Вискозиметр оствальда принцип работы

Конструкции капиллярных вискозиметров и работа на них

Вискозиметры капиллярного типа применяются для определения вязкости материалов, обладающих относительно небольшой ее величиной: мясокостного бульона, крови и топленого жира, подсолнечных и соевых мисцелл, растворов мыла, миндального, а арахисового масел, кондитерского жира. Капиллярные вискозиметры не имеют недостатка, присущего ротацион­ным вискозиметрам: в капилляре непрерывно подвергается сдвигу вновь посту­пающая жидкость, и тепловыделения уносятся с материалом, тогда как в рота­ционных вискозиметрах один и тот же испытуемый материал находится в зазо­ре вискозиметра в течение всего опыта. Теория капиллярных вискозиметров была разработана несколько позднее, чем теория ротационных вискозиметров.

Одно время отрицали применимость капиллярных вискозиметров для определения реологических свойств материалов при сдвиге, ибо в капилляре происходит неоднородный или менее однородный, чем в ротационных виско­зиметрах, сдвиг материала.

В капиллярных вискозиметрах задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала.

Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.

Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на непрерывном сдвиге в капилляре вновь поступающей жидкости и постоянном уносе с материалом выделяющейся теплоты. Капиллярные вискозиметры имеют размер капилляра от 0,3 до 0,7 мм, что позволяет измерять вязкость в широком диапазоне. При выборе вискозиметра следует иметь в виду, что время вытекания жидкости должно составлять от 1 до 3 мин. В противном случае точность определения вязкости будет низкой.

Капиллярные вискозиметры можно разделить на три группы:

W цилиндр – поршень

W приборы истечения, постоянного и переменного уровня

К первой группе приборов относятся простейшие вискозиметры, представляющие собой U – образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр (ВПЖ-1, визкозиметр Уббелоде, Оствальда). В вискозиметре Уббелоде, представленном на рисунке 6а, для истечения жидкости необходимо в одном из колен принудительно создавать давление или разрежение. Капилляр в приборе располагается вертикально, что представляет определенные трудности при работе с жидкостями, обладающими значительной вязкостью и поверхностным натяжением. Далее трубки соединяются с атмосферой, и определяется время истечения жидкости из резервуара через капилляр в резервуар. Время истечения отсчитывается при снижении уровня жидкости в трубке с резервуарами от риски m₁ до m₂. Зная время истечения жидкости, находят измеряемую вязкость.

а – Убеллоде; б – Оствальда; 1 – емкость для измерения количества

протекающей через капилляр жидкости; 2 – капилляр; 3 – емкость для сбора

Рисунок 5 – Капиллярные вискозиметры

Капиллярные вискозиметры ВПЖ (типа Уббелоде) позволяют определять кинематическую вязкость жидкости в диапазоне от 0,6 до 104 мм 2 /с при температуре не выше 100 °С. Измерение вязкости сводится к определению времени истечения через капилляр заданного диаметра определенного количества жидкости из измерительного резервуара.

В вискозиметре Оствальда (рисунок 6б) перетекание жидкости из одного колена в другое происходит под воздействием гидростатического давления из емкости с рисками (m₁ – m₂) исследуемый материал протекает через капилляр. При работе на вискозиметре Оствальда подбирают такой объем испытуемой жидкости, чтобы после заполнения левого колена до верхней метки в нижней части правой емкости едва выступал мениск жидкости. Прибор помещают в термостат и укрепляют его вертикально. Жидкость термостатируют 20 -25 мин, после чего с помощью резиновой трубочки ее засасывают в левое колено до такого положения, чтобы мениск был на 2 – 3 мм выше верхней метки, и дают жидкости свободно стекать через капилляр. Когда мениск будет на уровне метки, включают секундомер и измеряют время прохождения жидкости между метками. Вязкость на приборах Уббелоде и Оствальда обычно определяют по отношению к известной вязкости стандартной жидкости (вода, касторовое масло, глицерин). Вязкости двух жидкостей, измеренные при равных условиях в одном и том же капилляре, будут относиться как

где η, η – вязкость соответственно стандартной и исследуемой жидкости, Па·с; ρ, ρ – плотность соответственно стандартной и исследуемой жидкости, кг/м 3 ; τ, τ – время истечения соответственно стандартной и исследуемой жидкости, с.от уровня m₁ до уровня m₂.

Рисунок 6 – Капиллярные стеклянные вискозиметры

На вискозиметре Оствадьда – Фенске (рисунок 6в) можно определять вязкость в пределах от 1 до 8000 мм 2 /с, находя время перемещения материала от уровня m₁ до уровня m₂.

Вискозиметр Канон – Фенске (рисунок 6г) применяется для определения вязкости непрозрачных материалов. Он имеет набор да одиннадцати капилляров диаметром от 0,3 до 4 мм, что позволяет определять скорость сдвига в пределах от 1 до 20000 с -1 , кинематическую вязкость – в пределах от 0,6 до 10000 мм 2 /с. Испытание заключается в определении времени перемещения материала из емкости 1 через капилляр 2 сначала до уровня m₁; а затем до m₂ и m₃.Постоянные капилляра разные для емкостей 3 и 4, что необходимо учитывать при расчете вязкости. В лабораторной практике используются стеклянные вискозиметры многих авторов, причем во всех приборах перемещение материала происходит или под действием собственной массы, или под действием внешнего вакуума. Общим для всех приборов этого типа является наличие капилляра, устройства для измерения расхода или объема жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. В качестве капилляра может быть использована, трубка диаметром от долей миллиметра до 2 – 3 мм для измерения вязкости ньютоновских и маловязких неньютоновских жидкостей. Получаемые результаты, как правило, инвариантны, т.е. не зависят от диаметра трубки. Для неньютоновских жидкостей с более высокой вязкостью и вязкопластичных систем диаметр может достигать 10 мм и более, а результаты измерений зачастую зависят от диаметра, т.е. неинвариантны. Термостатирование исследуемой жидкости в приборах занимает 10 – 3 мин, что определяется ее объемом. За это время температура жидкости в приборе достигает температуры жидкости в термостате и восстанавливается структура, т.е. создаются условия, идентичные предыдущему измерению. При кратковременном термостатировании температурные ошибки дают существенные отклонения результатов измерения вязкости от истинных ее значений. Использование избыточного давления при течении жидкости по капилляру создает возможность турбулизации потока, поэтому необходимо проводить проверку на ламинарность по критерию Рейнольдса.

Вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2 и ВПЖ-4 рекомендуется использовать для оценки качества желатина по его вязкости. Измерения следует проводить при температуре 40 °С и концентрации 10 %. Прибор ВПЖ-1 позволяет определять вязкость мелассы и мелассных растворов при изменении температуры от 20 до 120 °С и концентрации сухих веществ от 7 до 79 %. С помощью вискозиметра Оствальда изучалась зависимость вязкости от температуры для мясокостного бульона и технической дефибрированной крови, виноградного сока, а также вязкость водно-спиртовых и водно-спиртово- сахарных растворов. В области температур 40 – 95 °С зависимость вязкости мясокостного бульона от температуры описывается степенным уравнением. С увеличением температуры и уменьшением концентрации сухих веществ вязкость бульона снижается. Например, при концентрации 16 % вязкость равна 6,67·10-3 Па·с, а при 90 °С – 2,69·10-3 Па·с. Вязкость топленого говяжьего жира при температуре 50 °С равна 29·10-3 Па·с, а при 90 °С – 10·10-3 Па·с, вязкость рыбьего жира соответственно равна 11,5·10-3 и 3,7·10-3 Па·с.

Ко второй группе относятся приборы, в которых течение материала происходит за счет, гидравлического, пневматического или механического перемещения поршня в цилиндре. (Визкозиметр типа Арвесон, Азарова и др.). Такие вискозиметры можно использовать для изучения как ньютоновских, так и неньютоновских материалов.

Вискозиметр типа Арвесон с гидравлическим приводом (рисунок 7а) состоит из цилиндра 5, поршня 3, перемещение которого происходит от нагнетаемой жидкости 2. Привод шестеренного насоса 7 осуществляется от электродвигателя 8. Давление в гидравлической системе контролируется манометром 1. Изучаемая масса 4 при помощи поршня 3 продавливается через капилляр 6, при этом замеряются давление и скорость выпрессовывания. Вискозиметр имеет 8 сменных капилляров из нержавеющей стали. При скорости сдвига 10 с -1 можно определить вязкость в пределах от 2,5 до 104 Па·с, а при скорости 1,5·10 -4 с – от 0,1 до 10 Па·с. Вискозиметр Б.М. Азарова предназначен для изучения реологических свойств высоковязких тестовых и конфетных масс. Он состоит (рисунок 7б) из рамы, системы силового гидравлического привода 1, рабочего цилиндра 2 с рубашкой 3 для термостатирующей жидкости, блока электротензометрической аппаратуры. Гидропривод состоит из насоса высокого давления, масляного бака, силового гидравлического цилиндра, двух дроссельных кранов и манометра. Рабочий цилиндр 2 с днищем 5 снабжен поршнем 6 и капилляром 4. Цилиндр, днище и капилляр имеют водяные рубашки 3, соединенные с термостатом. Электротензометрическая аппаратура состоит из датчика давления, встроенного в днище цилиндра, датчика температуры, установленного в канале капилляра, усилителя и осциллографа. Расход материала определяется при помощи резательного механизма, который представляет собой два электромагнита-соленоида, на сердечниках которых закреплен специальный нож-струна, подвешенный под обрез капилляра.

Рисунок 7 – Вискозиметры с гидравлическим приводом.

Важным преимуществом капиллярной вискозиметрии является возможность моделирования реальных технологических процессов, поэтому эти методы широко используются при исследовании формования выдавливанием, транспортирования по каналам различной длины и формы, а также определения зависимости реологических характеристик продуктов от технологических факторов.

Третья группа – визкозиметры переменного уровня или свободного истечения, приборы, принцип действия которых основан на истечении материала под действием собственной массы. Основным узлом является емкость с расположенной внизу капиллярной трубкой. Расход жидкости поддерживается постоянным, а уровень ее изменяется пропорционально вязкости. Измеряя высоту уровня, находят значение исследуемой вязкости. Одним из приборов переменного уровня является вискозиметр Лейба, который состоит из двух сосудов, расположенных один под другим. Жидкость поступает в верхний сосуд и вытекает по капилляру в нижний с более длинным капилляром. Стационарное состояние устанавливается при определенном гидростатическом столбе жидкости в нижнем сосуде. По высоте этого столба судят о значении вязкости данной жидкости.

Вискозиметры постоянного уровня (рисунок 8) основаны на наблюдении за характером струи жидкости, вытекающей из капилляра, по которому судят о величине вязкости. На определенном расстоянии от сопла-капилляра 1 происходит дробление струи, причем, чем меньше вязкость жидкости, тем меньше расстояние до места дробления. Следящее устройство в виде каретки с фотоэлементом 3 перемешается вдоль трубки 2. При прохождении фотоэлементом точки дробления в цепи меняется фототок, который регистрируется вторичным прибором.

Рисунок 8 – Вискозиметр постоянного уровня

В заключение рассмотрим три простейших капиллярных вискозиметра истечения – Энглера, Редвуда и Форда, которые хотя и не имеют теоретического обоснования, однако часто применяются в производственных технических лабораториях. К существенным недостаткам приборов относятся короткий рабочий капилляр, переменное гидростатическое давление, неточность распределения термостатирующей жидкости и др. Поэтому их не рекомендуют использовать при научных исследованиях.

Вискозиметр Энглера предназначен для определения относительного времени истечения жидкостей, т.е. для определения вязкости в градусах Энглера. На рисунке 9 дана схема такого вискозиметра марки ОВ-108 (ВНР). Резервуар 5 заполняется испытуемой жидкостью до указателя уровня 7 (около 200 см3). После удаления палочки 2 жидкость вытекает через трубку 9. При этом определяется время вытекания τ_ж. Контрольный опыт проводится на таком же количестве дистиллированной воды с определением времени ее вытекания τ_ж.). Вязкость в градусах Энглера определяется отношением

τ_ж. – определяемое время истечения 200 мл испытуемой жидкости, с;

τ_ж. – время истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 °С.

Температура термоcтатирующей жидкости в сосуде 6 поддерживается нагревателем 5, встроенным в дно водяной бани, и регулируется тиристорным регулятором. Для выравнивания температуры имеется мешалка 10 с ручкой 1. Температура измеряется термометрами 3 и 4. Сточная трубка имеет длину 20 мм, верхний диаметр 2,9 мм и нижний – 2,8 мм. Мощность нагревателя 400 Вт. Прибор довольно широко используется для измерения вязкости различных жидкостей в производственных условиях. Для пересчета вязкости в градусах Энглера в единицы динамической вязкости в литературе имеются различные эмпирические формулы, например

где η – динамическая вязкость, Па·с; °Е – вязкость в градусах Энглера; ρ – плотность жидкости, кг/м3.

Рисунок 9 – Вискозиметр Энглера

Вискозиметр Энглера применяли для маловязких пищевых продуктов: мясокостных бульонов, растворов желатина, молочных изделий и т.п. По данным А.А. Соколова, вязкость стандартного раствора клея (17,75 % сухого вещества) при 30 °С находится в пределах от 1,8 до 6 °Е (от 0,01 до 0,045 Па·с). Вязкость мясокостного бульона при этих же условиях равна 2,1 °Е (около 0,013 Па·с). Растворы желатина той же концентрации при 40 °С имеют вязкость от 15 до 40 °Е (от 0,11 до 0,3 Па·с).

Таблица 12 – Виды ошибок капиллярной реометрии

Часть 2. Определение концентрационной зависимости вязкости жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра (метод Оствальда).

Цель работы: Изучение закономерностей течения вязких жидкостей, приобретение навыков работы с капиллярным вискозиметром, проведение измерений концентрационной зависимости вязкости и анализ внутренних свойств жидкостей на основе проведенных исследований.

Приборы и принадлежности: капиллярные вискозиметры, заполненные растворами известной концентрации, секундомер.

Принцип работы капиллярного вискозиметра основан на зависимости объемного тока жидкости от параметров сосуда, известной, как закон Пуазейля.

Закон Пуазейля представляет собой формулу для расчета объемной скорости течения, если течение жидкости ламинарное. Объемной скоростью Q называется объем жидкости (V), протекающий через поперечное сечение сосуда за единицу времени, Q= V/ t.

Q – объемная скорость жидкости (м 3 /с),

ΔP=P₁– P₂ – разница давлений на концах трубки (Па),

r- внутренний радиус трубки (м),

l- длина трубки (м),

η – коэффициент динамической вязкости жидкости (Па с),

π— отношение длины окружности к диаметру, π = 3.14

Капилляр это трубка очень малого сечения. Для измерения коэффициента вязкости жидкости применяют капиллярные вискозиметры. Измерение вязкости этим методом заключается в измерении времени истечения жидкости из резервуара определенного объема через капилляр определенного радиуса под действием гидростатического давления, которое создается разностью уровней исследуемой жидкости в коленах вискозиметра.

Капиллярный вискозиметр Оствальда представляет собой U-образный трубку, в узкое колено которой впаян капилляр, (рис). Выше капилляра находятся два шарообразных расширения. Выше и ниже ближнего к капилляру расширения на колене нанесены метки, которые позволяют фиксировать объем, протекающей через капилляр жидкости. Верхнее расширение предохраняет от выброса жидкости из колена в процессе работы с прибором.

Порядок выполнения работы:

1. Несколько капиллярных вискозиметров, заполненных растворами глицерина в воде различной концентрации, укреплены в вертикальной плоскости. На каждом из вискозиметров указана концентрация раствора С, % и аппаратное число к. Запишите эти данные в соответствующие ячейки таблицы, столбцы 1 и 2. В столбец 3 запишите значения плотностей бинарных смесей системы глицерин-вода.

2. Приготовьте секундомер. С помощью шприца поднимите уровень жидкости в капиллярном колене определенного вискозиметра выше отметки 1, и, убрав шприц, наблюдайте за понижением этого уровня. Когда уровень жидкости проходит метку 1, нажмите «старт» на секундомере, а при прохождении метки 2 нажмите «стоп». Так находят t – время прохождения жидкостью данной концентрации по капилляру.

3. Для каждой концентрации измерение повторяется 3 раза. Результаты занесите в таблицу измерений, столбец 4.

Вискозиметр. Замеряем вязкость лакокрасочных составов

Вискозиметрия – раздел измерительной техники, отвечающий за выяснение вязкости различных веществ – широко распространена в машиностроении и металлообработке с целью измерения вязкости масел и технологических смазок. Но в строительстве без вискозиметров также не обойтись: например, для уточнения вязкости лаков и красок. От этого зависит надёжность работы краскопультов и иной подобной техники.

Основы строительной вискозиметрии

Различают динамическую и кинематическую вязкость. Первая является мерой сил сдвига, которые надо приложить к контактирующим между собой плоским поверхностям, покрытым какой-либо жидкостью, чтобы сдвинуть их относительно друг друга. Вторая есть частное от деления динамической вязкости на плотность жидкости. Понятно, что повышенную наглядность о свойствах краски даёт именно значение её кинематической вязкости. Методы определения кинематической вязкости регламентируются ГОСТ 33-78, для чего разработана целая гамма соответствующих приборов — вискозиметров серий ВПЖ (ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-4), ВНЖ и ВПЖМ (ГОСТ 10028-77). Все конструкции вискозиметров обязаны определять кинематическую вязкость так называемых ньютоновских жидкостей, для которых сопротивление сдвигу прямо пропорционально скорости скольжения контактируемых поверхностей.

В системе СИ мерой кинематической вязкости является м 2 /с, однако часто пользуются более мелкой производной единицей 1мм 2 /с, называемой сантистоксом (сСт).

Иногда вязкость традиционными способами установить невозможно. Тогда устанавливается так называемая условная вязкость (ВУ). Единица «градус ВУ» по ГОСТ 6258-82 определяется как отношение времени истечения краски при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20ºС. Условную вязкость измеряют в градусах Энглера ºЕ.

Поскольку краски интенсивно загустевают при пониженных температурах, то их вязкость в этом случае измеряется по технологии, предусмотренной ГОСТ 1929-81, когда определённую порцию краски под давлением перемещают по калиброванному трубопроводу вискозиметра с определённым диаметром, а фактическую вязкость измеряют по нанесённым на стенки меткам. Распространён также ротационный способ, когда краску помещают в замкнутый внутренний объём, и, проворачивая находящийся там цилиндр, получают необходимое значение вязкости.

По принципу действия различают:

• капиллярные вискозиметры;
• ротационные вискозиметры;
• ультразвуковые вискозиметры;
• с падающим шариком (вискозиметры Гепплера);
• вибрационные вискозиметры.

Для измерения вязкости краски используются преимущественно приборы первых двух типов. Главным требованием к прибору считается его способность к определению вязкости краски в возможно более широком диапазоне температур.

Капиллярные вискозиметры

Такие приборы (называемые также вискозиметрами Оствальда) используют традиционный способ измерения вязкости для краски, когда определённое количество краски самотёком (под воздействием давления верхний слоёв на нижние) проходит через тарированное отверстие; время истечения определяет вязкость вещества. Чем больше соотношение между диаметрами сосуда и капилляра, тем точнее измерение.

Капиллярные вискозиметры подразделяют на чашечные и погружные. Для работы первых отбирают нужную дозу краски из ёмкости и устанавливают её вязкость в лаборатории. Погружные вискозиметры можно опускать в ёмкость с краской и замерять её вязкость на месте, что быстрее и удобнее.

Капиллярный вискозиметр включает в себя:

1. Несколько сосудов (капилляров).
2. Чашку или тарированную ёмкость, снабжённую воронкой для плавного истечения краски.
3. Штатив.
4. Хронометр.
5. Перепускные краны.

Для удобства своего применения корпуса всех капиллярных вискозиметров изготавливаются из легкоочищающихся от краски материалов, штативы имеют высотную регулировку, а подача дозированного объёма краски в ёмкость может быть автоматизирована применением специальных микронасосов.

Достоинством прибора считается его высокая точность, которая не зависит от условий применения, поскольку при перемещении жидкостей по малым капиллярам однородность исследуемой среды не имеет значения, таким образом, отбор краски для определения вязкости можно выполнять произвольным образом, и из любого места.

Недостаток капиллярных вискозиметров – хрупкость капилляров, поэтому их использование непосредственно на стройплощадке не рекомендуется.

Ротационные вискозиметры

Внешне такие приборы (ВЗ-4, ВЗ-246 и др.) напоминают миксер: в полый внешний сосуд цилиндрической формы вставляется внутренний сосуд, также цилиндрический. В частности, в приборе ВЗ-246 внешний сосуд соединён с приводным валом электродвигателя, что позволяет производить его вращение с постоянной скоростью. Внутренний сосуд на гибкой нити подвешен к корпусу прибора. В пространство между цилиндрами заливают краску, после чего включают привод вращения внешнего цилиндра. При вращении краски её слои, соприкасающиеся с поверхностью внутреннего цилиндра, вследствие трения будут передавать вращающий момент на внутренний цилиндр. По интенсивности его вращения можно установить вязкость краски.

Для достижения необходимой точности замеров требуется выполнить ряд условий:

• замер вращающегося момента возможен только после того, как скорость движения внутреннего цилиндра станет постоянной;
• класс чистоты поверхностей обоих цилиндров, которые контактируют с краской, должен быть одинаковым;
• соотношение размеров цилиндров должно быть строго определённым, что учитывается так называемой постоянной ротационного вискозиметра (для каждого прибора она может быть различной, поэтому, результаты, полученные на разных приборах, трудно сопоставить между собой).

Выпускаются и инверсные исполнения ротационных вискозиметров, когда электродвигатель вращает не наружный, а внутренний цилиндр.

Прочие типы вискозиметрических установок

Для измерения вязкости краски можно использовать вибрационные вискозиметры, отличающиеся высокой точностью и стабильностью получаемых результатов. Здесь вязкость определяется по колебаниям зонда, помещаемого в цилиндрическую ёмкость с исследуемой краской. Зонд (в виде тонкого стержня) подвешивается на пружине по своей оси. На образующей зонда размещён колебательный контур, включающий в себя приёмную и передающую катушки индуктивности, которые включены в цепь переменного тока. Возбуждаемые колебания передаются краске, которая также начинает совершать вынужденные колебания. По их амплитуде и частоте судят о плотности и вязкости краски.

Современные конструкции вибрационных вискозиметров оснащаются датчиками температуры, которые позволяют вносить температурные поправки в полученные результаты. Чем больше вязкость краски, тем более точным получается измерение. Тем не менее вибровискозиметры непосредственно на стройплощадке использовать затруднительно, т. к. на точность сильно влияет общий уровень вибраций. А он может быть значительным, например, из-за действия пневматического ударного инструмента.

При небольших объёмах краски можно использовать также вискозиметры Гесса, которые позволяют исследовать вязкость крови, и широко используются в медицинской практике. Для красок особо высокой вязкости используются вискозиметры Суттарда, применяемые для определения вязкости гипсового теста, а также в пищевой промышленности.

Как выбрать вискозиметр?

Исходными данными являются:

1. Ориентировочный диапазон вязкости краски, который придётся определять.
2. Требуемая точность полученного результата.
3. Стабильность замеров.
4. Возможность оперативного применения выбранного типа вискозиметра в любых условиях.

По параметру точности лидируют вибрационные и капиллярные вискозиметры, которые позволяют установить вязкость с погрешностью соответственно 1,5 и 2%. Несколько более высокую погрешность даёт вискозиметр Гепплера – до 3% — действие которого основано на принципе шарика, падающего в объёме исследуемой краски: вязкость оценивается по времени его падения. Прибор прост и удобен в применении, причём в любых производственных условиях. Наивысшую точность обеспечивают ультразвуковые вискозиметры, которые, однако, требуют и наиболее квалифицированного обслуживания.

При выборе типоразмера ротационного вискозиметра принимают во внимание:

• точность измерения вязкости;
• комплектность прибора (количество сменных валов);
• диапазон скоростей вращения вала;
• наличие ручного и автоматического режима работы;
• внешние условия применения (температура и влажность окружающего воздуха);
• требования к питающей электросети.

Вязкость. Принцип действия капиллярного вискозиметра.

Вязкость является важной характеристикой материалов во многих химических производствах (искусственное волокно синтетические смолы, краски, смазочные масла, растворы каучука)

Вязкость –способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря внутреннему трению. Вязкость – мера этого внутреннего трения. Строго говоря, вязкость имеют и твердые тела, но она достаточно специфична и малозаметна.

Существует два типа вязкости: динамическая (абсолютная) и кинематическая.

Динамическая вязкость оценивается в Па*с или в Пуазах (сила в 1 Н, которая способна между двумя параллельными плоскостями, имеющими площадь 1 и находящимися друг от друга на расстоянии 1 м, поддерживать градиент скорости течения жидкости, равный 1 ). Проще говоря, этот тип вязкости характеризует текучесть жидкости в реальных условиях.

На практике часто пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности среды и выражается в , Стоксах или градусах Энглера – это внесистемная единица условной вязкости, применяемая в нефтехимии. Кинематическая вязкость позволяет судить о текучести жидкости в различных условиях, то есть при различных температурах и давлении.

Для некоторых жидкостей (и газов) кинематический коэффициент вязкости составляет: для воды ; для воздуха при атмосферном давлении и температуре 0 ; для ментана при атмосферном давлении и температуре 17 .

Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры и уменьшается с увеличением последней. Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Это объясняется самой природой вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена главным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с температурой. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает.

Вязкость капельных жидкостей зависит также от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления, порядка нескольких сотен атмосфер. С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает, но при давлениях меньше 10 МПа изменением вязкости обычно пренебрегают.

Вязкость газов при обычно встречающихся в технике перепадах давления не зависит от давления. Но если газы подвергаются очень сильному сжатию, их вязкость значительно возрастает.

Для измерения вязкости применяются приборы –вискозиметры(вискозус – вязкость на латыни), в которых используются следующие методы: капиллярные, падающего тела, крутящегося момента, вибрационные, ультразвуковые, ротационные.

Немного о наиболее распространенных методах измерения вязкости.

Первый – на основе уравнения Пуазейля, связывающего скорость, с которой жидкость вытекает через капилляр, со временем, за которое это происходит.

Иной подход к определению внутреннего трения иллюстрирует вискозиметр, созданный на базе закона Стокса: формула связывает коэффициент вязкости жидкости со скоростью поступательного движения шарика в ней. Пример – широко используемый вискозиметр Гепплера.

Третий метод был предложен Ньютоном и доработан Тейлором. Ньютон сдвигал пластины с жидкостью между ними, по геометрическим размерам пластин, силе и скорости сдвига вычисляя внутреннее трение жидкости. А Тейлор определял вязкость прослойки по крутящему моменту или скорости вращения одного цилиндра в другом (вот и называют иногда такие вискозиметры тейлоровскими).

Ну и четвертый способ – ультразвуковой: вязкость определяется по скорости затухания упругих колебаний в зонде-пластине, помещенной в исследуемую среду. Примеры применения таких вискозиметров – определение вязкости агрессивных сред и расплавов, непрерывный контроль внутреннего трения во время технологических процессов.

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре и заключается в измерении времени протекания определённого количества (объёма) газа или жидкости через капилляры (узкие трубки, имеющие круглое сечение) под действием разницы давлений (или только силы тяжести).

Капиллярные вискозиметры задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала. В основном, этот вид вискозиметров связывает вязкость жидкости с ее расходом: то есть за сколько времени при постоянном давлении объем жидкости перетечет из резервуара через капилляр в приемник. Но иногда, скажем для исследования механических свойств упруго-вязких веществ, используются другой тип – постоянного расхода с переменным давлением: например, при исследовании текучести консистентных смазок.

Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса (в начальный момент уровень жидкости в одном колене выше, чем в другом). В таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. Время опорожнения измерительного резервуара определяют как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхних и нижних концах резервуара.

Возможно и искусственное нагнетание давления. В капиллярных автоматических вискозиметрах (непрерывного действия) жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости.

Схема автоматического капиллярного вискозиметра. 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.

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 определённой 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 высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.

Капиллярный вискозиметр представляет собою 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.

Рис. 1. Капиллярный вискозиметр ВПЖ-1

искозиметр капиллярный стеклянный типа ВПЖ-1 с висячим уровнем (рис. 1) состоит из измерительного резервуара (4), ограниченного двумя кольцевыми отметками M1 и M2; резервуар переходит в капилляр (5) и резервуар (6), который соединен с изогнутой трубкой (3) и трубкой (1).

Трубка (1) имеет резервуар (7) с двумя отметками М3 и М4, указывающими пределы накопления вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара (4) по капилляру (5) стекает в резервуар (6) по стенкам последнего, образуя у нижнего конца капилляра «висячий уровень».

Изменение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.

Перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно промыт и высушен.

Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками М3 и М4. На концы трубок (2) и (3) надевают резиновые трубки, причем, первая из них снабжена краном и резиновой грушей, вторая – краном.

Вискозиметр устанавливают вертикально в жидкостный термостат, так, чтобы уровень воды находился на несколько сантиметров выше расширения (8).

При температуре измерения выдерживают прибор не менее 15 минут, после чего засасывают (грушей) при закрытой трубке (3) жидкость выше отметки M1 примерно до половины резервуара (8) и перекрывают кран, соединенный с трубкой (2).

Если вязкость жидкости менее 500-1000 сантистоксов, открывают кран на трубке (2) и освобождают зажим на трубке (3).

При более вязких жидкостях сначала открывают трубку (3), затем трубку (2).

Далее измеряют время понижения уровня в трубке (2) от отметки M1 до отметки M2 .

Необходимо при этом обращать внимание на то, чтобы к моменту подхода уровня жидкости к отметке M1 в расширении (6) образовался висячий уровень, а в капилляре не было бы пузырьков воздуха.

Вязкость вычисляют по формуле (8) по среднему (из нескольких измерений) времени истечения жидкости:

(8)

где – кинематическая вязкость жидкости в сантистоксах, – время истечения жидкости в секундах, g– ускорение силы тяжести в месте измерения в см/c2.

Расчеты по формуле (8) будут достаточно точными, так как диаметр капилляра вискозиметра 0,43 мм.

Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами. Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточна 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.

Капиллярные вискозиметры имеют размер капилляра от 0,3 до 0,7 мм, что позволяет измерять вязкость в широком диапазоне. При выборе вискозиметра следует иметь в виду, что время вытекания жидкости должно составлять от 1 до 3 мин. В противном случае точность определения вязкости будет низкой.

Относительная погрешность образцовых капиллярных вискозиметров ±0,1—0,3%, рабочих приборов ±0,5—2,5%.

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.