Pomiary lepkości - nowe rozwiązania i technologie

Firmy wytwarzające lepkościomierze poszukując nowych technologii, które pozwoliłyby na zmniejszenie kosztów wytworzenia przetworników pomiarowych oraz ich implementacji zaproponowały kolejne metody pomiarowe: wiskozymetry wibracyjne i akustyczne. Te ostatnie dopiero zaczynają być wykorzystywane, jednak ze względu na ich szczególną budowę i znaczną miniaturyzację mają szansę na zastosowanie w tych gałęziach przemysłu, w których wykorzystanie większych urządzeń nie było wcześniej możliwe.

Wiskozymetry wibracyjne

Rys. 7. Rozkład prędkości podczas przepływu laminarnego płynu nieściśliwego przez rurkę o przekroju kołowym

Wiskozymetry wibracyjne stosowane są w procesach przemysłowych – szczególnie w przemyśle petrochemicznym. Urządzenia tego typu pozwalają na pomiar lepkości zabrudzonych płynów oraz płynów o wysokiej lepkości (do 1McP). Obecnie w wielu zastosowaniach przemysłowych lepkościomierze tego typu są uważane za najefektywniejsze systemy do pomiaru lepkości każdego rodzaju płynu.

Podstawą działania wiskozymetru wibracyjnego jest utrzymywanie stałej w częstotliwości rezonansowej wibrującego elementu zanurzonego w mierzonym płynie. Amplituda wibracji zmienia się w zależności od lepkości płynu. Wiskozymetry wibracyjne nie mają ruchomych części, które mogłyby ulec szybkiemu zużyciu, zaś końcówka wibrująca jest bardzo mała. Ponieważ nie wszystkie tego typu urządzenia działają tak samo, warto określić występujące pomiędzy nimi różnice.

Wiskozymetry wibracyjne można kategoryzować na różne sposoby. Po pierwsze istnieje kilka ich podstawowych typów różniących się między sobą pomiarowym elementem oscylującym. W przypadku gdy jest to tzw. końcówka sferyczna, czyli sfera ze stali nierdzewnej oscylująca wokół osi biegunowej z precyzyjnie kontrolowaną amplitudą, lepkość wyznacza się przez pomiar mocy wymaganej do utrzymania stałej i określonej amplitudy oscylacji. Im wyższa lepkość, tym wyższy pobór mocy. Pomimo prostoty działania, wiskozymetr z końcówką sferyczną pozwala tylko na wyznaczenie lepkości dynamicznej.

W przypadku zanurzonej w płynie końcówki w kształcie pręta dynamiczna lepkość mierzona jest poprzez badanie tłumienia rezonatora. Jest on wzbudzony do swojej naturalnej częstotliwości poprzez wibracje skręcające (rys. 5.a). Źródło o stałej mocy wywołuje wibracje pręta, natomiast zmiany amplitudy są mierzone celu określenia lepkości. Podobnie jak w przypadku końcówki sferycznej, stosowanie pręta pozwala tyko na pomiar lepkości dynamicznej. Ponadto, w przypadku płynów o wysokiej lepkości, metoda ta może być podatna na zakłócenia.

Metoda wykorzystująca końcówkę w kształcie widełek (rys. 5.b) została zaprojektowana do zastosowań w przemyśle petrochemicznym. W tym przypadku wywoływany jest ruch oscylacyjny płytek pomiarowych zanurzonych w płynie. Są one połączone z układami napędów elektromagnetycznych poprzez płytki sprężyste. Kiedy płytki wibrują z jednostajną częstotliwością, amplituda zmienia się w zależności od oporu spowodowanego przez lepkość pomiędzy płytkami pomiarowymi a płynem.

Wykorzystanie zjawiska rezonansu jest najważniejszym elementem pracy wiskozymetru wibracyjnego. W celu wytworzenia stałej amplitudy przy częstotliwości rezonansowej steruje się prądem w układzie regulacji napędów elektromagnetycznych, które wywołują oscylacje płytek sprężystych. Lepkość określa się na podstawie pomiaru prądu płynącego w układzie napędowym, pozwalającego uzyskać stałą amplitudę przy częstotliwości rezonansowej. W celu uzyskania stabilnych oscylacji sinusoidalnych. każda płytka pomiarowa jest poruszana w przeciwfazie z tą samą częstotliwością i amplitudą.

Technologia ta pozwala na równoczesny pomiar lepkości i gęstości płynu. Wykonywany jest pomiar pasma przenoszenia oraz częstotliwości wibrującej końcówki. Informacja o lepkości odczytywana jest z pasma przenoszenia, natomiast analiza częstotliwości pozwala na wyznaczenie gęstości płynu. Jest więc to technologia, która pozwala na pomiary lepkości dynamicznej oraz lepkości kinematycznej w trybie online. Dodatkowo stosowany może być element do pomiaru temperatury, który pozwala na pomiar gęstości i lepkości względem temperatury.

Inna metodą podziału wiskozymetrów wibracyjnych jest określenie sposobu w jaki porusza się wibrujący ści w czasie rzeczywistym, co jest szczególnie istotne w układach monitorowania własności przepływającego płynu i w układach regulacji.

Układ przetwornika pomiarowego składa się z dwóch podstawowym elementów. Pierwszym jest rezonator kwarcowy będący przetwornikiem wejściowym (nadajnikiem), drugi to oddzielony cienką warstwą badanego płynu hermetycznie uszczelniony przetwornik wyjściowy (odbiornik). Rezonator kwarcowy oscyluje z częstotliwością ὠ i stałą amplitudą U.

Fala ścinająca penetruje płyn na głębokość d, która zależy od częstotliwości ὠ, gęstości p oraz lepkości dynamicznej płynu ƞ co opisuje równanie: d=(2ƞ•p•ὠ)^1/2 . Ponieważ częstotliwość charakterystyczna dla rezonatora kwarcowego jest znana, określając głębokość penetracji d można wyznaczyć iloczyn lepkości i gęstości.

Wymienione odczyty zwykle pochodzą z pomiaru reflektancji oraz utraty energii fali akustycznej pomiędzy nadajnikiem a badanym płynem. W metodzie tej wykorzystany jest pomiar strat energii przy przejściu wytworzonej przez rezonansową płytkę półprzewodnikową fali akustycznej przez badana próbkę płynu.

Lepkość można wyznaczyć znając charakterystykę impedancyjną materiału, z którego wytworzony jest nadajnik: Z_W=(p_w•µ)1/2 oraz charakterystykę impedancyjną mierzonego płynu: Z=(ὠ•ƞ•ƥ_L)^1/2, gdzie p_W jest gęstością materiału rezonatora kwarcowego, p_L gęstością cieczy, natomiast µ jest modułem elastyczności rezonatora kwarcowego, jest częstotliwością radialną generowanej fali, natomiast ƞ jest lepkością dynamiczną badanego płynu.

Straty energii przy przejściu przez badany płyn są proporcjonalne do stosunku ZL/ZW (przyjmując: Z_L<< Z_W). Kwadrat strat energii jest proporcjonalny do iloczynu częstotliwości, gęstości i lepkości (ὠ•n•p). Te₂~(ὠ•n•p_L)/(p_w•ƞ). Znając charakterystykę impedancyjną rezonatora oraz częstotliwość propagowanej fali, na podstawie pomiaru strat energii wyznacza się iloczyn lepkości i gęstości co nazywane jest lepkością akustyczną: η_ak=n•p[kg²/(m⁴•s)].

Wstępne wyniki badań z akustycznymi wiskozymetrami wskazują na możliwość konstrukcji zaawansowanego przetwornika pomiarowego, który może działać w trybie online z wysoką dokładnością. Zakres pomiarowy rozciąga się od niskich wartości lepkości poniżej 10cSt aż do 10kcSt.

Wiskozymetry akustyczne, pomimo swojej atrakcyjności mają i dwiema metodami analizy i pozwala na uzyskanie dokładniejszych wyników oraz informacji diagnostycznej dotyczącej przetwornika pomiarowego.

Istotnym etapem w instalacji i nadzoru wiskozymetru jest jego kalibracja. Często jest ona wykonywana przez firmę produkującą lepkościomierz, która na czas rekalibracji przysyła przetwornik do wymiany. Należy więc tak projektować instalację przemysłową aby w łatwy sposób można było zdemontować wiskozymetr.

Wiskozymetry akustyczne

Jednym z najbardziej niepożądanych aspektów konwencjonalnych metod pomiaru lepkości jest konieczność ruchu albo mechanizmu czujnika albo płynu. Wiskozymetry akustyczne należą do nowej rodziny sensorów wykorzystujących technologię półprzewodnikową. Ich sposób działania polega na badaniu propagacji, odbicia i rozproszenia fali akustycznej w badanym płynie. Lepkościomierze akustyczne przezwyciężają wiele ograniczeń wcześniej wymienionych sposobów pomiaru lepkości i wprowadzają nowe możliwości pomiarowe. Ponadto charakteryzują się one bardzo małymi rozmiarami.

Na początku wiskozymetry akustyczne rozwijane były szczególnie dla tych zastosowań, gdzie wykorzystanie dużych przetworników jest niemożliwe ze względu na niewielkie rozmiary układu, w którym występuje przepływ płynu. Jest to charakterystyczne podczas pomiaru lepkości oleju w silnikach samochodowych lub podczas pomiarów lepkości krwi w urządzeniach medycznych.

Obecnie metoda ta jest sprawdzana w innych zastosowaniach przemysłowych, gdyż pozwala na znaczną redukcję kosztów wytworzenia przetwornika pomiarowego i jego implementacji. Ponadto umożliwia pomiar lepkoonds (SUS i SFS). W celu przeliczenia jednostek umownych na jednostki bezwzględne stosowane są zależności w postaci wzorów empirycznych lub wykresów (tzw. nomogramów).