Средства измерений вязкости жидкостей

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:

(10.16)

где F — тангенциальная (касательная) сила; вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; dW/dn — градиент скорости W течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности η называют динамической вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Величину, обратную динамической вязкости φ=1/η, называют текучестью. Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие кинематической вязкости:

Кинематическая вязкость своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Единица динамической вязкости с СИ — Па·с, в системе СГС — П (пуаз); единица кинематической вязкости в СИ — м²/с, в системе СГС — ст (стокc). Соотношение между названными единицами: 1П==10^-1Па·с; 1ст=10^-4 м²/с.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов — увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико-технологических процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В настоящее время разработаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрационные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом и др.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения).Принцип действия этих механических вискозиметров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемой законом Пуазейля:

(10.18)

где Q-объемный расход жидкости; d - диаметри l - длина капилляра; Р₁, Р₂ - давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (10.18) можно преобразовать к виду

Р₁ - Р₂ = kη (10.19)

где k — постоянный коэффициент для принятого расхода жидкости.

Из (10.19) следует, что для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлений на капилляре.

Рис. 10.5. Схемы капиллярных вискозиметров

На рис. 10.5, а показана схема капиллярного вискозиметра, в котором для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос 1, приводимый в движение синхронным двигателем 2. Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем — в капилляр 4, размеры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значений вязкости. Перепад давлений на капилляре измеряется дифманометром 5 с пневматическим или электрическим унифицированным выходным сигналом, который пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и равняется 50 или 100°С. Диапазоны измерений от (0-2) 10^-3 Па·с до (0-4-1000) 10^-3 Па·с. Классы точности вискозиметра 1,5—2,5 (в зависимости от диапазона измерений).

В вискозиметре, представленном на рис. 10.5, б, стабилизация объемного расхода анализируемой жидкости осуществляется пневматической системой автоматического регулирования, состоящей из диафрагмы 4, дифманометра 7, пневматического регулятора 8 и исполнительного механизма 2. Анализируемая жидкость подается из напорной емкости 1 с переливной трубкой. Возможность стабилизации расхода жидкости таким способом базируется на том, что перепад давлений на диафрагме (Р₀—P₁) практически не зависит от динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости (например, нефтяных масел) изменяется незначительно. При таких условиях поддержание постоянного перепада давления (Р₀—P₁) обеспечивает постоянство объемного расхода анализируемой жидкости. Змеевик 3, диафрагма 4 и капилляр 5 размещены в водяном термостате 9, где поддерживается температура, равная 100°С, за счет подачи в него насыщенного водяного пара при атмосферном давлении. Перепад давления P₁—Р₂ на капилляре измеряется дифманометром 6 с пневматическим выходным сигналом. Класс точности вискозиметра 2,5.

Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры).Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости.

Это движение описывается законом Стокса:

где W — скорость равномерного падения шарика; ρ_ш — плотность материала шарика (ρ_ш>ρ); r — радиус шарика.

Если учесть, что плотность анализируемой жидкости изменяется незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика, то выражение (10.20) можно преобразовать к виду

W = k₁/h, (10.21)

где k₁ — постоянный коэффициент.

Обычно измерение скорости W сводится к измерению отрезка времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постоянный отрезок пути l между двумя принятыми отметками. В этом случае

где k = l/k₁ — постоянный коэффициент.

Рис. 10.6. Схема шарикового вискозиметра

На рис. 10.6 показана схема шарикового вискозиметра циклического действия. Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик падает в анализируемую жидкость. С помощью датчиков 3 и 2 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. С помощью измерителя временных интервалов 10 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость. Класс точности вискозиметра 2.

Ротационные вискозиметры. Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска и т. п.), погруженного в измеряемую среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент в общем случае описывается выражением

M=kωh, (10.23)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора (при постоянной угловой скорости крутящий момент однозначно определяет вязкость жидкости).

Рис. 10.7. Схемы ротационных вискозиметров

Из большого многообразия конструкций вращающихся элементов ротационных вискозиметров в автоматических анализаторах обычно используются конструкции, показанные на рис. 10.7. Вискозиметры, представленные на рис. 10.7, а—в, объединяет общий принцип действия, в соответствии с которым вязкость определяется по моменту сил трения, возникающему при вращении тела, погруженного в анализируемую жидкость. Таким телом может быть цилиндр (рис. 10.7, а), шар (рис. 10.7, б) или диски, посаженные на общий вал и расположенные между неподвижными шайбами (рис. 10.7, в). В вискозиметрах момент вращения, создаваемый диском (рис. 10.7, г) или цилиндром 2 (рис. 10.7, д), передается через жидкость диску или цилиндру 3. Диску или цилиндру вращательное движение сообщается двигателем 1. Вращающий момент, возникающий на диске (цилиндре) 3, а, следовательно, на шкиве 5, насаженном на одном валу 4 с диском (цилиндром) 3, пропорционален динамической вязкости. Этот момент уравновешивается силой упругой деформации пружины 7, соединенной с гибкой нитью 6, которая прикреплена к шкиву 5. Значение деформации пружины можно наблюдать по шкале 8. С помощью преобразователя 9 сила упругой деформации пружины 7 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Характерной особенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон измеряемых значений вязкости (0,01— 1000 Па-с). Классы точности ротационных вискозиметров 1—2,5.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 408; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!