4 Рис. 4.2. Віскозиметр .1.1. Опис експериментальної установки

Для вимірювання умовної в'язкості використовують прилад типу BУ або ВЗ, приведений на рис. 4.2. Він складається з резервуару 1, який переходить в нижній частині в конус із роз'ємним соплом 2, на внутрішній стінці резервуара по обвідній нанесена риска - як показник рівня рідини і для горизонтального встановлення віскозиметра. Резервуар 1 вміщений в посудину 3, що відіграє роль термостатуючої оболонки, заповнену водою або маслом - 4. Після заповнення віскозиметра досліджуваною рідиною 5 і встановлення необхідної температури, систему закривають кришкою 6 із двома отворами, в один вміщують термометр 7, а в другий - стрижень-фіксатор 8, який перекриває отвір сопла 2. Віскозиметр встановлюється на триногу 9, що має наконечники з різьбою, за допомогою яких можна встановити прилад горизонтально.

Принцип дії віскозиметра полягає у визначенні часу витікання певного об'єму рідини через сопло при заданій температурі.

4.2. Дослідження в’язкості рідин методом Пуазейля і Стокса

До стаціонарних методів досліджень в’язкості рідин належать методи Пуазейля і Стокса (капілярний метод, метод падаючої кульки та ін.).

В методах капілярного витікання використовується закон Пуазейля для випадку стаціонарної течії в'язкої рідини по капіляру при ламінарному потоці без врахування краєвих ефектів і витрати енергії тиску:

(4.6)

де R – радіус капіляра; L – його довжина; ΔР – різниця тисків на кінцях капіляра, яка відраховується від одного і того ж рівня; V- об’єм рідини, яка протікає через капіляр в одиницю часу.

Метод позбавлений коректної теоретичної основи – не вказує в який спосіб потрібно враховувати краєві ефекти на кінцях капіляра: поправку на довжину, зумовлену початковою ділянкою і поправку на зміну кінетичної енергії рідини при переході від нульової швидкості у верхньому резервуарі до відмінної від нуля швидкості в капілярі. Практичні труднощі пов'язані з вибором матеріалу для капіляра, технологією його виготовлення і способом точного відрахунку вимірювання рідини при непрозорих стінках приладу.

Широкого застосування набуло вимірювання в’язкості рідини при різних температурах за допомогою віскозиметрів типу ВПЖ, які ґрунтуються на законі Пуазейля, тобто у віскозиметрі рідина витікає через капілярну трубку.

Метод Стокса або падаючої кульки у в’язкому середовищі найбільш досконалий в теоретичному плані. Коефіцієнт в'язкості η із врахуванням краєвих ефектів визначається за формулою:

(4.7)

де v - швидкіcть рівномірного руху кульки радіуса r; і - густина кульки і рідини відповідно; R – радіус циліндричної посудини, по осі якої у в'язкій рідині рухається кулька; L – довжина поcудини; g – прискорення вільного падіння.

Установка (рис. 4.3) для визначення коефіцієнта в’язкості рідини методом Стокса - це прозора циліндрична посудина, закріплена на штативі. Зверху посудина закрита кришкою з отвором, до якої прикріплений пристрій для виймання кульки. На стінці посудини нанесено чотири мітки. Відстань між мітками дорівнює 1,5...2,0 см, а між поверхнею рідини і верхньою міткою 10...12 см. Перша верхня і перша нижня мітки - попереджуючі, друга верхня і друга нижня - основні.

Рис. 4.3. Схема установки для вимірювання в’язкості рідин методом Стокса

Рис. 4.4. Установка для вимі-рювання в’язкості непрозо-рих рідин:1 - індикатор; 2 - трансформатор

Для обчислення коефіцієнта в’язкості рідини визначають радіус кульки за допомогою вимірювального мікроскопа або мікрометра; густину матеріалу кульки, знайшовши попередньо її масу зважуванням на аналітичних терезах; густину рідини - за допомогою денситометра або пікнометричним методом; внутрішній діаметр (радіус) посудини - за допомогою штангенциркуля; відстань між другою верхньою і другою нижньою мітками на посудині - за допомогою мірної лінійки; час, за який кулька проходить відстань L - за допомогою електричного секундоміра, який включається в момент проходження її через другу верхню мітку і виключається в момент проходження її через другу нижню мітку; швидкість руху кульки в рідині - шляхом обчислень. Установка дає змогу проводити також вимірювання для непрозорих рідин із застосуванням індукційного методу відліку часу проходження залізних кульок через відповідні датчики.

На верхньому і нижньому кінцях віскозиметра Стокса (рис. 4.4) намотують однакові котушки з двома обмотками. Зовнішні обмотки n₁ з'єднані послідовно і увімкнені у вторинну обмотку знижувального трансформатора. Щільно намотані внутрішні обмотки n₂ також з'єднані послідовно, але на відміну від зовнішніх розміщені так, щоб індуковані в них електрорушійні сили взаємно компенсувались. Якщо обидві внутрішні котушки тотожні, то приєднаний до їх кінців індикатор 1 внаслідок повної компенсації вказує на відсутність струму (стрілка приладу знаходиться на "0"). При проходженні залізної кульки компенсація порушується і індикатор виявляє наявність струму. При сигналі 10^-8В за допомогою електронного секундоміра, який підключають замість індикатора, можна визначити час проходження кульки між котушками (між їх початками або між серединами).

Труднощі використання метода зумовлені великими розмірами приладу, який потребує значної кількості досліджуваної рідини, а разом із цим її рівномірного нагрівання і терместатування по всьому об'ємі, необхідністю точного виготовлення кульок досить малого діаметра і спостереження за їх рухом з фіксованим положенням проходження. У модифікованому віскозиметрі Гепплера робоча частина установки (прозора трубка із досліджуваною рідиною і кулькою) може займати звичайне і перевернуте положення при одночасному термостатуванні, що має певну зручність.