2. Капиллярные вискозиметры

1. Типы капиллярных вискозиметров. Капиллярные вискози­метры состоят из трех основных частей: резервуара для испытуе­мой жидкости, тонкой трубки-капилляра и приемника для жид­кости после капилляра. Напряжение, обусловливающее течение жидкости, зависит от радиуса и длины капилляра и разности давления, приложенной к его концам. Источником давления слу­жит вес столба испытуемой жидкости в приборе (гидростатическое давление) или внешнее давление, подаваемое на мениск жидкости в вискозиметре, или сочетание обоих видов давления.

Во многих случаях капиллярные вискозиметры выполняются в виде стеклянной U-образной трубки, в одно колено которой впаяны резервуар (расширение с мешками на концах) и капилляр, а в другое - приемник. Распространены также пипеточные виско­зиметры. У этих приборов капилляр введен в нижнюю трубку пипетки, а расширение является резервуаром. Приемники пипеточных вискозиметров имеют разнообразную форму. Эти приборы не имеют каких-либо существенных преимуществ перед U-образ-ными вискозиметрами, а некоторые из них (например, вискозиметр Барра —английский стандартный вискозиметр) сложны в изго­товлении.

В зависимости от положения капилляра различают вискози­метры с вертикальными, горизонтальными и наклонными капил­лярами. Более распространены первые, так как они отличаются компактностью и удобны для термостатирования. Однако многие вискозиметры для точных измерений вязкости маловязких жид­костей и жидкостей, обладающих аномалией вязкости, имеют горизонтальные капилляры.

Измерение вязкости в капиллярных приборах основано на формуле Пуазейля, связывающей вязкость с расходом продукта. В большинстве вискозиметров расход измеряется по времени исте­чения определенного объема жидкости из резервуара через капил­ляр в приемник. Реже измеряют объем вытекающей жидкости за единицу времени. Особую группу капиллярных приборов соста­вляют вискозиметры постоянного расхода, в которых задается расход и измеряется соответствующее ему давление. Последние приборы применяют для вискозиметрических исследований пла­стичных тел [12], в частности консистентных смазок [13, 18].

Капиллярные вискозиметры с постоянным давлением, как правило, выполняются из стекла, капиллярные вискозиметры постоянного расхода —из металла и стекла.

Рис.7 Капилярные вязкозиметры

3. Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры или вискозиметры с коаксиаль­ными цилиндрами состоят из двух соосных вертикальных цилинд­ров, между которыми помещается испытуемая жидкость. Электро­мотором или падающим грузом один из цилиндров приводится во вращение. Исследуемая жидкость оказывает вязкое сопротивление его вращению и передает движение второму цилиндру. У некоторых типов приборов вращается внутренний цилиндр, а у других — внешний.

В зависимости от способа монтирования второго цилиндра ротационные

вискозиметры делятся на две группы: с неподвиж­ным цилиндром и торсионные вискозиметры.

В приборах с одним неподвижным цилиндром вязкость испы­туемой жидкости определяется по скорости вращения подвижного цилиндра при заданном крутящем моменте или по величине кру­тящего момента, вызывающего заданную скорость. Вязкость вы­числяется по формуле

;

где К — постоянная прибора; М = rt — крутящий момент; Ω— угловая скорость.

У торсионных вискозиметров внутренний цилиндр подвешен на упругой нити. Движение жидкости вызывает закручивание цилиндра на угол, при котором момент упругих сил, возника­ющих при закручивании нити, уравновешивается моментом сил внутреннего трения вращающейся жидкости. Угол поворота цилиндра φ измеряется. Если Ω — угловая скорость вращения внешнего цилиндра; К—постоянная для подвеса, зависящая от его упругости; С —постоянная вискозиметра, определяющаяся геометрическими размерами прибора, то вязкость испытуемой жидкости вычисляется по формуле:

.

Постоянные ротационных вискозиметров определяются обмером или калиброванием эталонными жидкостями.

Как правило, ротационные вискозиметры выполняются из металла. Важ­ным условием точных и воспроизводимых измерений вязкости является по­стоянное и возможно меньшее трение цилиндров и других движущихся дета­лей в опорах. Вращающийся цилиндр устанавливается на шариковых под­шипниках. Для устранения скольжения испытуемого материала по стенкам цилиндров внутренние их поверхности иногда делают ребристыми, либо с продольной насечкой.

Наибольшие трудности при изготовлении и применении ротационных | вискозиметров возникают вследствие необходимости вносить поправки на дно внутреннего цилиндра. Самый простой, но недостаточно точный способ заключается в том, что дно цилиндра делают слегка вогнутым. При погруже­нии цилиндра в жидкость в вогнутости остается воздух и трение дна уменьшается. Отдельные авторы помещали под дно внутреннего цилиндра маловязкую жидкость, например ртуть. Куэтт [47] и Гатчек [48, 55] монтировали внутренний цилиндр между специальными охранными кольцами, уменьшаю­щими турбулентность от его концов. М. П. Воларович [46] пользовался длин­ными и узкими цилиндрами, чтобы относительная ошибка от трения дна была невелика. В других своих приборах он применял сферическое дно [53]. Теория трения

полушарий достаточно разработана [51, 54]. Унгер [50] построил ротационный вискозиметр, в котором цилиндры были заменены вставленными одно в другое полушариями разного радиуса. Муней и Юарт [49] придали дну цилиндров своего прибора коническую форму. Зазор между конусами они выбрали таким, чтобы для каждой точки его отношение к расстоянию от оси вращения было постоянным. Такие вискозиметры называют коницилиндрическими.

А. Ф. Добрянский, А. П. Сиверцев и И. Я. Фридман [60] применили для исследования вязкости минеральных масел при низких температурах i прибор с очень малым зазором между цилиндрами, что позволило не запол­нять дна прибора жидкостью и тем самым исключить поправки на дно. Ана­логичный принцип использован Заалем и Коэнсом [59] в приборе для иссле­дования битумов.

s Следует, однако, отметить, что ошибки от краевых эффектов у вторичных ротационных вискозиметров с длинными и узкими цилиндрами не оказывают значительного влияния на измерения вязкости высоковязких веществ, но они снижают скорости, при которых соблюдается пропорциональность между крутящим моментом и угловой скоростью или угловой скоростью и углом закручивания цилиндра. Таким образом, дефекты прибора сокращают ла­минарную область течения.

Специфический недостаток торсионных вискозиметров заключается в оста­точной неупругой деформации, присущей нити подвеса. Плавленый кварц является наиболее подходящим материалом для нити, так как обладает высо­кой и постоянной упругостью, но эти свойства присущи ему только в тонких нитях. Поэтому кварцевые подвесы применяются лишь для небольших ци­линдров. Для тяжелых цилиндров используется стальная проволока и про­волока из фосфористой бронзы.

М. П. Воларович разработал несколько модификаций ротационных вискозиметров с неподвижным цилиндром [46, 52, 53]. Наиболее совершенным яв­ляется вискозиметр РВ-7 с неподвижным внешним цилиндром [52, 53]. Этот прибор рекомендуется М. П. Воларовичем для определения динамической вязкости минеральных масел при температурах от +10° до—60°, ди­зельных топлив при температурах ниже —30° и битумов при температурах от +20° до +160°. Измерения вязкости могут производиться в пределвх от 5 до пуаз. Одновременно прибор служит для определения предельного напряжения сдвига в интервале от 50 до 10 дн/см² . Вискозиметр РВ-7 применяется как первичный и как вторичный вискозиметр.

Схема вискозиметра представлена на Рис. 8. Прибор состоит из внешнего неподвижного цилиндра 2 и внутреннего вращающегося цилиндра 1, приводя­щегося в движение падающими грузами, привешенными к двум нитям (одна нить на схеме не показана), намотанными на шкив 6. Прибор снабжен хоро­шей термоизоляцией 16. В пространство между нею и внешним цилиндром

Рис. 8. Ротационный виско­зиметр РВ-7.

а — общий вид; б — схема; 1 — внутренний цилиндр; 2 — вне­шний цилиндр; 3 — термоизоляционнаяя муфта; 4 — ось вращающейся системы; 5 — шариковые подшипники; 6 — шкив; 7 — бло­чок; 8 — тормоз; 9 — стрелка; 70 — разделенный круг; 11 — муфта; 12 — штифты; 13 — основная плита прибора; 14 — термопары; 15 — термостат; 16 — термоизоляция; 17 — сосуд для наливания термоста-тирующей жидкости; 18 — мешалка; 19 — отражатель; 20 — муфта; 21 — стопорный винт; 22 — стойка; 23 — крюк; 24 - трос; 25 — влок; 26 — подставка; 27 — установочный винт.

помещается охлаждающая смесь или термостатная жидкость, В термостат вмонтирован электрический нагреватель, позволяющий поднимать темпера­туру до 160°. Для измерения температуры служат три термопары 14, вмонти­рованные в наружный цилиндр. При измерении вязкости определяется время вращения внутреннего цилиндра с помощью стрелки Р и шкалы 10.

Вязкость в пуазах вычисляется по следующей формуле:

,

где Р— вес груза, вращающий цилиндр вискозиметра, равный сумме весов двух грузов, подвешенных к обеим нитям прибора; Р₀ — собственное трение подшипников (оно может быть снижено до 1—2 г); N— число оборотов цилиндра в секунду; К — постоянная прибора, зависящая от его размеров и высоты уровня испытуемой жидкости (глубины погружения внутреннего ци­линдра):

,

где А, В и С — постоянные для данного прибора; h — глубина погружения ци­линдра.

Рис. 9. Схема ротационного вискозиметра М. П. Воларовича с неподвижным внутренним цилиндром.

Рис.10. Вискозиметр Га четка.

Предельное напряжение сдвига θ в дн/см² вычисляется по формуле

θ ,

где — минимальный вес груза, при котором начинается с увеличе­нием

нагрузки вращение внутреннего цилиндра; Р₁ — трение подшипников; K₁—константа прибора для предельного напряжения сдвига.

Ротационный вискозиметр М. П. Воларовича с неподвижным внутрен-ним цилиндром [46, 58] применяется для определения вязкости битумов [57] и некоторых других высоковязких нефтепродуктов. Прибор позволяет измерять вязкости до 10⁸ пуаз.

Устройство прибора ясно из Рис.10

Метод Стокса

При движении тела в вязкой среде возникает сопротивление.

Происхождение этого сопротивления двояко. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей, сила сопротивления обусловлена вязкостью жидкости. Между слоями возникает сила трения.

Метод Стокса используется в медицине: по реакции оседания эритроцитов (РОЭ) в плазме крови судят о вяз­кости плазмы: чем вязкость плазмы больше, тем величина столба осев­ших за определенное время эритроцитов меньше.