2 Експериментальні методи вивчення в’язкості

Для експериментального визначення в’язкості досліджуваної системи (це може бути ньютонівська або неньютонівська системи) використовують різні експериментальні методи, і на основі цих методів розроблені спеціальні прилади, які називаються віскозиметрами. Розглянемо найбільш поширені методи визначення в’язкості.

1. Капілярні віскозиметри.

Принцип дії капілярних віскозиметрів базується на використанні формули Пуазейля, а саме: якщо виміряти об’єм V рідини (чи газу), що протікає через капіляр (тонку трубку) радіуса r та довжиною l при різниці тисків на кінцях капіляра, то шукана в’язкість, як випливає з (5. ) дорівнює

(5.7.6)

На рис.5.7.6 наведено принципову схему капілярного віскозиметра. Досліджувана рідина з робочого резервуару 2 відомим об’ємом протікає через капіляр 3 відомого радіуса. Довжина капіляра l. Резервуар 1 є накопичувальним, що полегшує вимірювання часу проходження рідини в робочому резервуарі між мітками М₁ та М₂, після чого досліджувана рідина поступає в широкий приймальний резервуар 4 так, що віскозиметр практично забезпечує течію при різниці тиску, рівному гідростатичному тиску, тобто

. (5.7.7)

Тому, підставивши це значення тиску в 5.7.6, отримаємо

. (5.7.8)

Так як відношення є кінематичною в’язкістю , то

. (5.7.9) Промисловість, що випускає капілярні віскозиметри, в їх технічних паспортах вказує значення величини , яка називається сталою приладу що значно спрощує експериментальне визначення кінематичної в’язкості досліджуваної рідини. Так, знаючи сталу С віскозиметра і виміривши час протікання рідини між мітками на приладі, кінематична в’язкість розраховується простою формулою:

(5.7.10)

Що стосується методики самого експерименту, то він теж простий:

а) у віскозиметр вводять (заливають) досліджувану рідину;

б) нагнітальний пристроєм (закачуючи повітря) заповнюють рідиною накопичувальний резервуар (прилад закритий пробкою);

в) відкривають прилад (виймають пробку) і засікають час проходження рівнем рідини відстань між мітками на віскозиметрі.

Сучасні капілярні віскозиметри максимально автоматизують реологічні дослідження, заповнення віскозиметра досліджуваною рідиною та всі необхідні вимірювання здійснює електронна система. Загальний вигляд сучасного капілярного віскозиметра ASTM D наведено на рис. 5.7.8. Оптичний датчик приладу точно визначає час протікання досліджуваної проби рідини і система автоматично обчислюєкінематичну в'язкість.

2. Ротаційні віскозиметри

У ротаційних віскозиметрах (від слова – обертатись) досліджувана рідина знаходиться між двома коаксіальними циліндрами поверхнями, тобто такими, осі обертання яких співпадають (рис.5.7.9). Один циліндр, наприклад зовнішній 1, обертається зі сталою кутовою швидкістю, і з такою ж швидкістю обертається шар рідини, який «прилип» до цієї поверхні. За рахунок наявності внутрішнього тертя цей обертовий рух передається від одного шару рідини до іншого. У результаті починає обертатись внутрішній циліндр 2, закручуючи пружний елемент –торсіон 4. За шкалою 3 приладу фіксується кут закручування. Знаючи пружні властивості торсіону, можна визначити момент сили внутрішнього тертя, і в кінцевому результаті, визначається в’язкість досліджуваної рідини. Принцип розрахунку динамічної в’язкості за допомогою ротаційного віскозиметра буде розглянуто на прикладі конкретної задачі.

Слід відмітити, що ротаційні віскозиметри у даний час набули широкого застосування для реологічних досліджень. Сучасні ротаційні віскозиметри автоматично фіксують кут закручування торсіону при різних швидкостях деформації, що дає можливість отримати повну реологічну характеристику досліджуваної рідини. Крім таких складних ротаційний віскозиметрів, їх виробники пропонують надзвичайно прості і одночасно точні прилади VT1 Plus. При вимірюванні цей віскозиметр можна тримати навіть в руці, як показано на рис.5.7.10. Ротор, що обертається з постійною швидкістю, занурюється в досліджувану рідину і її опір при обертанні перераховується в одиниці в'язкості. Не дивлячись на таку простоту конструкції, даний прилад забезпечує цифрову індикацію в’язкості на дисплеї та точність відмірювань до ±1%. Живлення віскозиметра від звичайної батарейки і керування приладом лише однією кнопкою.