Практическая часть

Известны реометры, принцип измерения которых основан на течении Стокса вокруг падающих шариков (табл. 1). Расчет скорости сдвига для падающих шариков в узкой трубе очень сложен, поэтому константы прибора определяют посредством калибровки с помощью жидкости с известной вязкостью.

Таблица 1. Реометры течения Стокса

Реометр	Вид течения	Область применения
Вискозиметр с падающим шариком и широкой трубкой (диаметр шарика во много раз меньше диаметра трубки)	По закону Стокса вокруг шарика	Для прозрачных ньютоновских жидкостей с использованием различных шариков; для неньютоновских жидкостей применение ограничено
Вискозиметр с падающим шариком и узкой трубкой	По модифицированному закону Стокса около шарика в кольцевом зазоре	Для прозрачных и полупрозрачных ньютоновских жидкостей; для лабораторных приборов
Вискозиметр с толкаемым шариком и узкой трубкой	По модифицированному закону Стокса около шарика в кольцевом зазоре	Для ньютоновских и неньютоновских жидкостей; для лабораторных приборов

Способ измерения вязкости с помощью падающего шарика в широкой трубке, реализующий закон Стокса, успешно используется для определения вязкости ньютоновских или слабоструктурированных жидкостей, но не применим для изучения свойств пластично-вязких, структурированных систем.

Слабоструктурированные (условно-ньютоновские и ньютоновские) жидкости – молоко, сливки, концентрированное молоко без сахара.

Вязкопластические жидкости – ряженка, сметана, йогурт, сгущенное молоко с сахаром, творог диетический. Вязкопластическое тело не деформируется при напряжениях, меньших критического значения, а при больших течет как вязкая жидкость.

Упруго-эластичные продукты – плавленый, сычужный, колбасные сыры, сливочное масло.

Шариковые вискозиметры относятся к неоднородным методам исследования и широко используются при работе с однородными ньютоновскими или слабоструктурированными (неньюнотовскими) жидкостями.

Рис.1. Схемы шариковых вискозиметров

Вязкость определяется по времени прохождения шаром измерительного участка определенной длины.

Приборы конструируются по двум основным схемам (рис. 1):

• шар, свободно падающий в вертикальном цилиндре;

• шар, катящийся в наклонном цилиндре.

Недостатком схемы а является то, что при опускании шара в слабоструктурированной жидкости возможно отклонение его от прямолинейного движения, т.е. проявляется так называемое «витание» шара, что может привести к искажению результатов измерений. Поэтому более широкое распространение получили вискозиметры с катящимся шаром (б).

Рис. 2. Шариковый вискозиметр Гепплера

Схема такого примера – вискозиметр Гепплера (рис. 2). В вискозиметре, используется метод измерения вязкости с помощью свободно падающего шарика в трубе заполненной исследуемой жидкостью.

Шарик 2 движется в наклонной трубке, образуя узкую серповидную щель с ее стенкой. У структурированной жидкости при проходе через щель структурные связи разрушаются, поэтому точного воспроизведения результатов в двух последовательных замерах может и не быть.

Шариковый вискозиметр Гепплера, предназначен для определения динамической вязкости ньютовских и слабоструктурированных жидкостей. Прибор не применим для систем, имеющих предельное напряжение сдвига. Его трудно использовать для мутных, непрозрачных и содержащих твердые частицы систем.

Вискозиметр Гепплера (рис. 2) состоит из прецизионной стеклянной трубки (1), шарика (2), цилиндра (3) для термостатирования жидкости, термометра (4), ватерпаса (5), служащего для приведения в горизонтальное положение плоских поверхностей; оси (6) для поворота термостата на 180º и подставки (7).

Прибор проградуирован для измерения вязкости ньютоновских жидкостей в диапазоне от 3·10^–4 до 60 Па∙с.

Порядок работы на вискозиметре Гепплера:

В начале измерений, в прецизионную стеклянную трубку заливается 30 см³ исследуемой жидкости.

В нее опускается один из шариков, которыми укомплектован прибор, предварительно выбранный с учетом вязкости жидкости. Выбор шарика проводится с учетом требования: расстояние между крайними отметками шарик должен проходить в интервале 30-300 с.

Затем, исследуемая жидкость повергается темперированию (выдержке при определенной температуре) в течение 10 мин.

Во время перемещения шарика сверху вниз через исследуемую жидкость отмечают время, за которое он пройдет расстояние между верхней и нижней метками.

Для повторного измерения термостатирующий цилиндр поворачивают на 180º.

Для вычисления динамической вязкости η (Па.с) используют формулу, полученную на основе закона Стокса:

η = К· (ρ_ш – ρ) · t, (1)

где К – константа прибора (дается в паспорте прибора), м²/с²;

ρ_ш – плотность материала шарика, кг/м³;

ρ – плотность жидкости при температуре измерения, кг/м³;

t – время перемещения шарика на участке между метками, с.

Расчет проводят с учетом данных табл. 2.

Таблица 2. Основные характеристики вискозиметра Гепплера

Номер шарика	Диаметр, D·103, м	Масса, M·103, кг	Плотность, рш, кг/м3	Постоянная шарика, К·106	Пределы измерения вязкости, Па·с
1	15,805	4,9692	2404	0,009747	(0,3 5)·10-3
2	15,630	4,8338	2418	0,080	(3 30)·10-3
3	15,452	15,6567	8110	0,234	(15 150)·10-3
4	15,385	15,0490	8110	0,555	0,115-1,15
5	15,248	12,6496	8120	3,850	1-10
6	11,805	6,9910	8120	27,400	6-60

Размеры шариков выбраны так, чтобы каждая область измерения перекрывалась соседней примерно на 30 %. Время падения шарика должно составлять 30-300 с.

Из шариковых вискозиметров, выпускаемых промышленностью, вискозиметры Гепплера получили наиболее распространены. Хотя закон Стокса, которым описывается движение шарика, здесь соблюдается частично, они позволяют довольно точно измерять вязкость.

Трудность использования шариковых вискозиметров для реологических исследований структурированных жидкостей, заключается в том, что для получения кривой течения необходимо проведение серии измерений с использованием шаров различного диаметра, а при исследовании тиксотропных жидкостей возможны большие погрешности из-за неравномерности скорости шара по длине измерительного участка.

Одной из трудностей применения шариковых вискозиметров является то, что при воздействии падающего шара на продукт реологические свойства последнего меняются, вследствие чего результат каждого последующего наблюдения отличается от предыдущего.

Об окончании измерения судят по достижению разницы между двумя последующими результатами наблюдений не более 1 с. Например, для сгущенного молока это достигается после проведения 10–15 наблюдений, что говорит о продолжительности испытания.

В настоящее время выпускаются также промышленные шариковые вискозиметры, в которых используется метод измерения, заключающийся в удержании шарика в определенном положении в перемещающейся относительно него анализируемой жидкости, что достигается путем автоматического регулирования скорости движения жидкости при изменении ее вязкости. Подобные приборы, предназначенные для непрерывного измерения вязкости, могут использоваться в производстве томатных соков, сгущенных молочных продуктов и т.п. Предел измерения приборов от 0,5 Па·с до 2,5 Па·с.