9. Приборы для измерения вязкости жидкостей

8.1. Основные сведения

Приборы для измерения вязкости жидкостей — вискозиметры — получают все большее распространение для анализа состава и свойств различных пищевых продуктов, так как для многих из них вязкость представляет собой параметр, определяющий качество и состав.

Для жидкостей характерна динамическая вязкость — величина, равная отношению силы внутреннего трения, действующей на по­верхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя.

Единица динамической вязкости носит название паскаль-секунда.

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, т. е. имеющие ли­нейную зависимость вязкости от скорости сдвига, называются нью­тоновскими. Существуют также жидкости, для которых эта зави­симость нелинейна. Такие жидкости называются неныотоновскнми. Очень многие жидкости пищевой промышленности относятся имен­но к этому классу жидкостей. Это многие коллоидные растворы, опара, тесто, шоколадные и кондитерские массы, фруктовые пасты и начинки п др.

Кинематическая вязкость (в м²/с) представляет собой отноше­ние динамической вязкости к плотности жидкости:

В пищевой промышленности вязкость часто измеряется в ус­ловных единицах, которые представляют собой отношение време­ни истечения определенного объема анализируемой жидкости ко времени истечения того же объема дистиллированной воды:

градусы

В настоящее время наибольшее распространение получили ме­ханические и акустические вискозиметры. В зависимости от режи­ма работы вискозиметры могут быть циклического и непрерывного действия, по функциональному назначению — показывающими, ре­гистрирующими, бесшкальными и др.

При измерении вязкости жидкостей следует иметь в виду зна­чительное влияние на нее температуры, что требует введения со­ответствующих поправок.

8.2. Механические вискозиметры

Принцип действия механических вискозиметров основан на за­висимости выходных сигналов от молекулярно-механических свойств анализируемой жидкости, а также на зависимости этих сигналов от молекулярно-механических явлений, протекающих в контролируемой жидкости. Механические вискозиметры предназ­начены для измерения вязкости различных жидкостей и их струк­турно-механических свойств. Они подразделяются на капиллярные, шариковые, ротационные и вибрационные, каждый из которых име­ет определенную, весьма широкую область применения.

8.2.1. Капиллярные вискозиметры

Капиллярные вискозиметры, пли вискозиметры истечения, полу­чили широкое распространение в лабораторной практике благода­ря высокой точности, широкому диапазону измерений и сравнитель­ной простоте. В последние годы появились капиллярные вискози­метры, предназначенные также для автоматического контроля и регулирования вязкости в ходе технологических процессов. Исполь­зуются они чаще всего для контроля вязкости относительно чистых и однородных жидкостей, не содержащих крупных взвешенных частиц и газовых включений, например негазированных вин и фрук­товых вод, водно-спиртовых растворов и т. п.

Действие капиллярных вискозиметров основано на использова­нии закона Пуазейля для истечения жидкости из капиллярных трубок, который записывается в следующем виде:

,

где — объемный расход жидкости, вытекающей из трубки, м³/с; — диаметр трубки, м; — динамическая вязкость жидкости, ; — длина трубки, м; — разность давлений между концами трубки, Па.

При постоянном значении величин и формула для опре­деления вязкости принимает вид

.

Таким образом, измерение вязкости сводится к измерению пе­репада давления между концами капиллярной трубки, через кото­рую протекает анализируемая жидкость. При этом истечение жид­кости может происходить под действием силы тяжести или внешнего давления из цилиндрических трубок круглого сечения, а также из плоских щелей произвольной формы. Известны также капилляр­ные вискозиметры, в которых измеряется время истечения постоян­ного количества анализируемой жидкости т. В этом случае дина­мическая вязкость .

Рис.8.1. Структурная схема Рис.8.2 .Функциональная схема автоматического капиллярного вис- вискозиметра для

козиметра высоковязких продуктов

В автоматическом вискозиметре (рис. 8.1) анализируемый продукт от точки отбора пробы 1 насосом 2 подается через зме­евик 3 и регулятор расхода 5 в измерительный капилляр 6. Основ­ные части прибора помешены в термостат 9 с мешалкой 13, обычно заполняемый маслом. Привод мешалки осуществляется электро­двигателем 4. Температура в ванне термостата измеряется термо­метром 10 и поддерживается постоянной с помощью терморегуля­тора 11, управляющего нагревателем 12. Перепад давления па капиллярной трубке измеряется с помощью дифманометра 7, по­казания от которого передаются на вторичный прибор 8, отгра­дуированный в единицах вязкости. Точность измерений определя­ется в основном точностью поддержания расхода анализируемой жидкости и ее температуры. Диаметр d и длина l капиллярной трубки выбираются в зависимости от пределов измерения и рода анализируемой жидкости.

Имеется ряд конструкций капиллярных вискозиметров, постро­енных по указанной схеме. Пределы измерения их от 0,001 до 10 Па-с. Погрешность измерения вязкости лабораторными прибо­рами ±0,3%,. автоматическими приборами ±1—2,5%.

Для исследования реологических свойств высоковязких продук­тов (патоки, масел, теста) применяются специальные вискозиметры (рис.8.2). Внутри массивного корпуса 5 с постоянной скоростью вращается червяк 6 и продавливает испытуемый продукт из сосу­да 4 в измерительную трубку 2 и через выходной вентиль 1 в на­ружный приемный трубопровод или приемную емкость. Высота подъема анализируемого продукта в измерительной трубке 2 служит мерой его вязкости и отсчитывается по шкале. Термометр 3 служит для контроля температуры и введения соответствующих поправок. Погрешность измерения подобными устройствами ±5°/_с