Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

Для простоты рассматривают инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутреннее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. При этом внутреннее тело обычно называют ротором ротационного вискозиметра, и в качестве ключевых обозначений используют следующие:

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 закрепленная 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:

(2−2 ) 2

= 2 21 2 (6.10)

41 ∙232

где k — постоянная ротационного вискозиметра.

Эта формула называется формулой вязкости ротационного метода вискозиметрии.

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

Указанную формулу называют формулой вязкости ротационного вискозиметра.

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 уль-

тразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнитострикционного материала, называемую зондом вискозиметра. На нее 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 определенного 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.

Средства измерения вязкости (вискозиметры). Классифика-

ция вискозиметров:

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

по свойствам исследуемой вязкой среды различают уни-

версальные вискозиметры и специальные (т. е. предназначенные для измерения вязкости сред с определенными заранее известными свойствами, например ньютоновских жидкостей);

по методу вискозиметрии различают капиллярные, вибрационные, ультразвуковые, ротационные, пузырьковые, вискозиметры

спадающим шариком;

по точности измерений различают высокоточные вискозиметры и даже т. н. образцовые вискозиметры;

по области применения различают промышленные, лабораторные, медицинские и полевые вискозиметры.

Вискозиметр вибрационный. Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет из себя 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 мо-

жет быть применен 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% [59].

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.

Рис. 6.12 — Вискозиметр Гепплера со «скользящим» шариком серии VISCO BALL (Испания)

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 вискози-

метры используются для измерения вязкости различных сред и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах 1–3%. Вискозиметр Гепплера, снабженный термостатирующей баней, часто характеризуется как универсальный высокотемпературный вискозиметр

[50].

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

Рис. 6.13 — Поточный вискозиметр Брукфильда XL–7 [51]

Вискозиметр капиллярный. Капиллярный вискозиметр представляет собою один или несколько резервуаров данного объема 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 расчеты ведутся на основании закона Пуазейля.

Капиллярный вискозиметр за счет простоты устройства и возможности получения точных значений вязкости нашел широкое распространение в вискозиметрии жидкостей (масел, расплавов). Не-