояния до зеркальных поверхностей // Автометрия. 2018. Т. 54. № 1. С. 80–88. https://doi.org/10.15372/AUT20180111 [Mordasov M. M., Savenkov A. P., Safonova M. E., Sychev V. A., Optoelectron. Instrum. Data Process., 2018, vol. 54, no. 1, pp. 69–75. https://doi.org/10.3103/S8756699018010119 ]Мордасов М. М., Савенков А. П., Сафонова М. Э., Сычев В. А. Бесконтактное триангуляционное измерение расстояния до зеркальных поверхностей // Автометрия. 2018. Т. 54. № 1. С. 80–88. https://doi.org/10.15372/AUT20180111 [Mordasov M. M., Savenkov A. P., Safonova M. E., Sychev V. A., Optoelectron. Instrum. Data Process., 2018, vol. 54, no. 1, pp. 69–75. https://doi.org/10.3103/S8756699018010119 ]Mishchenko S. V., Mordasov M. M., Savenkov A. P., Safonova M. E., Sychev V. A., Advanced Materials & Technologies, 2019, no. 3(15), pp. 50–55. https://doi.org/10.17277/amt.2019.03.pp.050-055Mishchenko S. V., Mordasov M. M., Savenkov A. P., Safonova M. E., Sychev V. A., Advanced Materials & Technologies, 2019, no. 3(15), pp. 50–55. https://doi.org/10.17277/amt.2019.03.pp.050-055Мищенко С. В., Мордасов М. М., СавенковА. П., СычёвВ. А. Исследования влияния размеров сосуда с жидкостью на показания вискозиметра Брукфильда // Измерительная техника. 2020. № 4. С. 33–38. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-4-33-38 [Mischenko S. V., Mordasov M. M., Savenkov A. P., Sychev V. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, nо. 4, pp. 288–294. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01784-2 ]Мищенко С. В., Мордасов М. М., СавенковА. П., СычёвВ. А. Исследования влияния размеров сосуда с жидкостью на показания вискозиметра Брукфильда // Измерительная техника. 2020. № 4. С. 33–38. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-4-33-38 [Mischenko S. V., Mordasov M. M., Savenkov A. P., Sychev V. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, nо. 4, pp. 288–294. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01784-2 ]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.