Методика измерения вязкости

Содержание

 

1. Введение……………………………………………….……………………….3
2. Объект измерения……………………………….……………………………..5
3. Методы и средства измерения………………………….………….………….8

3.1  Методы измерения……………………………….………………….….8

3.2 Средства измерения…………………………………………………….11

4. Выбор СИ………………………….…………………………………………….29

5. Методика выполнения измерений……………………………………………..33

Приложение А «Методика измерений вязкости»……………………………….37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого. Количественно вязкость характеризуется значением динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.

В данной курсовой работе для измерения вязкости я выбираю вискозиметр автоматический капиллярный АКВ-2, который предназначен для определения эффективной вязкости консистентных смазок. Для прибора АКВ-2 используется метод определения эффективной вязкости пластичных смазок и динамической вязкости жидких нефтепродуктов, имеющих вязкость от 1 до 6·106 Па·с. Температурные пределы измерения вязкости от минус 60 до плюс 130 °С. Для пластичных смазок рекомендуется нормировать вязкость при 10 с-1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Объект измерения

Идеальная жидкость, т. е. жидкость, движущаяся без трения, является абстракцией. Всем реальным жидкостям и газам в большей или меньшей степени присуща вязкость или внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникающее в жидкости или газе движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. Для измерения вязкости (вискозиметрии) применяют ряд экспериментальных методов, основанных на различных принципах. Каждый их этих методов обладает особым диапазоном условий его применения.

Вязкость является одной из важнейших характеристик смазочных материалов и других нефтепродуктов, так как зависит от их фракционного и химического состава. Нефтепродукты более легкого фракционного состава имеют меньшую вязкость по сравнению с нефтепродуктами более тяжелых фракций. Вязкость нефтепродуктов из нефтей парафинового основания ниже, чем из нефтей ароматического и нафтенового оснований. Процессы молекулярного переноса в жидкостях (и газах) – вязкость (внутреннее трение), плотность, теплопроводность и диффузия – имеют важное значение для правильного объяснения целого ряда физических и физико-химических явлений, а также для решения многих технологических и конструктивных задач, связанных с переносом массы, количества движения и тепла.

Вязкость имеет большое значение при наливе и сливе различных жидкостей при перевозке железнодорожным транспортом, а также при перекачке их из одной емкости в другую. Вязкость и текучесть оказывают влияние при тушении пожаров и ликвидации аварийных ситуаций с легковоспламеняющимися опасными грузами. Значения вязкости жидкостей обусловливают мощность мешалок, насосов и т. п., оказывая влияние на скорость тепло- и массопереноса.

Вязкость характеризует способность газов или жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. То есть эта величина соответствует силе внутреннего трения, возникающей при движении газа или жидкости. Для разных тел она будет различной, так как зависит от их природы. Например, вода имеет низкую вязкость по сравнению с медом, вязкость которого намного выше. Внутреннее трение или текучесть твердых (сыпучих) веществ характеризуется реологическими характеристиками Вязкостью называется свойство жидких и газообразных веществ оказывать сопротивление взаимному перемещению соседних слоев (внутреннее трение).

Исходя из закона Ньютона, вязкость η определяется как коэффициент пропорциональности между сопротивлением сдвига и градиентом среза, направленного перпендикулярно к направлению струй ламинарного потока:

                                          υ=η(dV/dy)=ηD                                                        (1)

где υ – сопротивление сдвигу (Н/м2) (сила внутреннего трения), действующее на поверхности слоя;

V – скорость движения слоев, м/с;

dV/dy – градиент скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном направлению сдвига (поверхности слоя), или градиент среза D.

Различают динамическую вязкость η (коэффициент вязкости, коэффициент внутреннего трения; (английский термин: viscosity) и кинематическую вязкость υ, представляющую собой отношение динамической вязкости η и плотности ρ.

Для определения динамической и кинематической вязкостей в прозрачных и непрозрачных жидкостях используется ГОСТ 33-20000 (ИСО 3104-94) «Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости» Определение кинематической вязкостей и расчет динамической вязкости».

Размерности и единицы:

- динамическая вязкость η = [кг/м*с] = [Нс/м2].

- кинематическая вязкость υ = [м2/с].

Международной системы единиц СИ приняты следующие единицы вязкости:

- динамическая вязкость η: 1 Н*с/м2 = 1 Па*с,

- кинематическая вязкость υ: 1 м2/с.

В результате точных исследований, выполненных на так называемом прецизионном капиллярном вискозиметре, в качестве образцовой среды принята вода при 20˚С, обладающая динамической вязкостью 0,10019±0,00003 Па*с.

Зависимость вязкости от различных физических величин.

Вязкость – отличительное свойство вещества, зависящее от его состояния, в частности от давления и температуры, а также иногда и от градиента среза D.

Зависимость вязкости от давления. Вязкость газов в диапазоне от 30 мбар до нескольких бар не зависит от давления. Вязкость жидкостей немного  увеличивается с повышением давления.

Температурная зависимость. Температурная зависимость вязкости - важнейшая характеристика нефтепродуктов, особенно смазочных материалов. Вязкость имеет большое значение в различных областях технологии и в природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и газов и сопротивление, оказываемое ими движению взвешенных частиц. Вязкость среды определяет скорость диффузии в ней растворенных веществ. Теплопередача в жидкостях и газах в определенных условиях характеризуется их вязкостью. Изменения вязкости сказываются на скорости химических реакций, протекающих в различных химических и биологических системах, в частности связанных с жизнедеятельностью клетки.

В общем случае вязкость существенно зависит от температуры. При измерениях вязкости температура подлежит точному определению и стабилизации. С повышением температуры вязкость газов возрастает, а вязкость жидкостей η в общем случае быстро уменьшается; часто уменьшение вязкости достигает нескольких процентов на один градус Кельвина. Особенно значительные изменения вязкости наблюдаются вблизи точки затвердевания.

Зависимость вязкости от градиента среза. Жидкости, вязкость которых независима от градиента среза D, называются идеально вязкими (или ньютоновскими) жидкостями. Вязкость вязкоупругих сред, называемых неньютоновскими, зависит от градиента среза.

Кинематическая вязкость - это физико-химическая характеристика материала, показывающая его способность под действием сил гравитации сопротивляться течению.

В системе СИ единицы измерения кинематической вязкости записывают как м2/с.

В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).

Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10-4 м2/с, тогда 1 сСт = 10-2 Ст = 10-6 м2/с = 1 мм2/с. Часто для кинематической вязкости пользуются другой внесистемной единицей измерения — это градусы Энглера, перевод которых в Стоксы можно осуществлять по эмпирической формуле: v = 0,073oE – 0,063 / oE или по таблице.

Для пересчета системных единиц измерения динамической вязкости во внесистемные можно использовать равенство: 1 Па • с = 10 пуаз. Краткое обозначение записывается: П.

Обычно единицы измерения вязкости жидкости регламентируются нормативной документацией на готовый (товарный) продукт или технологическим регламентом на полупродукт вместе с допустимым диапазоном изменения этой качественной характеристики, а также с погрешностью ее измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Методы и средства измерения

3.1 Методы измерений

В основу методов измерения вязкости и их классификации положены математические зависимости, описывающие различные виды течения сред. Легко реализуются ламинарные, так называемые слоистые потоки, описываемые решениями дифференциального уравнения Навье-Стокса, при краевых условиях, предполагающих прилипание частиц к ограничивающим поток стенкам и независимость вязкости среды от градиента среза (ньютоновские жидкости).

В различных типах вискозиметров используют струйчатые потоки следующих видов:

а) Поток Хаген-Пуазейля в трубке (капиллярный поток);

б) Кюветный поток (в простарнстве между двумя концентрическими вращающимися цилиндрами);

в) Поток, возникающий в результате аксиального перемещения двух концентроческих цилиндров;

г) Нестационарные слоистые потоки.

Иногда используются потоки, описываемые приближенными решениями ирувнения Навье-Стокса (скользящие потоки).

Наряду с этим существуют большое число других вискозиметров, принцип действия которых полностью или частично основан на использовании эмпирических зависимостей.

В вискозиметре используются 3 принципа измерения вязкости.

1 Принцип основан  на формуле Пуазеля, дающий зависимость  между объемом жидкости, вытекающей  из трубки радиусом r и длиной l. Такие вискозиметры называются капиллярными:

                                       V=1/μ˟πR2˟(p1-p2)t                                               (2)

где μ - динамическая вязкость;

р1,р2 - давление жидкости на торцах трубки;

t - время вытекания.

2. Основан на формуле  Стокса. Изменение вязкости основано на измерение скорости падения шарика в исследуемой жидкости:

                                           V=2(ρ-ρʹ)gr2/9μ                                             (3)

где V - скорость падения шарика;

ρ - плотность материала шарика;

ρʹ - плотность исследуемой жидкости;

r - радиус шарика.

3. Принцип основан на  измерение времени втекания 200 гр. исследуемой  жидкости по сравнению со временем вытекания 200 гр. дистиллированной воды.  Используют вискозиметры Энглера.

1 Пуаз = (0,0731˚Е - 0,00631˚Е).

Метод Стокса.

Этот метод определения вязкости основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы. 

На шарик, который падает в жидкости вертикально вниз, действуют три силы: сила тяжести Р=(4/3);πr3ρg (ρ - плотность шарика), сила Архимеда FA=(4/3);πr3ρ'g (ρ' - плотность жидкости) и сила сопротивления, эмпирически установленная Дж. Стоксом:

                                                 F=6πηrν                                                          (4)

где r - радиус шарика, ν - его скорость.

При равномерном движении шарика P=FA+F или (4/3) πr3ρg= (4,3)πr3 ρʹg+6 πηrυ откуда:

                                           V=2(ρ-ρʹ)gr2/9μ                                                     (5)

Измерив скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жидкости (газа).

Метод Пуазейля.

Этот метод основан на ламинарном течении жидкости в тонком капилляре. Для капилляр радиусом R и длиной l в жидкости мысленно выделим цилиндрический слой радиусом r и толщиной dr (рис. 1).

Рисунок - 1. Метод Пуазейля.

Сила внутреннего трения , которая действует на боковую поверхность этого слоя,

                                         F=-η˟dv/dr˟dS=-η2πrl˟dv/dr                                      (6)

где dS - боковая поверхность цилиндрического слоя; знак минус говорит от том, что при возрастании радиуса скорость уменьшается. 

Для установившегося течения жидкости сила внутреннего трения, которая действующет на боковую поверхность цилиндра, уравновешивается силой давления, действующей на его основание:

                                    -η2πrl˟dv/dr=Δpπr2; dv=-dp/2ηl˟rdr                              (7)

Проинтегрировав, полагая, что у стенок имеет место быть прилипание жидкости, т. е. скорость на расстоянии R от оси равна нулю, получаем

                                             v=Δp/4ηl(R2-r2)                                                         (8)

Отсюда видно, что скорости частиц жидкости распределяются по параболическому закону, причем вершина параболы лежит на оси трубы.

За время t из трубы вытечет жидкость, объем которой

            V=ʃvt2πrdr=2πΔpt/4ηl˟ʃr(R2-r2)=πΔpt/2ηl˟[r2R2/2 – r4/4]=πR4Δpt/8ηl.     (9)

 

 

 

 

 

 

3.2 Средства измерения вязкости.