Методика измерения вязкости

Стеклянные капиллярные вискозиметры широко применяют в лабораторной практике; однако большинство этих приборов неприменимо для непрерывного контроля. Образцовые капиллярные вискозиметры используют для градуировки и калибровки вискозиметров других типов. К капиллярным вискозиметрам промышленного назначения наряду с требованиями обеспечения достаточной точности измерения предъявляют требования работоспособности в жестких эксплуатационных условиях (конструкционной прочности) и непрерывности действия. Обычно схема измерения предусматривает наличие дозирующего насоса для обеспечения постоянного расхода среды через капилляр, измерение перепада давлений на его концах и соответствующее преобразование результатов измерения с выводом полученного значения вязкости на шкалу указателя или на регистрирующий прибор. Весьма существенным фактором, обеспечивающим правильность результата измерения, является хорошее термостатирование прибора.

В качестве приборов подобного типа могут быть названы следующие модели вискозиметров:

прибор Viscosity monitor фирмы Carlo Erba (Италия);

прибор Automatik–Viscoterm фирмы Conoflow VAF, Brilon. (ФРГ);

прибор Seiscor фирмы Schwing (ФРГ).

В ряде вискозиметров стабилизация расхода среды через капилляр осуществляется регулятором расхода, например в приборе типа Viscosimat фирмы Askania (Зап. Берлин) (рис. 4).

Рисунок 4 - Принципиальная схема виcкозиметрической установки фирмы Askania:

1 - измерительный зонд о капилляром; 2 - регулятор расхода; 3 - дроссель, не зависящий от вязкости; 4 - сброс; 5 -измерительный преобразователь; 6 - показывающий прибор

К приборам этой же группы относятся вискозиметры, в которых перепад давлений на капилляре Δρ измеряется по высоте столба жидкости h в сосуде перед капилляром; как следует из уравнения Δр=gph, эта величина пропорциональна кинематической вязкости ν=η/ρ. Типичным примером такого прибора является вискозиметр непрерывного действия типа Permanent – Visvosimeter фирмы Debro Werke (ФРГ) (рис. 5).

Рисунок 5 - Принципиальная схема вискозиметра непрерывного действия:

1 - дозируемая подача  контролируемой среды; 2 - измерительная  емкость; 3 - выпускной капилляр; 4 - пневматический  преобразователь гидростатического  давления hv (hv~ν); 5 - показывающий прибор ρη~η; 6 - дроссель в линии подачи воздуха; р0 - давление питающего воздуха.

2 Ротационные вискозиметры.

Действие ротационного вискозиметра основано на использовании сил вязкостного трения, возникающего в слое жидкости, протекающей в кольцевом зазоре между двумя коаксиальными равномерно вращающимися относительно друг друга цилиндрами. В целях упрощения реальных конструкций вискозиметров обычно вращается только один из цилиндров. Ламинарный характер этого потока нарушается только наличием краевых эффектов, так называемых завихрений Тейлора, возникающих при вращении внутреннего цилиндра и при больших числах Рейнольдса.

Вискозиметры е неподвижным внутренним цилиндром называются кювентными вискозиметрами.

Действие вискозиметра с вращающимся внутренним цилиндром описывается уравнением

                           η=M(Ra2-Ri2)/4πLω0Ri2Ra2                                                                   (11)

где Μ - крутящий момент;

ω0 - угловая скорость вращения цилиндра;

L - длина цилиндра;

Ra, Ri - радиусы наружного и внутреннего цилиндров (рис. 6).

Таким образом, динамическая вязкость среды пропорциональна крутящему моменту М.

Рисунок 6 - Принцип действия ротационного вискозиметра (кюветного типа)

1 - неподвижный цилиндр; 2 – вращающийся цилиндр.

Типичные примеры промышленных вискозиметров ротационного типа:

Кюветный вискозиметр фирмы Hartmann und Braun (Франкфурт-Майне) (рис.7). Вискозиметр фирмы Нааке (Карлсруэ, ФРГ) (рис. 8), проточный вискозимер фирмы ВгиБв Н. В. (Бад Зоден, ФРГ (рис. 9).

Рисунок 7. Принципиальная схема измерительной ячейки ротационного вискозиметра фирмы Hartmann und Braun:

1 - моторный привод; 2 - магнитные муфты; 3 - вращающийся наружный цилиндр; 4 - «неподвижный» внутренний цилиндр; 5 - ввод контролируемой среды; 6 - термометр; 7 - устройство компенсации момента и измерения; 8 - ванна термостата.

Рисунок 8. Вискозиметр фирмы Нааке.

1 - вращающийся внутренний  цилиндр; 2-наружный цилиндр с  прорезями для поступления контролируемой  среды; 3 - магнитная муфта; 4 - разделительная  перегородка из диамагнитного  материала; 5 - приводной и измерительный вал; 6 – крышка.

Рисунок 9 - Принципиальная схема проточного вискозиметра фирмы Bruss.

1 - вращающийся внутренний  цилиндр; 2 - упруго закрепленный  наружный цилиндр; 3 - пустотелый  упругий измерительный вал; 4 - вал, передающий угол поворота; 5 - преобразователь угла скручивания; 6 - указатель.

В конструкцию большинства приборов обычно входят следующие основные элементы: измерительная ячейка (кювета), привод, устройство для измерения крутящего момента и показывающее устройство. Ротационные вискозиметры применимы для непрерывного измерения вязкости среды, что позволяет использовать их в системах контроля и управления производственными процессами. Приборы этого типа могут работать при высоких температурах и под большим давлением. Варьируя скорость вращения ротора, а следовательно, изменяя градиент среза, можно исследовать текучесть неньютоновских сред.

промышленный вискозиметр фирмы Соп^ауев Ай (Цюрих Швейцария).

Наряду с указанными ротационными вискозиметрами юовет- ного типа выпускают приборы, в которых отсутствуют потоки четко выраженной формы. В большинстве таких приборов измеряемым параметром является момент, образуемый силой трения между контролируемой средой и погруженным в нее вращающимся телом /любой формы (типа мешалки).

Типичные примеры подобных приборов:

- прибор Color - Control фирмы Anderson & Vreeland Vijfhuizen (Голландия);

- прибор Convimeter фирмы Brabender (Дуйсбург, ФРГ);

- регулятор вязкости фирмы Sommer und Runge (Зап. Берлин);

- промышленный вискозиметр фирмы Brookfield (США);

- преобразователь вязкости фирмы Kalle Säffle (Швеция).

3. Вискозиметры, основанные на взаимном осевом перемещении двух цилиндров.

Вискозиметры этого типа обычно состоят из заполненного контролируемой средой стакана и опускающегося в нем цилиндрического груза. Согласно теории вискозиметра, изложенной в работе, зависимость между вязкостью и скоростью опускания груза в исследуемую жидкость описывается уравнением:

                     η=Q/2πLv˟[lnRa/Rl – (Ra2-Rl2)/ (Ra2+Rl2)]                                 (12)

где Ra и Rl - радиусы наружного и внутреннего цилиндров,

L- длина падающего груза;

v - скорость падения груза;

Q -вес груза.

Типичным прибором такого типа является промышленный вискозиметр фирмы Norcross Corp (США) (рис. 10).

Рисунок 10 - Измерительная ячей - вискозиметра фирмы Norcross:

1 - измерительный стакан; 2 - поршень; 3 - входное и выходное  отверстия.

4 Вискозиметры с падающим шариком.

Поток, обтекающий шарик при числе Рейнольдса менее 1, определяется приближенным решением Стокса дифференциального уравнения Навье - Стокса, не содержащего членов, характеризующих инерционность:

                                                W=Gηπrv                                                        (13)

где W - сопротивление;

r - радиус шарика;

v - скорость падения шарика.

Используя приближение Осзейна и вводя поправку, учитывающую влияние стенок трубки, получим формулу вязкости среды, находящейся в трубке со свободно падающим шариком:

                                              η=2g˟(ρh-ρFl)/gvλ ˟r2                                                  (14)

где ρh-ρFl - разность плотностей шарика и жидкости;

g - ускорение силы тяжести;

λ - корректирущая поправка.

В большинстве реальных конструкций приборов этого типа не учитываются возможные помехи, искажающие результат измерения, поэтому область применения таких вискозиметров ограничена.

Типичными примерами этой группы приборов являются:

- вискозиметр фирмы R. Jung AG (Гейдельберг, ФРГ);

- вискозиметр Hoppler (рис. 11);

- вискозиметр с падающим шариком фирмы Gebr. Haake (Карлсруэ, ФРГ).

Для регулирования вязкости применяют устройства периодического измерения, в которых шарик периодически возвращается в исходное положение потоком контролируемой жидкости, а время его падения контролируется индуктивной системой.

Примером такого устройства может служить регулятор вязкости для растворов красок фирмы Schaffner (Дерендинген, Швейцария).

Рисунок 11 - Приципиальная схема вискозиметра фирмы Hoppler.

1 - измерительная трубка; 2 - шарик; 3 - участок измерения (100 мм); 4 - внешняя рубашка для термостатирования; 5 - поворотный кронштейн; 6 - термометр; 7 - штуцера для присоединения к термостату.

5 Поплавковый вискозиметр.

Известны поплавковые приборы (ротаметры), в которых положение поплавка в конической трубке характеризует в определенном диапазоне чисел Рейнольдса расход контролируемой среды независимо от ее вязкости. Известны также приборы с поплавком иной формы, положение которого при тех же диапазонах скоростей контролируемой среды зависит от вязкости последней. Последовательная установка двух поплавков указанных типов позволяет контролировать вязкость по разности положения обоих поплавков. Для непрерывного измерения контролируемый поток разделяют на две части; в трубке с постоянным расходом помещают поплавок, положение которого определяется вязкостью. Второй поплавок, помещенный в байпасном потоке, регулирует расход анализируемой жидкости, обеспечивая постоянный перепад давления (рис. 12).

Типичным примером такого прибора является вискозиметр типа Viskorator фирмы Fischer a. Porter (США).

Рисунок 12 - Принципиальная схема поплавкового вискозиметра фирмы Fischer und Porter.

1 - вискозиметрический  поплавок; 2 - поплавок, стабилизирующий  перепад давления; 3 - указатель

6 Нестационарные слоистые потоки.

В вискозиметрах с нестационарными слоистыми потоками используют следующие принципы; крутильные колебания заполненного жидкостью сосуда; крутильные колебания погруженной в жидкость шайбы, а также колебания коаксиальных цилиндров и осевые колебания тел, погруженных в жидкость.

Типичным примером является прибор Ultra—Viscoson фирмы Bendix (Нью-Йорк, США), в котором в качестве чувствительного элемента применен зонд со стальным электрически возбуждаемым вибратором, погружаемым в контролируемую среду. Затухание колебаний вибратора, зависящее от вязкости и плотности среды, определяется с помощью электронного блока.

 

 

 

 

 

 

 

4 Выбор средства измерения

Я выбрала средство вискозиметр автоматический капиллярный АКВ-2. Этот прибор применяется для измерения динамической и кинематической вязкости, а также условной вязкости. Также нашёл широкое использование в различных отраслях промышленности.  Сертифицирован и соответствует всем ныне действующим стандартам. Обладает невысокой погрешностью, что позволяет использовать его для точных измерений. В технических характеристиках подробно описано все параметры прибора. предназначен для определения эффективной вязкости консистентных смазок. Вискозиметр применяется на объектах нефтеперерабатывающей, авиационной, химической и других отраслях промышленности. Действие капиллярного вискозиметра основано на зависимости динамической вязкости от перепада давления на капиллярной трубке при постоянном расходе анализирумой жидкости, протекающей через капиллярную трубку.

Технические характеристики:

Диапазон измерения от 1 до 6*1000 Па*с.

В комплект поставки входят 5 капилляров S1, S2, S3, S4, S5.

Температура контролируемой среды от минус 60 до плюс 130 градус.

Питание от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Габаритные размеры 285*395*850 мм.

Масса 20 кг.

Расчет эффективной вязкости.

1. Основы расчета вискозиметрических  данных

1.1. В результате испытания нефтепродукта  на вискозиметре АКВ-2 (АКВ-2М) получается  диаграмма, характеризующая зависимость  перемещения штока от времени  (рис. 13).

Рисунок - 13 Схема определения вязкости при помощи трафарета

1 - трафарет; 2 - миллиметровая бумага

Для вычисления эффективной вязкости испытуемого нефтепродукта необходимы следующие данные:

- радиус капилляра R, м;

- длина капилляра L, м;

- линейное сжатие пружины h, соответствующее моменту времени t, в мм. При этом hсоответствует перемещению штока, выталкивающего нефтепродукт через капилляр, или расстоянию от нижнего обреза диаграммы до острия карандаша;

- давление в камере Р, при котором происходит истечение нефтепродукта через капилляр в момент времени t, Па (P находят по тарировочной кривой пружины, прилагаемой к вискозиметру);