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:

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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:

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов

электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.

Эту амплитуду А колебаний зонда при постоянной возбуждающей

силе можно описать выражением

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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:

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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:

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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-

Общие сведения об измерении вязкости - student2.ru

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

Наши рекомендации