Методы измерения вязкости и приборы

Автор: Профос П.

Источник: Измерения в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура. Пер. с нем. /Под ред. Профоса П.- М.: Металлургия, 1990. - 384 с

В основу методов измерения вязкости и их классификации положены математические зависимости, описывающие различные виды течения сред. Легко реализуются ламинарные, так называемые слоистые потоки, описываемые решениями дифференциального уравнения Навье–Стокса, при краевых условиях, предполагающих прилипание частиц к ограничивающим поток стенкам и независимость вязкости среды от градиента среза (ньютоновские жидкости).

В различных типах вискозиметров используют струйчатые потоки следующих видов:

а) поток Хаген–Пуазейля в трубке (капиллярный поток);

б) кюветный поток (в пространстве между двумя концентрическими вращающимися цилиндрами);

в) поток, возникающий в результате аксиального перемещения двух концентрических цилиндров;

г) нестационарные слоистые потоки.

Иногда используются потоки, описываемые приближенными решениями уравнения Навье–Стокса (скользящие потоки).

Наряду с этим существует большое число других вискозиметров, принцип действия которых полностью или частично основан на использовании эмпирических зависимостей [3].

Капиллярный вискозиметр

Установившийся ламинарный поток в капилляре описывается уравнением Хаген–Пуазейля

где R – радиус капилляра; р₁ – давление на входе; р₂ – давление на выходе; V – объемный расход; L – длина капилляра.

Рис. 3.7–36. Схема  капиллярного вискозиметра:

1 – дозирующий насос;  2 – капилляр; 3 – импульсные  трубки  измерения давлений; 4 – преобразователь разности давлений; 5 – указатель вязкости; 6 – основной трубопровод

 

Таким образом; определяемая динамическая вязкость пропорциональна разности давлений на входе и выходе капилляра: Dp = p₁ – р₂. Влияние набегающего потока на выходе капилляра (рис. 3.7–35) обусловливает необходимость измерения давлений внутри самого капилляра, т.е. в достаточном удалении от его концов, что связано с рядом технических сложностей. Поэтому практически давление измеряют в расширенных концах капиллярной трубки и корректируют по экспериментальным и расчетным данным. Для уменьшения искажающего воздействия набегающего потока в реальных конструкциях применяют длинные капилляры. Капиллярный принцип измерения вязкости используют в вискозиметрах многих конструкций. Часто, например, измерение вязкости осуществляют путем отсчета времени истечения определенного количества контролируемой среды при постоянном перепаде давлений на капилляре. Стеклянные капиллярные вискозиметры широко применяют в лабораторной практике; однако большинство этих приборов неприменимо для непрерывного контроля. Образцовые капиллярные вискозиметры используют для градуировки и калибровки вискозиметров других типов [5]. К капиллярным вискозиметрам промышленного назначения наряду с требованиями обеспечения достаточной точности измерения предъявляют требования работоспособности в жестких эксплуатационных условиях (конструкционной прочности) и непрерывности действия. Обычно схема измерения предусматривает наличие дозирующего насоса для обеспечения постоянного расхода среды через капилляр, измерение перепада давлений на его концах и соответствующее преобразование результатов измерения с выводом полученного значения вязкости на шкалу указателя или на регистрирующий прибор. Весьма существенным фактором, обеспечивающим правильность результата измерения, является хорошее термостатирование прибора (рис. 3.7–36). В качестве приборов подобного типа могут быть названы следующие модели вискозиметров:

прибор Viscosity monitor фирмы Carlo Erba (Италия);

прибор Automatik–Viscoterm фирмы Conoflow VAF, Brilon. (ФРГ); прибор Seiscor фирмы Schwing (ФРГ).

В ряде вискозиметров стабилизация расхода среды через капилляр осуществляется регулятором расхода, например в приборе типа Viscosimat фирмы Askania (Зап. Берлин) (рис. 3.7–37).

Рис. 3.7 – 37. Принципиальная схема виcкозиметрической установки фирмы Askania:

1 – измерительный зонд о капилляром; 2 – регулятор расхода; 3 – дроссель, не зависящий от вязкости; 4 – сброс; 5 – измерительный преобразователь; 6 –

показывающий прибор

К приборам этой же группы относятся вискозиметры, в которых перепад

Рис. 3.7 – 38. Принципиальная схема вискозиметра непрерывного действия:

1 – дозируемая подача контролируемой среды; 2 – измерительная емкость; 3 – выпускной капилляр; 4 – пневматический преобразователь гидростатического давления h_v (h_v ~ ν); 5 – показывающий прибор ρ_η ~ η; 6 – дроссель в линии

подачи роздуха; р₀ – давление питающего воздуха

давлений на капилляре Δρ измеряется по высоте столба жидкости h в сосуде перед капилляром; как следует из уравнения Δр = gph, эта величина пропорциональна кинематической вязкости ν = η/ρ. Типичным примером такого прибора является вискозиметр непрерывного действия типа Permanent– Visvosimeter фирмы Debro Werke (ФРГ) (рис. 3.7–38).

Ротационные вискозиметры

Действие ротационного вискозиметра основано на использовании сил вязкостного трения, возникающего в слое жидкости, протекающей в кольцевом зазоре между двумя коаксиальными равномерно вращающимися относительно друг друга цилиндрами. В целях упрощения реальных конструкций вискозиметров обычно вращается только один из цилиндров. Ламинарный характер этого потока нарушается только наличием краевых эффектов, так называемых завихрений Тейлора, возникающих при вращении внутреннего цилиндра и при больших числах Рейнольдса [3, 4).

Вискозиметры е неподвижным внутренним цилиндром называются кювентными вискозиметрами.

Действие вискозиметра с вращающимся внутренним цилиндром описывается уравнением

где Μ – крутящий момент- w₀ – угловая скорость вращения цилиндра; L – длина цилиндра; R_a, R_i – радиусы наружного и внутреннего цилиндров (рис. 3.7–39).

Таким образом, динамическая вязкость среды пропорциональна крутящему моменту М.

Рис. 3.7 – 39. Принцип действия ротационного вискозиметра (кюветного типа); 1 – неподвижный цилиндр; 2 – вращающийся цилиндр

Рис. 3.7–40. Принципиальная  схема измерительной ячейки ротационного вискозиметра фирмы Hartmann und Braun:

1 – моторный привод; 2 – магнитные муфты; 3 – вращающийся наружный цилиндр; 4 – «неподвижный» внутренний цилиндр; 5 – ввод контролируемой среды; 6 – термометр; 7 – устройство компенсации момента и измерення; 8 – ванна термостата

 

В конструкцию большинства приборов обычно входят следующие основные элементы: измерительная ячейка (кювета), привод, устройство для измерения крутящего момента и показывающее устройство. Ротационные вискозиметры применимы для непрерывного измерения вязкости среды, что позволяет использовать их в системах контроля и управления производственными процессами. Приборы этого типа могут работать при высоких температурах и под большим давлением. Варьируя скорость вращения ротора, а следовательно, изменяя градиент среза, можно исследовать текучесть неньютоновских сред.