Общий обзор методов вискозиметрии

Вискозиметрия основана на законе вязкости Ньютона. Из него следует, что для определения вязкости необходимо измерить напряжение, которое сообщает слою жидкости некоторую скорость по отношению к другому слою, находящемуся от первого слоя на определенном расстоянии. На практике удобнее задавать постоянное напряжение и наблюдать скорость относительного движения. При этом можно определять скорость движения жид­кости по отношению к неподвижному твердому телу или скорость движения твердого тела

в неподвижной жидкости. Оба эти принципа нашли применение при конструировании вискозиметров. Приборы с неподвижными стенками представлены капиллярными вискозиметрами. Примером второго типа вискозиметров могут служить приборы с падающим шариком.

Первый вискозиметр был предложен еще в1752 г. М. В. Ломоносовым [1]. Вязкость в этом приборе (рис.5) измерялась по скорости протека­ния жидкости через зазор между стенками воронки и вставленным в нее шаром. Величину зазора можно было регулировать, поднимая или опуская шар. Воронка наполнялась до постоянного уровня из специального резервуара, что обеспечивало постоянное гидростатическое давление на жид­кость в зазоре, а следовательно, и постоянное на­пряжение. Скорость течения измерялась числом капель, падающих из воронки за единицу вре­мени. Прибор Ломоносова включал многие основ­ные элементы современных вискозиметров.

В восьмидесятых годах прошлого столетия Ф. Н. Шведов [3] разработал оригинальный метод определения реологических параметров диспер­сных систем по закручиванию цилиндра, подве­шенного на упругой нити и погруженного в жидкость. Прибор Шведова был одним из пер­вых вискозиметров с коаксиальными цилиндрами. В последнее время этот прибор усовершенствован в лаборатории П. А. Ребиндера.

Возникновение нефтяной вискозиметрии связано с именем Н. П. Пет-

юва [2]. В конце прошлого столетия он провел обширные и очень тщательные измерения вязкости ряда минеральных и растительных масел с помощью сконструированного им капиллярного прибора (рис. 6). В это же время С. Ламанский [4] предложил специальный вискозиметр для масел, имеющий ряд преимуществ по сравнению с появившимся позднее вискозиметром Энглера.

Рис.5. Прибор Ломоносова для определения вязкости жидкости (1752 г.)

В настоящее время число вискозиметров различной конструк­ции весьма велико, и их количество продолжает расти. Только в нефтяной вискозиметрии применяется или применялось около 200 приборов. Такое значительное число вискозиметров объяс­няется разнообразием задач вискозиметрии и различием свойств исследуемых жидкостей и пластичных тел.

Рис. 6. Схема капиллярного вискозиметра Н. П. Петрова.

Невозможно создать универсальные вискозиметры или пластометры, одинаково при­годные для всех случаев.

По принципиальным особенностям конструкции приборы для измерения вязкости делятся на следующие типы:

1) капиллярные вискозиметры; 2) ротационные вискозиметры, или приборы с коаксиальными цилиндрами; 3) вискозиметры с па­дающим шариком; 4) маятниковые вискозиметры; 5) вискозиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками; 6) при­боры, основанные на принципе сдувания тонкого слоя жидкости; 7) вискозиметры, основанные на других принципах.

Наиболее распространены капиллярные вискозиметры. Подан­ным М. П. Воларовича [5], около 80% всех измерений вязкости производится с их помощью. Эти приборы отличаются простотой, требуют малого количества жидкости, дешевы и дают достаточно точные результаты. К числу их недостатков относится невозможность измерения вязкости очень вязких жидкостей.

Второе место занимают ротационные вискозиметры. Эти при­боры обеспечивают однородное поле напряжения в жидкости и позволяют измерять вязкость с высокой точностью. Сложность конструкции ротационных вискозиметров ограничивает их применение. К недостаткам их следует также отнести накопление в деформируемой жидкости диссипированного тепла. В капиллярных приборах это тепло уносится вместе с протекающей жидкостью.

Ротационные вискозиметры применяются преимущественно для измерения вязкости дисперсных систем и высоковязких жидкостей и дополняют капиллярные приборы.

К простым приборам относятся также вискозиметры с пада­ющим шариком, но с их помощью можно получить хорошие результаты только у вязких и вполне однородных жидкостей.

Для измерения пластичности и вообще реологических свойств веществ, наряду с вязкостью необходимо определять предельные напряжения сдвига и модули упругости. Принципиально такие измерения могут производиться в вискозиметрах всех перечислен­ных групп, но в то время как при вискозиметрии измеряют значи­тельные деформации (например, протекание всего исследуемого объема)жидкости через капилляр), при определении модуля упру­гости и предельного напряжения сдвига наблюдают малые дефор­мации. Для измерений малых деформаций более удобны виско­зиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками и ротационные вискозиметры.

Если при определении вязкости жидкостей наблюдают только скорость деформации при постоянном напряжении, то при изу­чении пластичных тел измеряют также силу, вызывающую начало течения, и размер деформации при различных нагрузках ниже предела текучести. Отличие пластометров от вискозиметров заклю­чается в том, что первые снабжены приспособлениями для варьи­рования напряжения. Вискозиметры для исследования аномалии вязкости имеют устройства для изменения скорости течения жид­кости (в частности, капиллярные вискозиметры — установки для изменения разности давлении на концах капилляра).

В нефтяной вискозиметрии капиллярные приборы являются основным типом вискозиметров для светлых нефтепродуктов и минеральных масел при положительных температурах. При низких температурах для масел применяют как капиллярные, так и ротационные вискозиметры.

М. П. Врларович [17] считает, что для моторных масел Капил­лярные вискозиметры могут применяться лишь до -10 ÷ 20°, так как при более низких температурах масла обладают слишком высокой вязкостью .для приборов этого типа. В. Л. Вальдман и A. М. Фомина [16] нашли, что масла с вязкостью Е₅₀ = 12—20 можно исследовать в капиллярном вискозиметре Пинкевича до -15° и масла с Е₅₀ = 5—10 до —30°. Эти авторы установили также, что для масел с Е₅₀ < 6° кривые , полученные в капиллярных и ротационных вискозиметрах, совпадают до тем­ператур порядка —30°. У масел с вязкостью Е₅₀ = 10—15 вяз­кость, полученная обоими методами, совпадает до температур порядка —10°.

Для изучения консистентных смазок и битумов пользуются преимущественно приборами со смещающимися цилиндрами и пластинками, ротационными вискозиметрами и вискозиметрами с падающими шариками. В последнее время Г. В. Виноградов и В. П. Павлов [18] сконструировали капиллярный вискозиметр для консистентных смазок.

Кроме физически обоснованных вискозиметров, в нефтяных лабораториях сохранились вискозиметры, устройство которых основано на условных

технических методах оценки реологиче­ских свойств. Некоторые из них, как, например, методы определе­ния температуры застывания или каплепадения, предназначены для определения температуры изменения свойств нефтепродуктов. Другие позволяют сравнивать свойства испытуемых веществ с известными или эталонными продуктами. Многие из этих методов страдают существенными дефектами. Так, в вискозиметре Энглера не всегда обеспечивается ламинарное течение, в приборах для определения температуры застывания недостаточно определено напряжение, да и вообще неясно, наблюдается ли предел теку­чести или высокая вязкость. Одна из наиболее актуальных задач нефтяной вискозиметрии заключается в замене определения вяз­кости при помощи условных методов определением простыми, физически обоснованными приборами.

Сложность реологических свойств смазок, масел и топлив при низких температурах, а также недостатки условных технических вискозиметров и пластометров привели к тому, что для оценки механических свойств этих нефтепродуктов в условиях эксплу­атации были предложены специальные приборы, представляющие собой модели масляных систем двигателей или других механизмов или непосредственно части этих систем. К ним относятся приборы В. К. Лимаря и В. Г. Сидорова [6], К. С. Рамайя [7] и В. В. Соко­лова [8] для определения прокачиваемости масел при низких тем­пературах, установка Д. Л. Гольдштейна, 3. В. Векслера и Г. Е. Журавлева [9] для определения нижнего температурного предела эксплуатации дизельных топлив и кинематические пары поршень-цилиндр и вал-подшипник, применявшиеся М. П. Вола-ровичем [19, 20] для исследования минеральных масел при низких температурах.

Вискозиметры, позволяющие измерять вязкость в абсолютных единицах (пуазах и стоксах), делятся на первичные и вторичные. В первичных вискозиметрах весьма точно определяются размеры прибора, объем протекшей жидкости и напряжение. Они служат для измерения вязкости первичных (калибровочных) жидкостей и для весьма точных измерений вязкости остальных жидкостей.

Абсолютные вискозиметры довольно сложны по устройству и применяются главным образом для специальных физико-хими|ческих исследований. Для практических целей пользуются вторичными вискозиметрами, в которых вязкость измеряется путем сравнения скорости течения испытуемой жидкости с эталонной, вязкость которой измерена в первичном вискозиметре.

Основными калибровочными жидкостями служат вода, касто­ровое масло, раствор сахара в воде, некоторые индивидуальные органические соединения и минеральные масла.