Какой ротационный вискозиметр выбрать


Типы вискозиметров

Лабораторное оборудование → Вискозиметры

Вискозиметр – это прибор для определения вязкости жидкостей. С его помощью определяется вязкость крови, молока, меда, краски, нефтепродуктов, битума, мазута, нефтепродуктов и многих других жидкостей.

Перед тем, как выбрать, какой вискозиметр купить, многие задаются вопросом – а какие виды вискозиметров существуют? И как выбрать наиболее оптимальный вариант для поставленных задач? Рассмотрим этот вопрос детальнее.

Существуют следующие типы вискозиметров:

  • Ротационные вискозиметры – принцип работы в том, что два тела вращения (корпус в виде цилиндра и встроенный в него конус, сфера или диск) по осям совмещаются таким образом, чтобы одно из них прикасалось изнутри к другому по этим осям. Между этими телами остается пространство, которое заполняется исследуемой жидкостью. Затем на внутренний конус подается крутящий момент (с помощью электропривода), конус начинает двигаться с определенной угловой скоростью. Скорость вращения зависит от вязкости исследуемой жидкости – эта зависимость фиксируется прибором и сразу отображается на экране. Известные модели ротационных вискозиметров: вискозиметр Брукфильда, ВСН-3, ротационный вискозиметр Rheotest и др.
  • Капиллярные вискозиметры – принцип работы состоит в определении времени, за которое установленный объем жидкости протекает через трубку при заданной величине давления. Обычно жидкость стекает под воздействием собственного веса, а вязкость определяется после подсчета разницы давлений между вытекающей жидкостью через тонкую трубку и вытекающей жидкостью через толстую трубку. Наиболее распространенные модели капиллярных вискозиметров: ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-3, ВПЖ-4, ВНЖ и др.
  • Вискозиметр с падающим шариком – принцип работы базируется на законе Стокса: вязкость жидкости определяется по времени, за которое шарик под воздействием собственного веса проходит определенное расстояние. К такому типу вискозиметров относится вискозиметр Гепплера.
  • Вибрационные вискозиметры – принцип работы основан на изменении резонансной частоты колебаний в зависимости от вязкости среды. Частота колебаний зависит от плотности исследуемой жидкости, следовательно, дополнительно необходимо измерить плотность. К такому типу вискозиметров принадлежит вискозиметр SV-10А, ВВН-8, Visconic.

Может быть интересно:

  • Вискозиметр ВЗ-246
  • Вискозиметр ВЗ-4

lab-metr.ru

Вискозиметрия

Вискозиметрия, раздел физики, посвященный изучению методов измерения вязкости. Существующее разнообразие методов и конструкций приборов для измерения вязкости — вискозиметров — обусловлено как широким диапазоном значений вязкости (от 10-5 н•сек/м2 у газов до 1012 н •сек/м2 у ряда полимеров), так и необходимостью измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений (например, сжиженных газов, расплавленных металлов, водяного пара при высоких давлениях и т.д.).

Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.

Особую группу образуют методы измерения вязкости в малых объёмах среды (микровязкость). Они основаны на наблюдении броуновского движения, подвижности ионов, диффузии частиц.

Ротационный метод вискозиметрии

Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Введём необходимые обозначения: R1,L - радиус и длина ротора ротационного вискозиметра; ω - постоянная угловая скорость вращения внешнего тела; R2 - радиус вращающегося резервуара ротационного вискозиметра; η - вязкость исследуемой cреды;

M1 - момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный

d,l - диаметр и длина упругой нити, φ - угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,

G - момент упругости материала нити

При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:

Заметим вновь, что М1 = М2, откуда после нескольких преобразований относительно φ имеем: или где k – постоянная ротационного вискозиметра.

Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем: или

В этом случае G – момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за τ с).

Заметим, что полученные отношения справедливы для цилиндра бесконечной длины, в реальных условиях учитывается поправка на размеры тел ротационного вискозиметра. Для этого производится вычисление так называемой эффективной высоты H ротационного вискозиметра:

  1. проводится измерение момента для жидкостей с различным значением вязкости (η1 и η2) при двух различных высотах внутреннего цилиндра (L1 и L2);
  2. экстраполяцией прямых М1 = f(L) и М2 = f(L) к нулевому значению М1 и М2 получают величину ∆L;
  3. H=L+∆L
Эффективную высоту ротационного вискозиметра H подставляют в уравнения.

Ультразвуковой метод вискозиметрии

Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнито-стрикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мксек, приводящие к возникновению колебаний. В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скорростью, зависящей от вязкости среды. Затем, при падении ЭДС до определённого порогового значения, в катушку поступает новый импульс. Вискозиметр определяет вязкость среды по частоте следования импульсов.

Вискозиметры, действие которых основано на ультразвуковом методе вискозиметрии, нельзя отнести к классу вискозиметров с широким диапазоном измерений. К классу высокотемпературных вискозиметров их также нельзя отнести в силу величины относительной погрешности, возникающей при высокотемпературной вискозиметрии и свойств материалов прибора.

Капиллярный метод вискозиметрии

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра: Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с, R – радиус капилляра вискозиметра, м L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м η – вязкость жидкости, Па•с,

р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.

В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости нопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха: где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L': n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высококтемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

Метод падающего шарика

Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением: где V – скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; r – радиус шарика; g – ускорение свободного падения; d – плотность материала шарика; ро - плотность жидкости.

Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение:

Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.

Вибрационный метод вискозиметрии

Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра,при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).

Введём несколько обозначений: ω – частота колебаний, τ – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S - площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы. Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим η и d.

Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз .

Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:

Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2).

www.spectrosystems.ru

Ротационные вискозиметры.

Для оценки свойств жидкости, принадлежности ее к какой либо группе, а так же определения ее реологических характеристик применяется ряд методов с использованием приборов называемых вискозиметрами или реометрами. Реометром называется прибор позволяет определять еще какие либо реологические характеристики материала кроме вязкости.

Если обе параллельных плоскости в Ньютоновской модели (рис.1.) изогнуть, что бы они превратились в два цилиндра - внешний и внутренний, то получится измерительная ячейка ротационного вискозиметра с двумя коаксиальными цилиндрами. Пространство между цилиндрами заполняется исследуемой жидкостью, после чего она подвергается сдвигу. Измерения на данном типе вискозиметров позволяют получить данные о скоростях, напряжениях сдвига и вязкости жидкости.

Рис.1. Профили скорости и вязкости в измерительных системах Серле и Куэтта

Ротационный вискозиметры с коаксиальными цилиндрами принципиально делятся на два типа: вискозиметр действующий по измерительной системе Серле и вискозиметр действующий по измерительной системе Куэтта.

Система Серле. В случае измерительной системы Серле сдвиг жидкости осуществляется вращением внутреннего цилиндра, внешний цилиндр при этом жестко закреплен и остается неподвижным. Приборы донного типа различаются по способу задания напряжения и скорости сдвига. Измерения в вискозиметрах такого типа производится при постоянной скорости либо при постоянном напряжении сдвига.

CS-реометры. В случае измерения при заданном напряжении сдвига, в результате получаем данные о скорости сдвига. Такие приборы называют реометрами с контролируемым напряжением – CS реометры (Рис.2.).

Измерительная система Серле (вращается ротор) Измерительная система Куэтта (вращается цилиндр)
CS (задаем напряжение) CR (задаем скорость сдвига)
Рис. 2. CS реометр системы Серле Рис.3.CR реометр – Серле Рис.4.CR реометр – Куэтта

Момент вращения в CS реометрах предварительно задается напряжением и силой тока подаваемыми на двигатель. Сдвигающее напряжение линейно зависит от изменяющихся на двигателе электрических величин. Наружный цилиндр может иметь рубашку для точной регуляции температуры.

Исходя из заданного крутящего момента и полученных данных о частоте вращения ротора, оценивают напряжение и скорость сдвига, после рассчитывают вязкость.

С помощью приборов такого типа возможно измерять вязкоупругие характеристики твердообразных и жидких тел.

CR-реометры. Если измерение происходит при заданной скорости сдвига, в результате определяется напряжение. Данные приборы называют CR реометрами или реометрами с контролируемой скоростью сдвига (Рис.3.).

Скорость вращения цилиндра в данном реометре постоянна или изменяется по заданной программе. Сопротивление жидкости вызывает крутящий момент на внутреннем цилиндре. Датчик кручения установлен между валом привода и валом внутреннего цилиндра. В качестве датчика используют пружины и по углу ее закручивания вычисляют крутящий момент. Наружный цилиндр может иметь рубашку для точной регуляции температуры.

Недостаток прибора: возникновение турбулентного течения низковязких жидкостей при высоких скоростях сдвига.

Система Куэтта.В реометрах данного типа внешний цилиндр вращается двигателем с определенной скоростью, они являются CR реометрами (Рис.4.). Вращение внешнего цилиндра вызывает течение жидкости в зазоре. Крутящий момент, пропорциональный вязкости жидкости, вызванный ее сопротивлением передается на внутренний цилиндр. Его определяют измеряя необходимый противодействующий крутящий момент, прикладываемый для сохранения неподвижного состояния внутреннего цилиндра. На рис.3. в качестве датчика крутящего момента установлен двигатель, обеспечивающий состояние покоя внутреннего цилиндра. Момент измеряется исходя из потребляемой мощности вторым двигателем.

За счет движения наружного цилиндра, течение в приборе с измерительной системой Куэтта, остается ламинарным даже при исследовании низковязких жидкостей при больших скоростях.

CS и CR реометры измерительных систем Куэтта и Серле для идентичных нетиксотропных жидкостей дают одинаковые кривые течения.

Основные закономерности течения вязкой жидкости между двумя коаксиально-цилиндрическими поверхностями бесконечной длины были найдены М. Маргулесом.

RH — радиус наружной неподвижной измерительной поверхности;

RВ — радиус внутренней вращающейся поверхности (внутренний цилиндр);

ω – угловая скорость вращения внутреннего цилиндра;

– градиент скорости сдвига.

Вследствие прилипания кольцевой слой материала у поверхности внутреннего цилиндра движется с той же угловой скоростью ω. Для элементарного кольцевого слоя материала, расположен­ного на расстоянии r от оси вращения, градиент скорости равен:

(4.3)

Тангенциальная сила на радиусе r по закону Ньютона равна

(4.4)

здесь L — высота рассматриваемого цилиндрического слоя; — вязкость материала.

Сила Fr на радиусе r создает момент, который уравновешивается равным и противоположным по знаку постоянным внешним крутящим моментом М:

(4.5)

Интегрируя уравнение (4.5), получим

Постоянная интегрирования и момент определяются из граничных условий:

отсюда

(4.6)

Из формулы (4.6) можно определить вязкость жидкости

(4.7)

или

(4.8)

где K – коэффициент геометрии прибора, который для данных воспринимающих элементов остается постоянным,

(4.9)

Найдем выражение для градиента скорости материала в за­зоре между цилиндрами.

Подставляя (4.6) в (4.4) получим значение скорости сдвига в рабочем зазоре цилиндров:

(4.10)

В коаксиальном цилиндрическом слое радиуса r, приложенный к нему момент уравновешивается моментом, обусловленным дей­ствующим в нем напряжением сдвига τr Следовательно:

(4.11)

Отсюда видно, что градиент скорости и напряжение сдвига в радиальном направлении не являются постоянными величинами.

Наибольшие значения и имеют на поверхности внутрен­него цилиндра, наименьшее — на поверхности наружного ци­линдра, причем

(4.12)

Эти выражения определяют неоднородность полей градиентов скорости и напряжений сдвига в зазоре ротационных вискози­метров. Наличие неоднородности напряженного состояния несу­щественно для обработки результатов вискозиметрических испы­таний в случае материалов, подчиняющихся закону Ньютона, но оно чрезвычайно усложняет обработку вискозиметрических экспериментов, проведенных на приборах с большими зазорами для неньютоновских материалов.

Характеристика вязкостных свойств материалов, которые ве­дут себя как неньютоновские жидкости, определяется видом зави­симости . Исследование таких жидкостей, производиться с использованием ротационных вискозиметров с малыми зазорами. За счет малых зазоров между цилиндрами реализуется высокая однородность полей напряжений и градиентов скоростей ( ). Когда однородность напряженного состояния достаточно высока, действующее в материале на­пряжение сдвига принимают равным его среднему значению :

(4.13)

(4.14)

Средний градиент скорости находят из соотношения:

(4.15)

где - линейная скорость вращающегося цилиндра.

Рис.1. Распределение скоростей при течении жидкости в коаксиально-цилиндрическом вискозиметре.

Смысл выражения (4.15) виден из рассмотрения рисунка. Здесь кривая ОАВ показывает профиль линейных скоростей в зазоре вискозиметра. Средний градиент скорости в этом зазоре численно равен тангенсу угла BOC. Если к профилю скоростей провести секущую OB и затем провести касательную, параллельную этой секущей, то градиент скорости на радиусе Ri будет равен среднему градиенту скорости. Из рисунка видно, что при малых зазорах между цилиндрами замена градиента скорости на радиусе Ri средним градиентом скорости не вносит существенной погрешности вследствие близости Rcp и Ri.

mylektsii.ru


Смотрите также