Приборы для автоматического определения вязкости. Капиллярные вискозиметры

В общем случае для малых значений вязкости имеем:

 

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:

 

 

Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2) [4].

 

2.3 Метод  падающего шарика вискозиметрии

 

Вязкость определяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра.

Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:

 

,

 

где V – скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра;

r – радиус шарика;

g – ускорение свободного  падения;

d – плотность материала  шарика; ро - плотность жидкости.

Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение:

 

На рисунке 4 расположено схематическое изображение вискозиметра с падающим шариком.

 

Рисунок 4 – Схематическое изображение вискозиметра с падающим шариком

 

Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

 

.

 

На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.

 

2.3.1 Вискозиметр Гепплера

 

К вискозиметрам с падающим шариком относится широко распространённый универсальный вискозиметр Гепплера со «скользящим» шариком (рисунок 5).

Пределы измерений вискозиметра этого типа 6∙10-4—250 н∙сек/м2, погрешность ±1—3%.

Рисунок 5 – Вискозиметр Гепплера со «скользящим» шариком: 1 — шарик; 2 — трубка с жидкостью; 3, 4, 5 — кольцевые метки на трубке; 6 — термостатирующая жидкостная баня; 7 — термометр; 8 — штуцер для присоединения прибора к термостату; 9 — уровень.

 

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 [5].

 

2.4 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 визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости. Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Рисунок 6 – Схематическое изображение ротационного вискозиметра

Введём необходимые обозначения:

R1,L – радиус и длина  ротора ротационного вискозиметра;

ω – постоянная угловая скорость вращения внешнего тела;

R2 – радиус вращающегося  резервуара ротационного вискозиметра;

η – вязкость исследуемой cреды;

M1 – момент вращения, передаваемый  через вязкую жидкость, равный

 

 

d,l – диаметр и длина  упругой нити,

φ – угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,

G – момент упругости  материала нити

При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:

 

.

 

Заметим вновь, что М1=М2, откуда после нескольких преобразований относительно η имеем:

 

, или ,

 

где k – постоянная ротационного вискозиметра.

Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем:

 

, или

В этом случае G – момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за τ с).

Заметим, что полученные отношения справедливы для цилиндра бесконечной длины, в реальных условиях учитывается поправка на размеры тел ротационного вискозиметра.

Для этого производится вычисление так называемой эффективной высоты H ротационного вискозиметра:

1. проводится измерение  момента для жидкостей с различным  значением вязкости (η1 и η2) при  двух различных высотах внутреннего  цилиндра (L1 и L2);

2. экстраполяцией прямых  М1 = f(L) и М2 = f(L) к нулевому значению  М1 и М2 получают величину ∆L;

3. H=L+∆L.

Эффективную высоту ротационного вискозиметра H подставляют в уравнения.

Ротационные вискозиметры применяют для измерения вязкости смазочных масел (при температурах до —60°С), нефтепродуктов, расплавленных силикатов и металлов (до 2000 °С), высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т.д.

Относительная погрешность наиболее распространённых ротационных вискозиметров лежит в пределах 3—5%.

На рисунке 7 показано устройство ротационного вискозиметра РВ-7 (пределы измерений — от 1 до 105 н∙сек/м2, погрешность ±3%) [6].

вискозиметр мобильный ультразвуковой

Рисунок 7 – Ротационный вискозиметр РВ-7 (с заданным крутящимся моментом)

 

1 — внутренний вращающийся  цилиндр; 2 — внешний неподвижный  цилиндр; 3 — ось вращающейся системы; 4 — термостат; 5 — мешалка термостата; 6 — термопары; 7 — шкив; 8 — тормоз; 9 — нить; 10 — блок; 11 — груз, вращающийся шкив. Скорость вращения шкива определяют по скорости опускания груза.

 

2.5 Ультразвуковой  вискозиметр

 

Существует несколько типов ультразвуковых вискозиметров. Один из них, наиболее часто применяющийся, основан на принципе демпфирования. Если металлический стержень, помещенный в жидкость, коротким ударом заставить колебаться, то через некоторое время колебания затухнут. При этом скорость спадания амплитуды будет зависеть от вязкости среды. Чем больше вязкость, тем быстрее затухают колебания.

Ультразвуковой вискозиметр прост по устройству, малогабаритен, надежен в эксплуатации и обеспечивает достаточную точность измерения. Он состоит из трех основных узлов: датчика-зонда, электронного блока и соединительного кабеля.

Наиболее важный элемент прибора - датчик-зонд. Чувствительным элементом датчика служит плоская прямоугольная пластинка из ферромагнитного или пьезоэлектрического материала толщиной 0,2-0,4 миллиметра. Такие вискозиметры применяются в нефтяной промышленности.

Электронную часть вискозиметра можно сконструировать так, чтобы при уменьшении амплитуды ниже определенного уровня включался генератор, который будет вновь возбуждать резонансный стержень.

В зависимости от скорости затухания колебаний электронное счетное устройство вырабатывает напряжение, пропорциональное частоте включения возбуждающего генератора, а следовательно, и коэффициенту вязкости. Выработанное напряжение можно использовать для управления производственным процессом, и этим самым автоматически поддерживать необходимую вязкость вырабатываемого вещества.

Разработано несколько образцов отечественных приборов для практического применения.

Так, ультразвуковой вискозиметр ВУЗ-1Л предназначен для непрерывного измерения вязкости жидких веществ в лабораторных условиях.

Ультразвуковой вискозиметр ВАВ-3 используется при работе с высоковязкими материалами, например с полиамидной смолой. Для измерения абсолютного значения коэффициента поглощения ультразвука в жидких средах пригоден ультразвуковой измеритель поглощения УЗИП-З.

Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнито-стрикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мксек, приводящие к возникновению колебаний.

В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скорростью, 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.

Ультразвуковые вискозиметры могут быть использованы для непрерывного контроля различных жидкостей в технологических потоках.

Ультразвуковой вискозиметрс температурной компенсацией ВТК-65 предназначен для автоматического определения вязкости жидкостей в нетермостатированных потоках.

Действие основано на измерении затухания свободных колебаний магнитострикционного вибратора датчика в зависимости от вязкости жидкости. Температура контролируемой среды 10 - 120°С.

Ультразвуковые вискозиметрыобычно предназначены для измерения динамической вязкости. Принцип действия вискозиметра основан на определении времени затухания ультразвуковых колебаний в испытываемой жидкости [5,6].

 

 

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Задачей данной работы является повышение точности оперативного контроля вязкости жидких сред, повышение надежности работы и уменьшение габаритов устройства.

Задача решается за счет того, что предлагаемый способ оперативного контроля вязкости жидких сред, включающий погружение магнитострикционного элемента в контролируемую жидкую среду, создание в зоне размещения магнитострикционного элемента постоянного подмагничивающего поля и переменного магнитного поля, возбуждающего продольные колебания магнитострикционного элемента, отключение переменного магнитного поля, определение резонансной частоты сигнала, генерированного в катушке магнитострикционным элементом, вычисление вязкости жидкой среды, дополнен новой совокупностью операций, которая заключается в том, что осуществляют контроль температуры магнитострикционного элемента и проводят компенсацию температурной зависимости частоты собственных колебаний магнитострикционного элемента перед вычислением вязкости жидкой среды.

Для осуществления предложенного способа предлагается устройство, включающее датчик, в корпусе которого установлены магнитострикционный элемент, закрепленный в его узловой точке, и электромагнитная катушка, витки которой охватывают магнитострикционный элемент, и электронный блок, соединенный электрическим кабелем с датчиком, согласно изобретению в корпусе дополнительно вмонтирован измеритель температуры, а магнитострикционный элемент закреплен в корпусе датчика через демпфирующий узел, при этом корпус имеет отверстия для протекания жидкой среды к измерителю температуры и магнитострикционному элементу, причем электромагнитная катушка намотана на внешней поверхности корпуса симметрично относительно концов магнитострикционного элемента.