4.3.1. Опис експериментальної установки
Принципова схема
установки зображена на рис. 4.5. У
вимірювальному пристрої зразок
дослідження 1, поміщений у вакумуєму
ампулу 2, підвішуються на пружній
вольфрамовій нитці 3. Вигляд ампули із
зразком приведено на рис. 4.6. Товщина
нитки підбирається в межах 40...100 мкм в
залежності від величини вимірювальної
в'язкості. За допомогою цанг (трьохкулачковий
одно або двохсторонній патрон) 4
вольфрамова нитка у верхній частині
кріпиться до гоніометра 5, я
Рис. 4.5. Принципова
схема установки для вимірювання
в'язкості
Рис.
4.6.
Ампула зі зразком
кий забезпечує центровку підвісної
системи відносно нагрівника 6, а в нижній
- з ампулою. Пристрій відліку складається
з дзеркала 7, освітлювача 8 і шкали 9,
виконаної у вигляді частини дуги кола
з центром, який проходить через вісь
підвісної системи. З метою усунення
конвекції повітря в приміщенні вимірний
пристрій оснащений металевим кожухом
10 з віконцем 11
для світлового променя.
Нагрівання зразка регулюється за
допомогою автоматичного потенціометра,
наприклад, типу ЭПВ-2-09,
і магнітного пускача, наприклад, типу
МП. Температура контролюється за
допомогою хромель-алюмедевої або
хромель-копелевоі або іншоі, придатної
до вибраного діапазону нагріву
досліджуваного зразка, термопари 12,
холодні кінці якої поміщені в "0"
- термостат або сосуд Дюара з дистильованою
водою і льодом 13 і потенціометра,
наприклад, ПП-63. Електроживлення
нагрівника установки забезпечується
через силовий автотрансформатор типу
РНО. Зразок і нагрівна система поміщені
всередину статора асинхронного двигуна
14, потужністю 1 кВт, поле якого забезпечує
початковий імпульс крутильним коливанням
зразка при наявності носіїв струму у
ньому, а також проведення визначення
електропровідності безконтактним
способом. Охолоджувач 15, виготовлений
із немагнітного матеріалу (латуні) з
проточною подачею води, поміщається
між тепловим екраном нагрівника і
обмоткою статора. За допомогою вихрового
магнітного поля збуджуються коливання
в системі, а у випадку слабкопровідної
рідини коливання викликаються механічним
впливом.
Варіант конструкції камери віскозиметра приведено на рис. 4.7.
Установка своєю основою 1 спирається на кронштейни, вмуровані в капітальну стіну приміщення лабораторії. Корпус камери 3, оточений кожухом 1 водяного охолодження 4, герметизований гумовими прокладками 2.
Рис. 4.7. Камера віскозиметра для вимірювання
Кінематичної в'язкості
1 - основа камери; 2 - гумові прокладки; 3 – корпус; 4 - кожух водяного охолодження; 5, 13 - кришка; 6, 12 - затискач; 7, 11 - гумові кільця; 8 - металева трубка; 9 - столик; 10 - шарнірне з'єднання; 14 - рухомий шток; 15 -. нитка підвісу; 16 - дзеркало; 17 - шток; 18 - кріплення; 19 - екран; 20 - коаксіальні нагрівні елементи; 21 - тримач; 22 - кришка тигля; 23 – тигель; 24 - термопара; 25 - статор; 26 - котушки; 27 - дно камери; 28 - підставка; 29 - шпилька; 30 – патрубок
Металева труба 8 прикріплена за допомогою гумових кілець 7 і затискача 6 до кришки 5, за допомогою аналогічного затискача 12 з гумовими кільцями 11, шарнірного з'єднання 10 і стояка 9 - до основи 1. Така система еластичного кріплення забезпечує центрування, юстирування приладу і згасання коливань підвісної коливальної системи, дає змогу уникнути негативного впливу вібрації і здійснювати в разі потреби ручний запуск та зупинку крутильних коливань.
На кришці 13, яка герметизує трубу зверху, через рухомий шток 14 закріплена підвісна коливальна система, конструктивні особливості якої залежать від властивостей рідини та умов експерименту. Шток 14 з'єднаний із вольфрамовою ниткою 15 діаметром 0,10...0,12 мм і довжиною 270 мм. До нитки підвішений шток 17, виготовлений з тонкостінної металевої трубки діаметром 4 мм, до верхньої частини якого прикріплено дзеркальце 16, до нижньої - тримач 21. У тримач уміщують тигель 23 з досліджуваною рідиною, накритий кришкою 22. Обертове магнітне поле для дистанційного безконтактного збудження коливань створюється статором 25, який складається з трьох пар котушок 26, що живляться від мережі трифазного струму.
Реєстрацію параметрів крутильних коливань здійснюють за допомогою лазерного променя. Для цього на об'єктиві лазера закріплюється тонка дротинка, зображення якої фокусується лінзою через дзеркальце 16 на екран зі шкалою. Світловий "зайчик" має вигляд кола із темною рискою посередині. Нульове положення "зайчика" встановлюється грубо - за допомогою поворотної герметизуючої гайки 13 і переміщенням шкали на екрані.
Система нагрівання складається з двох молібденових нагрівачів у вигляді коаксіальних циліндрів 20. Для рівномірного розподілу температури та усунення конвективних потоків газу в зоні коливальної системи в камері встановлено ряд теплових екранів 19. Піч і екрани розміщені на підставці 28 з теплоізольованою прокладкою 27. Температура вимірюється термопарою 24. Через трубу 30 відкачується повітря, напускається інертний газ та здійснюється контроль тиску в камері. Вказані конструктивні особливості підвісної системи забезпечують виконання умови, коли значення критерію ξ>10 і умови (4.13), наприклад, дія дослідження в'язкості рідких металів, сплавів та ін. не дуже в'язких рідин.
Є.Г.Швидковський, В.М.Глазов та ін. приводять строгу математичну викладку визначення в'язкості речовин в рідкому стані, коли значення критерію ξ знаходиться в області від 0 до 1,2; від 1,0 до 4,2 та із значенням більшим за 10. Перший (розглянутий вище) і другий інтервал відповідає сильнов'язким рідинам, а із значенням більшим за 10 - рідинам із низькою в'язкістю. Область від 4,2 до 10 відповідає проміжним значенням в'язкості і не піддається розрахунку, внаслідок дуже слабкої залежності ν від δ. Таким чином, фактично є два інтервали значень критерію ξ: від 0 до 4,2 і від 4,2 до ∞ , в межах яких в'язкість може бути врахована за допомогою відповідних рівнянь. При розрахунку підвісної системи використовується критерій ξ, який вираховують за допомогою рівняння (4.8). При цьому необхідно хоча би наближено знати інтервал значень кінематичної в'язкості, в якому будуть проводитись вимірювання. Тоді, задаючись деякими значеннями R і , визначають відповідні крайні значення критерію:
(4.18)
(4.19)
Коли інтервал значень критерію не вкладається в область використання формули (4.9) та двох інших приведених в монографіях Є.Г.Швидковсвкого, В.М.Глазова та ін., тоді, змінюючи величину періоду коливань і радіуса циліндра, одержують таке значення ξmax-ξmin, шоб можна було повністю увійти в одну із розрахункових областей. При виборі радіуса і висоти циліндра необхідно враховувати співвідношення (4.13). При даному значенні R, підвісна система має якийсь момент інерції І, який пов'язаний з періодом коливань наступним співвідношенням:
(4.20)
де N - коефіцієнт жорсткості нитки підвісу:
(4.21)
де G - модуль зсуву матеріалу нитки; D - діаметр нитки; L - довжина нитки.
Підставляючи значення N з (4.21) в (4.20), одержимо:
(4.22)
Момент інерції підвісної системи І визначають за допомогою еталона (здебільше диска із отвором) з відомим моментом інерції (4.14) і (4.15).
Таким чином, період коливань системи пов'язаний із геометричними розмірами нитки підвісу і з параметрами матеріалу, з якого вона виготовлена. Отже, необхідне значення періоду коливань системи можна одержати шляхом підбору відповідної нитки підвісу.
З вище розглянутих методів найбільш зручним і надійним, який дає стабільні, відтворюючі результати при дослідженні досить в’язких речовин, є метод, оснований на вирішуванні внутрішньої гідродинамічної задачі і пов'язаний із вивченням затухаючих коливань циліндра, заповненого досліджуваною рідиною.