809

Измерение физико-химических свойств веществ – вязкость

Приборы для измерения вязкости жидкостей называют вискозиметрами.

Автоматические общепромышленные вискозиметры по принципу действия подразделяются на ротационные, вибрационные, шариковые, капиллярные.

Для многих продуктов вязкость представляет собой величину, определяющую их качество и состав.

Вязкостью называется величина внутреннего трения, вызывающая сопротивление относительному сдвигу частиц жидкости, т. е. характеризует сопротивляемость их скольжению или сдвигу.

Коэффициент динамической вязкости или динамическая вязкость может быть определена из формулы Ньютона, выражающей силу внутреннего трения:

откуда

где μ – динамическая вязкость; F – сила сдвига; - градиент скорости;

v – скорость течения слоя; n – расстояние между параллельными пластинами; S – площадь внутреннего трения.

Размерность вязкости в системе Си: Ньютон * сек. / м²; H*сек/м².

Н а практике часто встречается понятие кинематическая вязкость, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости:

Иногда вязкость выражают в условных единицах ВУ:

где: τ_ж – время истечения через узкую трубку определенного объема испытуемой жидкости; τ_в - время истечения дистиллированной воды с той же температурой, что и испытуемая жидкость.

Таким образом – это отношение времени истечения испытуемой жидкости к времени истечения дистиллированной воды через узкую трубку при всех прочих равных условиях.

С вязь между динамической вязкостью, плотностью и градусами ВУ выражается приближённой формулой:

Вязкость в значительной степени зависит от температуры и, как правило, с увеличением литературы падает. Поэтому температуру, при которой производится измерение вязкости, необходимо точно измерять и поддерживать во время измерения.

Имеется много методов, на основе которых строятся приборы для измерения вязкости – вискозиметры. В первую очередь могут быть названы:

метод истечения;

метод падающего тела;

метод крутящего момента;

вибрационный метод;

ультразвуковой метод.

Вискозиметры истечения (капиллярные).

Действие этих приборов основано на законе истечения жидкостей из капиллярных трубок – законе Пуазейля:

где: Q – количество жидкости, вытекающей из трубки; d – диаметр трубки; l – длина трубки; k – постоянный коэффициент размерности.

П ри постоянных значениях Q; k; d; g; l динамическая вязкость будет равна:

Истечение может происходить из трубки малого диаметра или из плоской щели под действием силы тяжести или внешнего давления.

Капиллярные вискозиметры.

Определение вязкости капиллярными вискозиметрами основано на законе Пуазейля и состоит в измерении времени протекания известного количества (объёма) жидкости или газа через узкие трубки круглого сечения (капилляры) при заданном перепаде давления. Капиллярными вискозиметрами измеряют вязкость от 10 5н∙сек/м² (газы) до 104 н∙сек/м2 (консистентные смазки). Относительная погрешность образцовых капиллярных вискозиметров ± 0,1 0,3%, рабочих приборов ± 0,5 2,5%. На рис. 1 показано устройство различных типов стеклянных вискозиметров. В капиллярных вискозиметрах указанных типов течение жидкости происходит под действием силы тяжести (в начальный момент уровень жидкости в одном колене вискозиметр выше, чем в другом). Время опорожнения измерительного резервуара определяют как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхних и нижних концах резервуара.

Рис. 1. Стеклянные капиллярные вискозиметры (ГОСТ 10028—67):

1 — измерительные резервуары; 2 — капилляры; 3 — приемные сосуды; 4 — питающий резервуар (в вискозиметрах для непрозрачных жидкостей ВНЖ); 5 — термостатирующая рубашка; M1, M2 (у ВНЖ также M3 ) — метки, служащие для измерения времени истечения жидкости из измерительных резервуаров или их заполнения (у ВНЖ).

В капиллярных автоматических вискозиметрах (непрерывного действия) жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости.

Принципиальная схема капиллярного автоматического вискозиметра истечения показана на рис. 2. Автоматический вискозиметр состоит из насоса, который подаёт строго постоянное количество жидкости в напорную трубку, оканчивающуюся капилляром. Напорная трубка соединена с манометром, который градуируется в единицах вязкости. Диаметр и длина капилляра выбираются в зависимости от пределов измерения. Точность таких приборов 2%. Анализируемая жидкость должна иметь определённую температуру (±1 ⁰C), что обеспечивается термостатом.

Рис. 2. Принципиальная схема капиллярного автоматического вискозиметра истечения

Следует отметить, что образцовые вискозиметры, как правило, являются приборами, основанными на принципе истечения.

Рис. 3. Принципиальная схема автоматического непрерывного капиллярного вискозиметра

Принципиальная схема автоматического непрерывного капиллярного вискозиметра показана на рис. 3, она практически не отличается от схемы приведенной на рис. 2, за исключением того, что в данном варианте капилляр находится в термостате. Вязкость определяется по перепаду давления на концах капиллярной трубки с помощью дифференциального манометра. Вискозиметр установлен в масляном термостате.