Измерение вязкости. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды
Вязкость - свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.
Вискозиметр–это прибор, предназначенный для определения вязкости.
Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии.
В международной системе единиц (СИ), динамическая вязкость измеряется в Паскаль - секундах [Па·с].
Существуют также внесистемные величины измерения динамической вязкости. Наиболее распространенная - пуаз [П] и ее производная сантипуаз [сП].
Также динамическая вязкость может измеряться в [дин·с/см²] и [кгс·с/м²] и производных от них единицах.
Соотношение между единицами динамической вязкости:
1 Пуаз [П] = 1 дин·с/см² = 0.010197162 кгс·с/м² = 0.0000010197162 кгс·с/см² = 0.1 Па·с = 0.1 Н·с/м²
1 Сантипуаз [сП] = 0.0001010197162 кгс·с/м² = 0.01 П = 0.001 Па·с
1 Кгс·с/м² = 98.0665 П = 9806.65 сП = 9.80665 Па·с
Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ и определяется формулой:
ν = µ / ρ, где µ - динамическая вязкость, Па·с, ρ - плотность жидкости, кг/м³.
В международной системе единиц (СИ), кинематическая вязкость измеряется в квадратных метрах на секунду [м²/с].
|
|
|
Также широко используется внесистемная единица - cтокс [Ст] и ее производная - сантистокс [сСт].
Соотношение между единицами кинематической вязкости:
1 Ст = 0.0001 м²/с = 1 см²/с
1 сСт = 1 мм²/с = 0.000001 м²/с
1 м²/с = 10000 Ст = 1000000 сСт
Основные методы вискозиметрии.
1 Капиллярный метод.
Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре. Закон Пуазейля заключается в измерении времени протекания определенного объема газа или жидкости через капилляры (трубки, имеющие круглое сечение) при заданном перепаде давления.
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.
Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся частей. Они состоят из обогреваемого резервуара (вискозиметрической бомбы), на конце которого закрепляется капилляр, подвижного плунжера и системы задания, поддержания и измерения давления. Поскольку испытуемый материал находится сравнительно короткое время в деформированном состоянии (по мере его вытекания в капилляр поступают свежие порции полимера из загрузочного резервуара), то влияние термо - и механодеструкции на результаты испытания несущественно. Тепловой эффект при испытаниях невелик, так как выделяющееся тепло быстро отводится вместе с вытекающим материалом. Капилляры - основная измерительная деталь вискозиметра - доступны, могут быть выбраны желаемых размеров и формы, легко поддаются калибровке.
|
|
|
2 Вибрационный метод.
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).
Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильновязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного и затем погруженного 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 колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость, становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра.
3 Метод падающего шарика вискозиметрии.
Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому вязкость можно определить по скорости, с которой падающий шарик проходит промежутки между метками на трубке.
На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.
4 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 вискозиметра передается к другой поверхности посредством движения вязкой среды. Теория ротационного метода вискозиметрии предполагает отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей тел. Следовательно, момент вращения ротора ротационного вискозиметра, передаваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости.
|
|
|
5 Ультразвуковой метод вискозиметрии.
Ультразвуковые вискозиметры могут быть использованы для непрерывного (автоматического) определения вязкости различных жидкостей в технологических потоках.
Ультразвуковые вискозиметры обычно предназначаются для измерения динамической вязкости.
Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнитострикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мкс, приводящие к возникновению колебаний. В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скоростью, 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.
Ультразвуковыми вискозиметрами измеряют вязкость в диапазоне от 10-3 до 500 нс/м2.
Классификация вискозиметров.
По температуре исследуемой среды различают: высокотемпературные вискозиметры и вискозиметры, изготовленные из нетермостойких материалов.
По свойствам исследуемой вязкой среды различают: универсальные вискозиметры и специальные (т.е. предназначенные для измерения вязкости сред с определёнными заранее известными свойствами, например ньютоновских жидкостей).
По методу вискозиметрии различают: капиллярные, вибрационные, ультразвуковые, ротационные, пузырьковые, вискозиметры с падающим шариком.
По точности измерений различают: высокоточные вискозиметры и образцовые вискозиметры.
По области применения различают: промышленные, лабораторные, медицинские вискозиметры.
Есть и такой вид вискозиметра, как полевой, - вискозиметр примитивной конструкции.
Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет собой резервуар с вязкой жидкостью и некоторое тело (пластина, шар, цилиндр), называемое зондом вискозиметра, которое производит вынужденные колебания в вязкой среде.
Сущность эксперимента заключается в определении изменений параметров вынужденных колебаний зонда вискозиметра при погружении его в вязкую среду. Руководствуясь теорией метода вибрационной вискозиметрии, по значениям этих параметров определяют вязкость среды.
Вибрационный вискозиметр имеет значительно большую, по сравнению с ротационными вискозиметрами, чувствительность и также может быть применён для сред температурой до 2000°C в инертной атмосфере или вакууме при наличии как больших, так и сравнительно малых масс расплавов.
В настоящее время для измерения динамической вязкости широко применяют электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды. Вибрационные высокотемпературные вискозиметры с электронным дистанционным управлением могут использоваться в условиях агрессивных средств.
Относительная погрешность измерений при использовании вибрационного вискозиметра составляет ±0,5-1%. При работе расплавами в интервале 700-1900°C общая погрешность вискозиметра увеличивается и может составить ±3-5%.
Вискозиметр Гепплера относится к вискозиметрам с движущимся в исследуемой среде шариком. Действие вискозиметра Гепплера основано на законе Стокса о шарике, падающем в неограниченной вязкой среде.
Вискозиметр представляет собою трубку, выполненную из прозрачного (или непрозрачного) материала, в которую помещается вязкая среда. Вязкость определяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра, исходя из формул метода падающего шарика вискозиметрии.
При использовании вискозиметра Гепплера возникают трудности, связанные с непрозрачностью вязкой среды либо трубки вискозиметра. В этом случае сложно определить местонахождение шарика; с целью преодоления такого характера трудностей были сделаны попытки внедрения в шарик вискозиметра материалов, излучающих рентгеновские лучи. В настоящее время в вискозиметрах типа вискозиметров с падающим шариком применяется способ регистрации магнитных полей.
Вискозиметр Гепплера и подобные ему вискозиметры используются для измерения вязкости различных сред и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах 1-3%. Вискозиметр Гепплера, снабжённый термостатирующей баней, часто характеризуется как универсальный высокотемпературный вискозиметр.
Вискозиметр Брукфильда - высокоточный прибор для поточного измерения вязкости сред. Поточные промышленные вискозиметры Брукфильд используют в своём устройстве ротационный метод вискозиметрии и широко применяются на нефтяных и газовых скважинах, где необходим непрерывный контроль вязкости сред.
Капиллярный вискозиметр представляет собой один или несколько резервуаров данного объёма с отходящими трубками малого круглого сечения, или капиллярами. Принцип действия капиллярного вискозиметра заключается в медленном истечении жидкости из резервуара через капилляр определенного сечения и длины под влиянием разности давлений. В автоматических капиллярных вискозиметрах жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности.
Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении времени протекания известного количества жидкости при известном перепаде давлений на концах капилляра. Дальнейшие расчёты ведутся на основании закона Пуазейля.
Капиллярный вискозиметр за счёт простоты устройства и возможности получения точных значений вязкости нашёл широкое распространение в вискозиметрии жидкостей (масел, расплавов). Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами. Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточно высока, возникает трудность в подборе материала вискозиметра, который может, как изменить форму (изменение диаметра капилляра вискозиметра недопустимо), так и вступить во взаимодействие с вязкой жидкостью, что плохо отразится на точности данных измерения вязкости.
Относительная погрешность измерений при использовании капиллярного вискозиметра составляет 0,1-2,5%.
В вискозиметре ротационном исследуемая вязкая среда помещается в зазор между двумя соосными телами правильной геометрической формы (цилиндры, конусы, сферы или их сочетания). Одно из тел, называемое ротором, приводится во вращение с постоянной скоростью, другое остаётся неподвижным. Принцип действия вискозиметра ротационного основывается на нескольких положениях. Вращательное движение от одного тела (ротора) передается жидкостью к другому телу. Теория ротационного метода вискозиметрии предполагает отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей тел. Следовательно, момент вращения, передаваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости жидкости.
Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении крутящего момента при заданной угловой скорости или по угловой скорости при заданном крутящем моменте. Для этих целей вискозиметр ротационный снабжён динамометрическим устройством. Устройства, применяемые в вискозиметрах ротационных для измерения моментов и угловых скоростей, подразделяются на: механические и электрические. Дальнейшие расчёты ведутся на основании теории метода ротационной вискозиметрии.
В настоящее время наиболее распространены вискозиметры электро-ротационные: внутренний цилиндр, погруженный в вязкую среду, приводится во вращение электродвигателем. Вращающийся с постоянной скоростью ротор вискозиметра при погружении в жидкость или расплав встречает сопротивление равномерному вращательному движению, на валу двигателя возникает тормозящий момент, прямопропорциональный вязкости среды, что вызывает соответствующее изменение электрических регистрируемых характеристик двигателя.
Следует отметить важную особенность вискозиметров ротационных: выполненный из термостойких материалов вискозиметр ротационный может представлять собой высокотемпературный вискозиметр.
Вискозиметры ротационные используются для измерения вязкости сред при температурах от -60°C (масла) до +2000°C (расплавы металлов и силикатов) и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах ±3-5%.
Чашечные вискозиметры - приборы для измерения вязкости жидких сред, выполненные в форме воронки (или чашечки) и использующие в своём устройстве капиллярный метод вискозиметрии.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 5034; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!