3. Ротационные вискозиметры

При вращении тела в вязкой жидкости возникает противодействующий момент, обусловленный вязкостным сопротивлением. Этот момент М пропорционален динамической вязкости жидкости:

где k — константа прибора; — динамическая вязкость; — угловая скорость вращающегося тела.

Известно большое число ротационных приборов лабораторного типа, различающихся формой вращающегося тела и способом измерения крутящего момента. С их помощью можно измерять не только вязкость (в диапазоне от 10^-3 до 10¹² Па с), но и другие реологические характеристики неньютоновских жидкостей (упругость, ползучесть, релаксацию напряжения и т. д.).

Рис. 3. Схема автоматического ротационного вискозиметра

Из всего многообразия ротационных вискозиметров можно выделить четыре основных типа измерительных систем: коаксиальные цилиндры; параллельные диски (плоскость — плоскость); конус — плоскость; вращающееся тело, погруженное в жидкость неограниченного объема. Константы ротационных вискозиметров этих типов можно определить аналитически или экспериментально по эталонным жидкостям.

При конструировании автоматических вискозиметров ротационного типа наиболее важно требование интенсивного массо-обмена в зоне измерения. Константу приборов определяют только экспериментальным путем.

В проточном корпусе 1 автоматического промышленного вискозиметра ротационного типа (рис. 3) с постоянной скоростью вращается конусный диск 2. Чувствительный элемент 3, выполненный в виде вилки, охватывает часть диска и закреплен плоской пружиной 4 на опоре 5. Перемещение чувствительного элемента в вертикальном направлении под действием вязкостных сил измеряется дифференциально-трансформаторным преобразователем 6 (см. сечение А — А), собранным на двух Ш-образных сердечниках; последние размещены в герметичном корпусе 7 из немагнитной стали. Ферромагнитные сердечники 8 закреплены на чувствительном элементе и перемещаются вместе с ним. Вискозиметр снабжен датчиком температуры 9, включенным в схему автоматической термокомпенсации.

Рис. 4. Измерительная схема автоматического ротационного вискозиметра

На рис. 4 приведена измерительная схема вискозиметра. Сигнал с дифференциально-трансформаторного преобразователя ДТП после выпрямления компенсируется напряжением, снимаемым с R_p и подаваемым через цепочку термокомпенсации R1 — R_t1. Напряжение разбаланса поступает на электронный усилитель ЭУ, управляющий реверсивным двигателем РД. Последний перемещает движок КПР R_p и перо регистрирующего устройства РУ до тех пор, пока на входе ЭУ не установится баланс. Резисторы R_Н и R_K служат для подгонки начала и конца шкалы. Резисторы R2 и R_t2 расположены в корпусе 7 (см. рис. 3) и компенсируют влияние температуры контролируемой среды на сопротивление питающей обмотки ДТП. Диапазон измерения 2,5—22,5 Па с. Погрешность ±3 %.

Автоматический ротационно-колебательный вискозиметр (рис. 5) состоит из трех блоков: измерительного преобразователя (датчика) 5, электронного блока 4 и вторичного прибора 2. В корпусе датчика размещен электромагнит 6 с двумя встречно включенными обмотками I и II, а также два магнитоуправляемых герметизированных контакта (геркона) 9 и 12. Чувствительный элемент представляет собой цилиндрический ротор 8, в котором размещены перпендикулярно оси тянущий магнит 7 и параллельно оси два управляющих магнита 10 и 11. Ротор имеет возможность поворачиваться вокруг оси на угол порядка 20°. В электронном блоке размещен управляющий триггер 13 и преобразователь 1 временного интервала в аналоговый сигнал. Герконы 9 и 12 подключены к входным цепям управляющего триггера 13, а обмотки I и II электромагнита 6 — к выходным цепям того же триггера. При подаче питающего напряжения одно из плеч триггера 13 (например, левое) открывается, а другое остается закрытым. Через обмотку I электромагнита 6 протекает ток, который создает магнитное поле определенной полярности. В результате взаимодействия этого поля с тянущим магнитом 7 ротор 8 поворачивается по часовой стрелке. Это движение происходит до тех пор, пока под действием управляющего магнита 11 не замкнется геркон 12. В результате триггер перейдет в другое устойчивое состояние, а питающее напряжение переключится на обмотку II электромагнита 6. Полярность его изменится на обратную и ротор 8 будет поворачиваться против часовой стрелки до тех пор, пока магнит 10 не замкнет геркон 9. Таким образом, ротор 8 вискозиметра совершает апериодические колебания под воздействием магнитного поля. Период колебаний (0—20 с) пропорционален вязкости контролируемой жидкости, т. е. , где — период колебаний;k — константа прибора; — динамическая вязкость.

Преобразователь 1 преобразует временной интервал, равный полупериоду колебаний, в аналоговый электрический сигнал 0—100 мВ, который через запоминающее устройство 3 поступает на самопишущий потенциометр 2.

Градиент скорости в рабочем зазоре вискозиметра не превышает 1 с^-1, поэтому его можно использовать для измерения вязкости не только ньютоновских, но и неньютоновских жидкостей. Диапазон измерения от 2 до 500 Па с, погрешность +5 %.