Какими приборами измеряется вязкость жидкости

Вискозиметрия, раздел физики, посвященный изучению методов измерения вязкости. Существующее разнообразие методов и конструкций приборов для измерения вязкости — вискозиметров — обусловлено как широким диапазоном значений вязкости (от 10 -5 н•сек/м 2 у газов до 10 12 н •сек/м 2 у ряда полимеров), так и необходимостью измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений (например, сжиженных газов, расплавленных металлов, водяного пара при высоких давлениях и т.д.).

Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.

Особую группу образуют методы измерения вязкости в малых объёмах среды (микровязкость). Они основаны на наблюдении броуновского движения, подвижности ионов, диффузии частиц.

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.

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 φ 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.

Ультразвуковой метод вискозиметрии

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.

Капиллярный метод вискозиметрии

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

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 нопределённой 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 высококтемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

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.

Метод падающего шарика

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:

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.

Вибрационный метод вискозиметрии

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).

Введём несколько обозначений: ω – частота колебаний, τ – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S — площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы. Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим η и d.

Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) 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 А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. 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).

Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих веществ

(жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной

их части относительно другой. Именно вязкость обусловливает ги-

дравлическое сопротивление в трубопроводах. Основной закон вяз-

кого течения описывается формулой Ньютона:

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг сло-

ев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по

которому происходит сдвиг; dV/ dn — градиент скорости V течения

(быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности г| называется динамической

вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смеще-

нию ее слоев. Величина, обратная динамической вязкости, называ-

ется текучестью φ = 1/η

Наряду с понятием динамической вязкости используется понятие

кинематическая вязкость v:

Единицами динамической вязкости являются Па-с (в системе

единиц СИ) и П (пуаз). 1 Па-с — это вязкость такой жидкости, в

которой на 1 м поверхности слоя действует сила, равная одному нью-

тону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на

1 см/с. Жидкость с вязкостью 1 Па с относится к числу высоковязких,

поэтому на практике часто используются единицы мПа • с (миллипу-

аз) и сП (сантипуаз). Единицами кинематической вязкости являются

м2/с (в системе единиц СИ) и Ст (стокс). Соотношение между ука-

1 П = 10 -1 Па-с; 1 Ст = 10 -4 м 2 /с.

На практике иногда используют понятие условная вязкость, ко-

торая представляет собой отношение времени истечения из виско-

зиметра определенного объема некоторой жидкости ко времени ис-

течения такого же объема дистиллированной воды при температуре

20 °С. Условная вязкость измеряется в градусах ВУ.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а

8.3.2. Средства измерения вязкости

Средства измерения вязкости называют вискозиметрами. В за-

висимости от назначения вискозиметры делятся на промышленные

(технологического контроля) и лабораторные (стационарные и пере-

носные). По режиму работы вискозиметры могут быть непрерывного

и циклического действия. По принципу действия вискозиметры де-

лятся на пять групп: ротационные, вибрационные, капиллярные,

шариковые и условной вязкости (типа воронки).

Принцип действия р о т а ц и о н н ы х вискозиметров (рис. 8.4)

основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси

ротора 1, погруженного в измеряемую среду. Этот крутящий момент

М описывается выражением

где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции рото-

ра вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора; η — дина-

Таким образом, при постоянной угловой скорости крутящий мо-

мент однозначно определяет вязкость жидкости. Характерной осо-

бенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон

измеряемых значений вязкости.

Принцип действия в и б р а ц и о н н ы х вискозиметров основан

на определении амплитуды вынужденных колебаний тела правильной

геометрической формы, называемого зондом вискозиметра, при по-

гружении его в исследуемую среду. В настоящее время широко при-

меняются электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд

совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов

электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.

Эту амплитуду А колебаний зонда при постоянной возбуждающей

силе можно описать выражением

где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции зонда

вискозиметра и типа исследуемой жидкости; η — динамическая вяз-

Вибрационные вискозиметры имеют значительно большую по

сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность, но

более узкий диапазон измеряемых значений вязкости.

Принцип действия к а п и л л я р н ы х механических вискозимет-

ров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр,

описываемой законом Пуазейля:

где Q — объемный расход жидкости; R и L — внутренний радиус и

длина капилляра соответственно; η — динамическая вязкость; Р1

Р2 — давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (8.19)

можно преобразовать к виду

Следовательно, для определения динамической вязкости жидкости

достаточно при постоянном объемном расходе измерять перепад

давлений на капилляре. Этот постоянный объемный расход анали-

зируемой жидкости создается насосом Н (рис. 8.5, а). Анализируемая

жидкость поступает в змеевик 1, где нагревается до температуры,

поддерживаемой в термостате 2, а затем — в капилляр 3, размеры

которого выбираются в зависимости от диапазона измеряемых зна-

чений вязкости. Перепад давлений на капилляре, который пропор-

ционален динамической вязкости анализируемой жидкости, измеря-

ется дифманометром ДМ. Температура в термостате поддерживается

на уровне 50 или 100 "С. Диапазон измерений этих вискозиметров от

0. 2 до 0. 1 ООО сП, класс точности 1,5. 2,5 (в зависимости от диа-

Принцип действия ш а р и к о в ы х вискозиметров основан на

измерении скорости (или времени) движения шарика под действием

сил тяжести и трения в анализируемой жидкости. Это движение опи-

сывается законом Стокса:

где V— скорость равномерного падения шарика; ρш и ρж — плотности

материала шарика и жидкости соответственно; g — ускорение сво-

бодного падения; R — радиус шарика; η — динамическая вязкость.

Учитывая, что плотность анализируемой жидкости изменяется

незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика,

выражение (8.21) можно преобразовать к виду

Обычно измерение скорости V сводится к измерению отрезка

времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, про-

ходит некоторый постоянный отрезок пути L между двумя приняты-

ми отметками. В этом случае

В нерабочем состоянии шарик 2 (рис. 8.6, а) находится на нижней

сетке 4. Анализируемая жидкость из трубопровода периодически

прокачивается насосом Н по трубке 1 снизу вверх и при своем дви-

жении поднимает шарик 2 от нижней 4 до верхней 3 ограничительной

сетки. В момент касания шарика с верхней сеткой насос автомати-

чески отключается и шарик падает в неподвижной среде — анализи-

руемой жидкости. С помощью устройств 5 и 6 (например, индукци-

онных катушек) в моменты времени, когда шарик проходит две вы-

бранные отметки, отстоящие друг от друга на расстояние L по

высоте трубки, формируются электрические импульсы. Промежуток

времени между указанными импульсами, значение которого и опре-

деляет динамическую вязкость, измеряется блоком 7 (измеритель

временных интервалов). Во время измерения жидкость и шарик тер-

мостатируют с точностью 0,2 °С, для чего измерительную трубку по-

мещают во вторую, более широкую трубку, в которой поддерживают

постоянную температуру 50 или 100 °С. Диаметр трубки, в которой

проводят измерение вязкости, должен быть по крайней мере в 10 раз

больше диаметра шарика. Длина трубки подбирается с таким рас-

четом, чтобы измерять время падения шарика на средней ее части,

на отрезке, равном 1/3 — 1/2 длины трубки.

Пределы измерений вискозиметра можно менять в широком диа-

пазоне установкой расстояний между устройствами формирования

импульса и подбором размера шарика. Шариковые вискозиметры

используются для измерения вязкости до 100 Па — с с погрешностью

Измерение влажности

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

В химической промышленности технологические процессы связаны с получением и переработкой многих газообразных и жидких веществ. Эти вещества характеризуются различными показателями, по которым оценивают их качество. К ним относятся: объемное или массовое соотношение компонентов в смеси, концентрация вещества, его вязкость, влажность, прозрачность, кислотность или щелочность и др.

При измерении состава сред объект измерения рассматривают как смесь, состоящую из нескольких (не менее двух) понимают определение доли (концентрации) того или иного компонента в смеси. При определении концентрации одного компонента смесь называют бинарной (двойной); когда определяют концентрации нескольких веществ, смесь называют многокомпонентной.

Измерение плотности жидкостей

Плотность является одной из основных физических показателей, характеризующих свойства вещества.

Приборы для измерения плотности жидкостей по принципу действия делятся на:

весовые (пикнометрические), измеряющие плотность путем взвешивания определенного постоянного объема жидкости;

гидростатические, измеряющие плотность по изменению давления столба жидкости;

ареометрические (поплавковые), измеряющие плотность с помощью поплавка постоянной массы, вытесняющей определенный объем жидкости;

радиоактивные, в которых используется поглощение веществом радиоактивного излучения.

Рассмотрим принцип действия и порядок работы с ареометром типа АОН-1.

В ареометрах постоянного веса глубина погружения остается постоянной, а изменяется действующая на поплавок выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости.

Сущность метода измерения плотности заключается в погружении ареометра в испытуемый продукт, снятии показания по шкале ареометра при температуре определения и пересчете результатов на плотность при температуре 20 о С.

Цилиндр для ареометров устанавливают на ровную поверхность. Пробу испытуемого продукта наливают в цилиндр, имеющий ту же температуру, что и проба, избегая образования пузырьков и потерь от испарения. Пузырьки воздуха, которые образуются на поверхности, снимают фильтрованной бумагой.

Температуру испытуемой пробы замеряют до и после измерения плотности по термометру ареометра или дополнительным термометром. Температуру поддерживают постоянной с погрешностью не более 0,2 о С.

Чистый и сухой ареометр медленно и осторожно опускают в цилиндр с испытуемым продуктом, поддерживая ареометр за верхний конец, не допуская смачивания части стержня, расположенной выше уровня погружения ареометра.

Когда ареометр остановится, и прекратятся его колебания, отсчитывают показания. Отсчет по шкале ареометра соответствует плотности продукта при температуре испытания. По округленному значению температуры и плотности, определенной по шкале ареометра, находят плотность испытуемого продукта при 20 о С по таблице обязательного приложения. За результат испытания принимают среднее арифметическое двух определений.

1 – шкала, градуированная в единицах плотности или в %;

2 – слой смолы, сургуча;

3 – чистая, сухая металлическая дробь.

Рис.1. Схема ареометра АОН-1.

После испытания ареометр нужно промыть несколько раз растворителем (КАТ-К, К-6, нефрас, гексан), затем промывают мыльной водой. Особо трудные загрязнения отмывают хромовой смесью. Отложения неорганических веществ удаляют соляной кислотой (HCl) перед промывкой хромовой смесью, особенно если предполагается присутствие солей бария. В самом конце мойки осторожно протирают холщовой салфеткой или ватой.

Измерение вязкости жидкостей

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

В международной системе единиц (СИ) единица вязкости равна силе в 1 Н, которая способна между двумя параллельными плоскостями, имеющими площадь 1 м 2 и находящимися друг от друга на расстоянии 1 м, поддерживать градиент скорости течения жидкости, равный 1 с -1 . Это единица динамической вязкости, она выражается в Па·с.

На практике пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости и в СИ выражается в м 2 /с.

Для измерения вязкости применяются приборы – вискозиметры, в которых используются следующие методы:

Рассмотрим принцип действия и метод работы с вискозиметром стеклянным капиллярным типа ВПЖ-2.

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

Рис.2. Вискозиметр стеклянный капиллярный типа ВПЖ-2.

Вискозиметр стеклянный капиллярный типа ВПЖ-2 предназначен для определения вязкости прозрачных жидкостей. Вискозиметр представляет собой U-образную трубку, в колено 1 которой впаян капилляр 4.

Для измерения времени истечения жидкости на отводную трубу 6 надевают резиновый шланг. Далее, зажав пальцем колено 5 и перевернув вискозиметр, опускают колено 1 в сосуд с жидкостью и засасывают ее (с помощью груши, водоструйного насоса или иным способом) до отметки М2 резервуара, следя за тем, чтобы в жидкости не образовывалось пузырьков воздуха.

В тот момент, когда уровень жидкости достигнет отметки М2 резервуара 3, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро переворачивают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны конца колена 1 избыток жидкости и надевают на него резиновую трубку.

Вискозиметр устанавливают в термостат так, чтобы резервуар 2 был ниже уровня жидкости в термостате. После выдержки в термостате не менее 15 минут при заданной температуре засасывают жидкость в колено 1 примерно до одной трети высоты резервуара 2. Сообщают колено 1 с атмосферой и определяют время отпускания мениска жидкости от отметки М1 до отметки М2.

Вязкость вычисляют по формуле:

V=(g/9,807) ·T· К,

где К- постоянная вискозиметра (0,03604 мм 2 );

Т – время истечения жидкости (с);

V – кинематическая вязкость жидкости ( мм 2 /с);

G – ускорение свободного падения в месте измерения (м/с 2 ).

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 252 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Что будем искать? Например,Как выбрать незамерзайку

Мы в социальных сетях