ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

Вязкость является важным параметром в различных технологических процессах, связанных с транспортированием жидкостей, теплообменом, фильтрацией и другими операциями. Как основной показатель качества вязкость используется для характеристики качества горюче-смазочных материалов, лаков, красок, смол и т.д. При проведении научно-исследовательских работ весьма часто возникает необходимость в измерении вязкости.

Вязкостью называется свойство жидкостей и газов, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу. Коэффициент динамической вязкости может быть определен из формулы Ньютона:

= F/ (S*dv/dn),

где F- сила сдвига,. S- площадь внутреннего трения, dv/dn- градиент скорости, v- скорость течения, n- ось, направленная поперечно направлению течения.

В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность Н*с/м². В системе СГС единица вязкости называется Пуаз (Пз) и имеет размерность дин*с/см², причем

1 Пз =1 дин*с/см²= 0.1 Н*с/м².

Кроме динамической вязкости широко используется кинематическая вязкость: , где - плотность жидкости. Единица кинематической вязкости имеет размерность м²/с в системе СИ и см²/с в системе СГС, где она называется Стокс (Ст), причем, 1Ст= 1см²/с=10^-4м²/с.

Часто при изменении вязкости пользуются условными единицами: 1) секундами; 2) градусами Энглера. При измерении в секундах мерой вязкости служит время вытекания определенного объема жидкости из калиброванного сосуда с отверстием. Отношение этого времени ко времени вытекания того же объема воды при температуре 20 ^оС и определяет вязкость жидкости в градусах Энглера (°Е). Связь между градусами Энглера и Пуазами выражается приближенной формулой Убеллода:

= (0.07311* ^оЕ- (0.631/ °Е)) * ,

где - вязкость в Паузах, °Е - вязкость в градусах Энглера, -плотность жидкости.

По принципу действия вискозиметры можно разбить на несколько групп.

Капиллярные вискозиметры- основаны на закономерностях истечения жидкости из капиллярных трубок, определяемых формулой Пуазейля:

Q=k( d⁴g/ l) P,

где Q - расход жидкости через капилляр, k - коэффициент, зависящий от принятой размерности, d - диаметр капилляра, g - ускорение свободного паления. 1 - длина капилляра, Р - перепад давления между входом и выходом капилляра.

Поскольку для данного вискозиметра Q, k, d, g и 1 - величины постоянны, то динамическая вязкость определяется по перепаду давления.

Показанный на рис. 16 автоматический капиллярный вискозиметр состоит из шестеренчатого насоса 1, приводимого в движение от синхронного двигателя. Насос обеспечивает строго постоянный расход жидкости через напорную трубу 2, оканчивающуюся калибровочным капилляром 3. Напорная трубка соединена с манометром 4.

Вискозиметры с падающим шариком - основаны на использовании законов Стокса, связывающего скорость падения шарика в жидкости с ее вязкостью:

=k (( - )*g*r^z)/v,

где - динамическая вязкость, k - коэффициент, зависящий от принятой размерности, , - плотность материала шарика и исследуемой жидкости, г - радиус шарика, g- ускорение свободного падения, v - скорость равномерного падения шарика.

Рис. 16 - Схема автоматического капиллярного вискозиметра

Рис. 17 - Схема вискозиметра Хепплера с падающим шариком

Измерение вязкости сводится к отсчету времени, в течение которого шарик при падении проходит определенный участок длины:

,

где k₂ - постоянная прибора, - время прохождения заданного участка.

Пределы измерения вискозиметра можно менять в широком диапазоне, изменяя длину участка и диаметр шарика.

В вискозиметре Хепплера (рис. 17) используется калиброванная стеклянная трубка, наклоненная под углом 10° к вертикали. При измерении вязкости прозрачных жидкостей стекло позволяет следить за падением шарика. Как правило, трубка термостатируется в ванне, которая также прозрачна, промышленность выпускает также автоматические вискозиметры Хепплера (периодического действия), в которых время прохождения шарика через измерительный участок трубки фиксируется с применением фотоэлектрических или каких-либо других датчиков перемещений.

Ротационные вискозиметры - основаны на измерении крутящего момента, передаваемого жидкостью. Наиболее часто применяют вискозиметры с коаксиальными цилиндрами, с параллельными дисками и вискозиметры с парой диск-конус (см. рис. 18).

Пространство между двумя телами вращения заполнено исследуемой жидкостью. При вращении одного из этих тел, с постоянной угловой скоростью жидкость стремится сообщить вращение второму телу. Например, при вращении цилиндра 1 жидкость передает крутящий момент на цилиндр 2 (рис. 18а), величина которого выражается зависимостью:

M=k

где М - крутящий момент, k- постоянная прибора, зависящая от размеров обоих цилиндров, - угловая скорость вращения, - динамическая вязкость. Зная М, k, можно легко вычислить динамическую вязкость .

Рисунок 18 - Схемы ротационных вискозиметров

Принцип действия вискозиметров с параллельными дисками (рис. 18,б) или с парой диск-конус (рис. 18,в) аналогичен.

Вискозиметры истечения - предназначены для определения условной вязкости материалов в лабораторных условиях.

Вискозиметр типа ВЗ-4 представляет собой металлический или пластмассовый резервуар 1 с капилляром 2. Резервуар имеет объем 100мл. В верхней части резервуара имеется кольцевое углубление для излишков жидкости. Вискозиметр ВЗ-4 устанавливают на обычном штативе. Под капилляром устанавливают стакан 3 для слива жидкости (см. рис. 19).

Измерение вязкости основано на законе истечения. Время истечения заданного объема жидкости и вязкость последней связаны зависимостью вида:

=k*t,

где - вязкость в секундах, t - время истечения заданного объема испытуемой жидкости (100 мл), k- постоянная вискозиметра (указывается на специальной табличке, закрепленной на вискозиметре).

Рисунок 19 - Вискозиметр истечения BЗ-4

Подготовка вискозиметра ВЗ-4 к работе заключается в его промывке и визуальном осмотре капилляра.

При определении вязкости испытуемую жидкость наливают в резервуар до полного его заполнения (часть жидкости должна перелиться б кольцевое углубление). После этого резервуар закрывают крышкой, а под ним устанавливают сосуд. При измерении быстро снимают крышку и с появлением жидкости из капилляра включают секундомер. В момент прекращения течения жидкости из капилляра, секундомер выключают. Определение проводят не менее двух раз, при этом расхождение между отдельными измерениями не должно превышать 5%. Среднее значение времени истечения испытуемой жидкости, умноженное на поправочный коэффициент, указанный на корпусе прибора, является условной вязкостью жидкости.

Вибрационные вискозиметры.На тело, совершающее гармонические колебания в вязкой среде, действует тормозящее усилие F, величина которого связана с динамической вязкостью среды соотношением:

F=k ,

где k - константа, зависящая от размеров и формы тела и частоты колебаний, - плотность среды.

В зависимости от частоты колебаний вибрационные вискозиметры можно разделить на два типа: 1) низкочастотные вибрационные вискозиметры, работающие на частоте до 1 кГц; 2) ультразвуковые вискозиметры, работающие на частоте 10-100 кГц.

Рисунок 20 - Принципиальная схема вибрационного вискозиметра

Создание низкочастотных вибрационных вискозиметров возможно на двух принципах:

1) при постоянной амплитуде гармонического усилия возбуждающего колебания измеряют амплитуду колебаний чувствительного элемента;

2) измеряют амплитуду колебаний возбуждающего усилия, необходимого для поддержания заданной амплитуды колебаний чувствительного элемента в контролируемой среде.

С точки зрения обеспечения линейности шкалы второй метод предпочтительнее. На рис. 20 приведена схема вискозиметра, работающего по этому принципу. В корпусе 1 датчика вискозиметра с эластичной мембраной 4 укреплен чувствительный элемент 5, нижний конец которого погружен в контролируемую среду, а верхний находится в магнитном поле возбуждающей 3 и измерительной 2 катушек. Измерительная катушка подключена к входу, а возбуждающая - к выходу электронного усилителя 6 с автоматически регулируемым коэффициентом усиления. Чувствительный элемент может колебаться за счет упругости мембраны. При включении электронного усилителя 6 в системе чувствительный элемент - измерительная катушка - электронный усилитель - возбуждающая катушка возникают гармонические колебания на частоте механического резонанса чувствительного элемента (около 400 Гц). Коэффициент усиления электронного усилителя 6 автоматически устанавливается таким образом, чтобы амплитуда переменного напряжения, снимаемого с измерительной катушки, была постоянна и равна опорному напряжению, подаваемому с источника 3. Мерой вязкости является амплитуда силы тока, подаваемого на возбуждающую катушку 3. Сигнал, пропорциональный этой величине, поступает на вторичный прибор 7. Для изменения диапазона необходимо изменить длину нижнего конца чувствительного элемента. Прибор градуируют, используя в качестве эталонных, жидкости с известной вязкостью.

Принцип действия ультразвуковых вискозиметров основан на использовании прямого и обратного магнитострикционного или пьезометрического эффектов. Прямой магнитострикционный эффект соответствует случаю, когда линейные размеры тела, изготовленного из ферромагнитного материала, изменяются в направлении магнитного поля в зависимости от его напряженности. При обратном магнитострикционном эффекте механические напряжения в ферромагнитном материале изменяют его магнитные свойства.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов на гранях пьезокристаллов при их деформации.

Обратный пьезоэффект заключается в изменении размеров кристаллов под действием электрического поля.

Наиболее распространенное из ультразвуковых вискозиметров получили приборы с магнитострикционными преобразователями, работающие в импульсном режиме возбуждения.

Такой преобразователь (рис. 21) представляет собой пластинку 1 из магнитострикционного материала толщиной 0,2-0,4 мм, закрепленную в герметизированной гильзе 2. Часть пластины помещена в жидкость, а другая часть охвачена обмоткой возбуждения 3, находящейся внутри гильзы. На обмотке от генератора возникают продольные колебания, затухающие во времени.

Рисунок 21 - принципиальная схема магнитострикционного преобразователя

Рисунок 22 - Структурная схема импульсного ультразвукового вискозиметра

При колебании пластины, благодаря обратному магнитострикционному эффекту, напряжение в катушке имеет частоту колебаний пластины:

U=U_m*e^at *sin ( t),

где U - напряжение на концах катушки, U_m - начальная амплитуда напряжения, а - коэффициент затухание колебании, зависящий от вязкости жидкости , - частота свободных колебаний.

Структурная схема ультразвукового вискозиметра, работающего в импульсном режиме, приведена на рис. 22. Генератор Г вырабатывает кратковременные импульсы тока, возбуждающие свободные затухающие колебания вибратора В. Напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний, усиливается линейным усилителем ЛУ и через детектор Д и фильтр Ф поступает на устройстве сравнения УС, имевшее два постоянных уровня реагирования по напряжениям U₁ и U₂.

В моменты времени t₁ и t₂, когда U₁=U_m*e^at1 и U₂=U_m*e^at2 , устройство УС вырабатывает импульсы, фиксирующие эти моменты, причем:

=ln(U₁/U₂)/(t2*tl)=K/ t.

Следовательно, однозначно определяется величиной t=t₂-t₁ и не зависит от изменения начальной амплитуды напряжения. Импульсы с устройства УС поступают через усилитель У и триггер Т в измерительное устройство ИУ.

Погрешность вискозиметров порядка 2,5%в зависимости от конструкции. Диапазон измерений от 0.0001 до 100 Па*с.

Область применения вибрационных, особенно ультразвуковых вискозиметров, ограничиваются ньютоновскими жидкостями, вязкость которых не зависит от интенсивности механического воздействия. На неньютоновских жидкостях они, как правило, дают заниженные показания, а в этом случае их можно использовать только в качестве индикаторов.