Общие сведения об измерении вязкости
Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих веществ
(жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной
их части относительно другой. Именно вязкость обусловливает ги-
дравлическое сопротивление в трубопроводах. Основной закон вяз-
кого течения описывается формулой Ньютона:
где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг сло-
ев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по
которому происходит сдвиг; dV/ dn — градиент скорости V течения
(быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.
Коэффициент пропорциональности г| называется динамической
вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смеще-
нию ее слоев. Величина, обратная динамической вязкости, называ-
ется текучестью φ = 1/η
Наряду с понятием динамической вязкости используется понятие
кинематическая вязкость v:
Единицами динамической вязкости являются Па-с (в системе
единиц СИ) и П (пуаз). 1 Па-с — это вязкость такой жидкости, в
которой на 1 м поверхности слоя действует сила, равная одному нью-
тону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на
1 см/с. Жидкость с вязкостью 1 Па с относится к числу высоковязких,
поэтому на практике часто используются единицы мПа • с (миллипу-
аз) и сП (сантипуаз). Единицами кинематической вязкости являются
м2/с (в системе единиц СИ) и Ст (стокс). Соотношение между ука-
занными единицами:
1 П = 10-1 Па-с; 1 Ст = 10-4 м2/с.
На практике иногда используют понятие условная вязкость, ко-
торая представляет собой отношение времени истечения из виско-
зиметра определенного объема некоторой жидкости ко времени ис-
течения такого же объема дистиллированной воды при температуре
20 °С. Условная вязкость измеряется в градусах ВУ.
Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а
газов — увеличивается.
•8.3.2. Средства измерения вязкости
Средства измерения вязкости называют вискозиметрами. В за-
висимости от назначения вискозиметры делятся на промышленные
(технологического контроля) и лабораторные (стационарные и пере-
носные). По режиму работы вискозиметры могут быть непрерывного
и циклического действия. По принципу действия вискозиметры де-
лятся на пять групп: ротационные, вибрационные, капиллярные,
шариковые и условной вязкости (типа воронки).
Принцип действия р о т а ц и о н н ы х вискозиметров (рис. 8.4)
основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси
ротора 1, погруженного в измеряемую среду. Этот крутящий момент
М описывается выражением
где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции рото-
ра вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора; η — дина-
мическая вязкость.
Таким образом, при постоянной угловой скорости крутящий мо-
мент однозначно определяет вязкость жидкости. Характерной осо-
бенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон
измеряемых значений вязкости.
Принцип действия в и б р а ц и о н н ы х вискозиметров основан
на определении амплитуды вынужденных колебаний тела правильной
геометрической формы, называемого зондом вискозиметра, при по-
гружении его в исследуемую среду. В настоящее время широко при-
меняются электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд
совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов
электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.
Эту амплитуду А колебаний зонда при постоянной возбуждающей
силе можно описать выражением
где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции зонда
вискозиметра и типа исследуемой жидкости; η — динамическая вяз-
кость.
Вибрационные вискозиметры имеют значительно большую по
сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность, но
более узкий диапазон измеряемых значений вязкости.
Принцип действия к а п и л л я р н ы х механических вискозимет-
ров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр,
описываемой законом Пуазейля:
где Q — объемный расход жидкости; R и L — внутренний радиус и
длина капилляра соответственно; η — динамическая вязкость; Р1
Р2 — давление до и после капилляра по потоку.
При постоянном объемном расходе жидкости выражение (8.19)
можно преобразовать к виду
Следовательно, для определения динамической вязкости жидкости
достаточно при постоянном объемном расходе измерять перепад
давлений на капилляре. Этот постоянный объемный расход анали-
зируемой жидкости создается насосом Н (рис. 8.5, а). Анализируемая
жидкость поступает в змеевик 1, где нагревается до температуры,
поддерживаемой в термостате 2, а затем — в капилляр 3, размеры
которого выбираются в зависимости от диапазона измеряемых зна-
чений вязкости. Перепад давлений на капилляре, который пропор-
ционален динамической вязкости анализируемой жидкости, измеря-
ется дифманометром ДМ. Температура в термостате поддерживается
на уровне 50 или 100 "С. Диапазон измерений этих вискозиметров от
0... 2 до 0... 1 ООО сП, класс точности 1,5... 2,5 (в зависимости от диа-
пазона измерений).
Принцип действия ш а р и к о в ы х вискозиметров основан на
измерении скорости (или времени) движения шарика под действием
сил тяжести и трения в анализируемой жидкости. Это движение опи-
сывается законом Стокса:
где V— скорость равномерного падения шарика; ρш и ρж — плотности
материала шарика и жидкости соответственно; g — ускорение сво-
бодного падения; R — радиус шарика; η — динамическая вязкость.
Учитывая, что плотность анализируемой жидкости изменяется
незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика,
выражение (8.21) можно преобразовать к виду
Обычно измерение скорости V сводится к измерению отрезка
времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, про-
ходит некоторый постоянный отрезок пути L между двумя приняты-
ми отметками. В этом случае
В нерабочем состоянии шарик 2 (рис. 8.6, а) находится на нижней
сетке 4. Анализируемая жидкость из трубопровода периодически
прокачивается насосом Н по трубке 1 снизу вверх и при своем дви-
жении поднимает шарик 2 от нижней 4 до верхней 3 ограничительной
сетки. В момент касания шарика с верхней сеткой насос автомати-
чески отключается и шарик падает в неподвижной среде — анализи-
руемой жидкости. С помощью устройств 5 и 6 (например, индукци-
онных катушек) в моменты времени, когда шарик проходит две вы-
бранные отметки, отстоящие друг от друга на расстояние L по
высоте трубки, формируются электрические импульсы. Промежуток
времени между указанными импульсами, значение которого и опре-
деляет динамическую вязкость, измеряется блоком 7 (измеритель
временных интервалов). Во время измерения жидкость и шарик тер-
мостатируют с точностью 0,2 °С, для чего измерительную трубку по-
мещают во вторую, более широкую трубку, в которой поддерживают
постоянную температуру 50 или 100 °С. Диаметр трубки, в которой
проводят измерение вязкости, должен быть по крайней мере в 10 раз
больше диаметра шарика. Длина трубки подбирается с таким рас-
четом, чтобы измерять время падения шарика на средней ее части,
на отрезке, равном 1/3 — 1/2 длины трубки.
Пределы измерений вискозиметра можно менять в широком диа-
пазоне установкой расстояний между устройствами формирования
импульса и подбором размера шарика. Шариковые вискозиметры
используются для измерения вязкости до 100 Па - с с погрешностью
не выше ±2%.
Измерение влажности