Курсовая работа (т): Методы и средства для измерения вязкости жидкости

Рис. 3

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 сильновязких 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).

.3 Метод падающего шарика вискозиметрии

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; р_о - 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:

.

Рис. 4

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.

3.4 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 вискозиметра 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, внутреннее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Рис. 5

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 среды; 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 вискозиметра) 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:

. проводится измерение момента для жидкостей с различным значением вязкости (η1 и η2) при 2 различных высотах внутреннего цилиндра (L₁ и L₂);

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

. H=L+∆L. Эффективную высоту ротационного вискозиметра H подставляют в уравнения.

.5 Ультразвуковой метод вискозиметрии

Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнитострикционного 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 скоростью, 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.

4. Классификация вискозиметров

по температуре исследуемой среды различают: высокотемпературные вискозиметры и вискозиметры, изготовленные из нетермостойких материалов;

по свойствам исследуемой вязкой среды различают: универсальные вискозиметры и специальные (т.е. предназначенные для измерения вязкости сред с определёнными заранее известными свойствами, например ньютоновских жидкостей);

по методу вискозиметрии различают: капиллярные, вибрационные, ультразвуковые, ротационные, пузырьковые, вискозиметры с падающим шариком;

по точности измерений различают: высокоточные вискозиметры и образцовые вискозиметры;

по области применения различают: промышленные, лабораторные, медицинские вискозиметры;

есть и такой вид вискозиметра, как полевой, - вискозиметр примитивной конструкции.

Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет собой резервуар с вязкой жидкостью и некоторое тело (пластина, шар, цилиндр), называемое зондом вискозиметра, которое производит вынужденные колебания в вязкой среде.

Сущность эксперимента заключается в определении изменений параметров вынужденных колебаний зонда вискозиметра при погружении его в вязкую среду. Руководствуясь теорией метода вибрационной вискозиметрии, по значениям этих параметров определяют вязкость среды.

Вибрационный вискозиметр имеет значительно большую, по сравнению с ротационными вискозиметрами, чувствительность и также может быть применён для сред температурой до 2000°C в инертной атмосфере или вакууме при наличии как больших, так и сравнительно малых масс расплавов.

В настоящее время для измерения динамической вязкости широко применяют электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды. Вибрационные высокотемпературные вискозиметры с электронным дистанционным управлением могут использоваться в условиях агрессивных средств.

Относительная погрешность измерений при использовании вибрационного вискозиметра составляет ±0,5-1%. При работе расплавами в интервале 700-1900°C общая погрешность вискозиметра увеличивается и может составить ±3-5%.

Рис. 7 Вискозиметр Гепплера.

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.

Вискозиметр Брукфильда.

Вискозиметр Брукфильда - высокоточный прибор для поточного измерения вязкости сред. Поточные промышленные вискозиметры Брукфильд используют в своём устройстве ротационный метод вискозиметрии и широко применяются на нефтяных и газовых скважинах, где необходим непрерывный контроль вязкости сред.

Вискозиметр капиллярный.

Капиллярный вискозиметр представляет собой 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.

Капиллярный вискозиметр за счёт простоты устройства и возможности получения точных значений вязкости нашёл широкое распространение в вискозиметрии жидкостей (масел, расплавов). Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами. Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточно 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.

Относительная погрешность измерений при использовании капиллярного вискозиметра составляет 0,1-2,5%

Вискозиметр ротационный.

В вискозиметре ротационном исследуемая вязкая среда помещается в зазор между двумя соосными телами правильной геометрической формы (цилиндры, конусы, сферы или их сочетания). Одно из тел, называемое ротором, приводится во вращение с постоянной скоростью, другое остаётся неподвижным. Принцип действия вискозиметра ротационного основывается на нескольких положениях. Вращательное движение от одного тела (ротора) передается жидкостью к другому телу. Теория ротационного метода вискозиметрии предполагает отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей тел. Следовательно, момент вращения, передаваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости жидкости.

Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении крутящего момента при заданной угловой скорости или по угловой скорости при заданном крутящем моменте. Для этих целей вискозиметр ротационный снабжён динамометрическим устройством. Устройства, применяемые в вискозиметрах ротационных для измерения моментов и угловых скоростей, подразделяются на: механические и электрические. Дальнейшие расчёты ведутся на основании теории метода ротационной вискозиметрии.

Рис. 8

В настоящее время наиболее распространены вискозиметры электро-ротационные: внутренний цилиндр, погруженный в вязкую среду, приводится во вращение электродвигателем. Вращающийся с постоянной скоростью ротор вискозиметра при погружении в жидкость или расплав встречает сопротивление равномерному вращательному движению, на валу двигателя возникает тормозящий момент, прямопропорциональный вязкости среды, что вызывает соответствующее изменение электрических регистрируемых характеристик двигателя.

Следует отметить важную особенность вискозиметров ротационных: выполненный из термостойких материалов вискозиметр ротационный может представлять собой высокотемпературный вискозиметр.

Вискозиметры ротационные используются для измерения вязкости сред при температурах от -60°C (масла) до +2000°C (расплавы металлов и силикатов) и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах ±3-5%.

Рис. 9 Чашечные вискозиметры.

Чашечные вискозиметры - приборы для измерения вязкости жидких сред, выполненные в форме воронки (или чашечки) и использующие в своём устройстве капиллярный метод вискозиметрии.

5. Применение вискозиметров

Области применения вискозиметров чрезвычайно разнообразны.

В медицине используются капиллярные вискозиметры (вискозиметр ВПЖ, ВНЖ, ВК-4). Так, например, острую актуальность имеет измерение вязкости человеческой крови. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Многие инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие, например, брюшной тиф и туберкулез - значительно уменьшают. Любое изменение вязкости крови сказывается на РОЭ. Определение вязкости крови во взаимосвязи с рядом других анализов позволяет объективно оценить состояние человеческого организма. Вязкость крови в лабораторных условиях может быть определена и при помощи метода падающего шарика вискозиметрии.