Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

метра определенного объема жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20 .

Вязкость изменяется в широких пределах (при 50 1,2÷55·10–6 м2/с) и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальтеново-смолистых веществ).

Приборы, предназначенные для измерения вязкости, называются вискозиметрами. Раздел науки, изучающий измерения с помощью вискозиметров, получил название вискозиметрии.

Косновным методам вискозиметрии относятся:

капиллярный,

вибрационный,

падающего шарика (метод Стокса),

ротационный,

ультразвуковой.

Капиллярный метод вискозиметрии. Метод капиллярной вис-

козиметрии 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:

где 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.

Рис. 6.7 — Принцип работы капиллярных вискозиметров

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 динамиче-

ской 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 неопределенной кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:

где h — коэффициент, стремящийся к единице; d — плотность исследуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовем 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' (длину капилляра вискозиметра):

где 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 высокотемпературных 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 отсчета времени, а

также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

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).

Введем 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 0sin( ). 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 (фи)

= /2 .

Рис. 6.8 — Принцип работы вибрационного высокотемпературного вискозиметра

Для измерения вязкости менее вязких сред, например металлических расплавов, наиболее подходящим является амплитудно-резо- нансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путем 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:

Это основная формула вибрационного метода вискозиметрии. Градуировка вискозиметра производится по известным жидко-

стям (именно определяются постоянные С1, С2).

Метод падающего шарика вискозиметрии (метод Стокса).

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; — 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: ≥ 0,6 / (соотношение вискозиметра Гепплера).

Рис. 6.9 — Принцип работы вискозиметра с падающим шариком