Измерение вязкости

В некоторых измерительных инструментах, чаще всего в угломерных, применяется круговой нониус. Принципиально он ничем не отличается от линейного нониуса, только деления на нем нанесены на небольшую дуговую линейку (алиаду), свободно перемещающуюся вдоль основной шкалы (лимба).

Микрометрический винт дает возможность отсчитывать более мелкие доли деления основной шкалы, чем нониус. Микрометрический винт представляет собой тщательно изготовленный винт с шагом в 0,5 или в 1,0 мм. Головка винта представляет собой лимб, или барабан с делениями, позволяющий производить отчеты либо 1/50, либо 1/100 оборота. Таким образом, зажимая объект измерений между упорами микрометрического винта, можно измерить размеры объекта с точностью до 1/100 мм и выше, если принять во внимание возможность оценки доли деления.

Нониусом оснащены широко применяемые в измерительной практике инструменты, называемые штангенциркулями.

Микрометры изготавливают в виде скобы с цифрами, один из которых перемещается микрометрическим винтом.

Измерительные устройства для линейных измерений на какой-либо поверхности делают в виде индикаторных устройств, т. е. подвижных штоков с зубчатым колесом. Так сделаны глубиномеры, толщиномеры, ростомеры. Шток как бы «ощупывает» поверхность и, передавая перемещение зубчатому колесу, регистрирует профиль поверхности.

Толщину листовых материалов измеряют также по поглощению светового или (β-γ активного излучения. Иногда для измерения толщин используют емкостные или индуктивные датчики.

Толщины пленок измеряют оптическими методами по отражению или поглощению света.

Большое число измерений ведется лупами или измерительными микроскопами. Принцип измерения состоит в измерении координаты какой-либо точки, путем визирования ее в микроскоп. Длину объекта находят по разности отсчета крайних точек объекта. Небольшие перемещения можно измерить окуляр-микрометром - окуляром, снабженным визирной сеткой, расположенной в фокусе окуляра. Визирная сетка может перемещаться в поле зрения окуляра микрометрическим винтом.

Перемещая сетку винтом, наводят риски на крайние точки объекта, и размеры определяют как разность отсчетов.

Повысить точность измерения длин можно путем компарирования (сравнения) длин объекта и стандартной шкалы. Если эта шкала выполнена в виде линейки, то компарируются отсчеты по этой линейке. Для повышения точности в длинномерах - компараторах (например в приборе ИЗА-2) отсчет производится с использованием линейки, нониуса и микрометрического винта. Производится это следующим образом: в один из микроскопов визируется точка объекта, координаты которой нужно определить. В другой микроскоп - измерительный - визируются деления шкалы, нанесенной на стекло. Измерительный микроскоп позволяет визировать по крайней мере два деления на стеклянной шкале. Отсчет снимается с линейки, нониуса и микрометрического винта.

В современных компараторах длин измерения проводятся сравнением размеров объекта с размером измерительной дифракционной решетки. Принцип работы такого отсчетного устройства иллюстрируется.

Измерительная решетка представляет собой пару решеток, одна из которых может быть отражательной. За прозрачной решеткой располагается источник света и фоторегистрирующее устройство, например фотодиод. Перемещая одну из решеток, нужно регистрировать число проходящих в фокусе объектива максимумов или минимумов. Сравнивая это число для крайних точек объекта, легко найти его размеры, если известен шаг решетки.

Измерительные решетки в настоящее время вытесняют визуальные компараторы. Причин этому можно назвать несколько. Самая главная - процесс измерения легко автоматизировать, т. е. нет нужды пользоваться зрительной трубой, что для массовых измерений утомительно. Вторая причина - высокая точность измерения, определяемая только периодом решетки. При этом высокая точность получается как для малых перемещений, так и для больших (порядка 1 м и более). Еще одна привлекательная черта измерительных решеток - возможность создания реверсивных механизмов и подключения компьютеров.

Измерительные решетки в линейных измерениях используются как универсальные меры, т. е. носители размера физической величины. Большинство мер в линейных измерениях подразделяются на штриховые и концевые меры. Штриховые меры - это отрезки длины между какими-либо штрихами на линейках, нониусах и микрометрических винтах. В отличие от них концевые меры - это стержни, плитки, щупы, скобы точно известного размера. Существуют также концевые меры различных классов точности - от плиток Иогансона, служащих для поверки микрометров, до грубых щупов, широко используемых в машиностроении и в общей технике.

3. Измерения вязкости

Вязкость - характеристика сил внутреннего трения. Сила трения в зависимости от вязкости, жидкости или газа выражается формулой:

(1)

где F - сила сопротивления перемещению слоев среды, которая направлена в сторону убывания скорости (знак минус в формуле); S - площадь действия силы и градиент скорости. Единица вязкости в системе СИ - Паскаль • секунда. В системе CGS единица вязкости - Пуаз:

(2)

3.1 Вискозиметры

Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. В вискозиметрах используются два разных принципа:

·                     по скорости вытекания жидкости из малого отверстия или из капилляра;

·                     по скорости падения шарика в вязкой жидкости.

Первый принцип основан на формуле Пуазейля, дающей зависимость между объемом жидкости, вытекающей из трубки радиусом R и длиной I:

(1)

где P1 и P2 - давление на торцах трубки; R - радиус трубки; I - длина; t - время вытекания.

Второй принцип измерения вязкости основан на измерении скорости падения шара в вязкой среде (формула Стокса):

(2)

где v -скорость падения шара в жидкости; ρ - плотность материала шара; ρ' - плотность жидкости; r - радиус шара.

Одним из широко используемых приборов для измерения вязкости является вискозиметр Энглера, в котором измеряется время вытекания 200 г. жидкости по сравнению со временем вытекания 200 г воды через то же отверстие. Вязкость измеряют в градусах Энглера, что соответствует отношению времени вытекания жидкости ко времени вытекания воды при тех же условиях. Соотношение между Пуазами и градусами Энглера дается формулой:

(3)

где р - плотность жидкости в г/см3.

Вязкость, обозначенная в формуле (3) и определенная через силу сопротивления движению называется еще динамической вязкостью. Существует понятие кинематической вязкости - это вязкость, отнесенная к единичной плотности, т. е.:

(4)

Измеряется кинематическая вязкость в единицах L2T-1 , т. е. M2 /сек в системе СИ. Та же единица в СГС-системе называется стоксом, т. е.

(5)

Существует еще понятие ударной вязкости, определяемой, как работа для излома твердого тела, отнесенная к единице поперечного сечения излома.

(6)

Обратная вязкости величина называется текучестью:

(7)

Иногда в технике пользуются понятием удельной вязкости, т. е. отношением вязкости жидкости к вязкости воды:

(8)

Вискозиметры Брукфильда подразделяются на три основных типа: аналоговые (с круговой шкалой), цифровые и программируемые. Основное различие между ними заключается в способе отображения результатов. У аналоговых вискозиметров результат считывается по указателю на круговой шкале, а у цифровых выводится на двухстрочный жидкокристаллический дисплей. Кроме того, цифровые вискозиметры оборудованы аналоговым выходом 0-10 мВ, к которому можно подключить различные внешние устройства, такие как дисплей, контроллер или самописец.

Внутреннее устройство аналоговых и цифровых вискозиметров практически одинаково и также одинакова методика использования. Оба типа представлены одинаковым рядом моделей, могут работать с одинаковыми аксессуарами и в целом взаимозаменяемы (одинаковые модели).

Аналоговые вискозиметры самые дешевые. Они идеально подходят для применений, где надо быстро измерить вязкость, но нет необходимости в постоянной записи или в измерении реологических характеристик. Хотя вискозиметр может работать непрерывно, снимать показания можно только дискретно, когда указатель проходит под смотровым стеклом или когда указатель зафиксирован и вискозиметр остановлен.

Длительные измерения требуют постоянного внимания оператора, кроме того, быстро протекающие процессы легче зафиксировать при постоянном мониторинге. В таких ситуациях лучше использовать цифровые вискозиметры, которые непрерывно измеряют и показывают вязкость. Такие приборы можно оставить без наблюдения, а возможность настроить частоту записи показаний (модель DV-II+) позволяет зарегистрировать самые быстрые реологические процессы. Некоторые пользователи предпочитаю цифровые вискозиметры, поскольку с ними отпадает необходимость интерполяции данных, чего иногда невозможно избежать при работе с аналоговым оборудованием. Точность измерения для обоих типов одинакова.

Цифровые вискозиметры (за исключением модели DV-E) можно также использовать с геометрией конус/плита.

Стандартные модели вискозиметров имеют множество модификаций, например модели с промежуточным крутящим моментом пружины. Чтобы подобрать модель, оптимальную для Ваших задач, лучше всего получить консультацию у местного представителя Брукфильда.

Некоторые модели разработаны специально для специфических применений и не совместимы с традиционными вискозиметрами. Так модель KU-1 позволяет измерять вязкость в единицах Кребса и предназначена для лакокрасочной индустрии. Модель САР-1000 позволяет работать с очень высокими скоростями сдвига (10000, 12000 с-1) при исследовании смол, полимеров и красок.

Весьма существенным преимуществом реометра DV-III+ является возможность двусторонней связи с персональным компьютером. Это позволяет легко программировать и управлять сложными процедурами измерения. Также можно сохранять все результаты и, при необходимости, преобразовывать их в формат Excel или другого табличного процессора. Можно получить результаты в виде графиков, что особенно полезно при интерпретации кривой течения. Графики испытания разных образцов можно сравнивать, накладывая друг на друга.

Реометр R/S отличается от других моделей тем, что контролируемым параметром является не скорость вращения шпинделя, а напряжение сдвига. Среди других преимуществ этого подхода можно выделить широкий диапазон измеряемой вязкости, возможность измерения предела текучести и возможность работы с высоковязкими гелями. Как DV-III+, так и R/S позволяют получить детальную информацию о поведении материалов и могут работать независимо или под управлением персонального компьютера.

Реометр САР-2000 с системой конус/плита обеспечивает широкий диапазон скоростей сдвига. Он специально сконструирован для использования в тяжелых заводских условиях и может работать независимо или под управлением персонального компьютера.

Реометр PVS обеспечивает измерение под давлением и обычно используется для исследования буровых растворов и флюидов для разрыва пласта в нефтегазовой индустрии.

Относительно новый реометр YR-1 является недорогим решением для измерения предела текучести в целях контроля качества.

Один из самых простых и недорогих автоматических вискозиметров - color control super digital производства flexologic

Ротационный вискозиметр полного погружения, производимый немецкой компанией opti-color

Принципиальная схема электромагнитных вискози - метров компании cambridge applied systems

3.3 Геометрия шпинделей

Все вискозиметры и реометры Брукфильда поставляются с набором шпинделей, пригодным для большинства стандартных применений. Однако нередки ситуации, когда необходимо использовать специализированные шпиндели. Брукфильд предоставляет широкий выбор шпинделей и аксессуаров для различных целей, большинство из них описано в данном разделе. Все шпиндели выполнены из нержавеющей стали марки 300 и не нуждаются в обслуживании. По заказу поставляются шпиндели для специальных применений, например для особо агрессивных сред.

1. Дисковые шпиндели.

Дисковые шпиндели входят в стандартный комплект поставки вискозиметров LV (шпиндели №2 и №3) и RV/HA/HB (шпиндели с №2 по №6) и предназначены для обычных измерений вязкости в сосудах емкостью от 600 мл и выше. Она обеспечивают точное и воспроизводимое измерение кажущейся вязкости большинства флюидов. 2. Цилиндрические шпиндели. Цилиндрические шпиндели (№1 и №4 для серии LV, №7 для серий RV/HA/HB) имеют определенную геометрию, позволяющую кроме вязкости рассчитать также скорость сдвига и напряжение сдвига. Во всех остальных аспектах они идентичны дисковым шпинделям. Благодаря определенной геометрии цилиндрические шпиндели частично пригодны для измерения не-Ньютоновских жидкостей. Доступны также цилиндрические эквиваленты дисковых шпинделей №12 и №3 серии LV. 3. Коаксиальные цилиндры.

Геометрия коаксиальных цилиндров обеспечивает их применение для тех задач, где обязательно нужно знать скорость сдвига и напряжение сдвига. Различные аксессуары Брукфильда имеют коаксиальную геометрию, кроме того каждый из них обеспечивает уникальные возможности для конкретных применений. Это следующие аксессуары:

адаптер для малых образцов SS;

адаптер для низкой вязкости UL;

адаптер для контроля температуры Thermosel;

адаптер DIN;

спиральный адаптер.

4. Конус/плита.

Геометрия конус/плита позволяет измерять абсолютную вязкость при определенных с высокой точностью скорости сдвига и напряжении сдвига. Требуемый объем образца очень мал и контроль температуры осуществляется очень просто. Данная геометрия идеально пригодна для изучения реологических характеристик не-Ньютоновских жидкостей и может быть использована совместно с вискозиметром Cone/Plate, реометром САР 2000 и реометром R/S (см. разд. 3.9). 5. Т-образные шпиндели.

Как правило эти шпиндели используются совместно со стойкой спирального движения (они входят в комплект поставки данного адаптера) и позволяют работать с нетекучими или слабо текущими материалами, такими как пасты, кремы и гели. Результаты измерения являются "кажущимися", поскольку особая геометрия шпинделей не позволяет определить скорость сдвига или напряжение сдвига.

6. Лопастные шпиндели.

Лопастной шпинель, погруженный в исследуемый материал, захватывает при вращении часть пробы и создает "цилиндр", позволяя рассчитать скорость сдвига и напряжение сдвига. Данный шпиндель позволяет производить исследования нетекучих и слабо текучих материалов и рассчитывать для них предел текучести. Лопастные шпиндели можно использовать совместно с большинством моделей вискозиметров Брукфильда.

3.4 Контроль температуры

Для получения точных и воспроизводимых результатов настоятельно рекомендуется контролировать температуру в процессе измерения. 1. Жидкостные термостаты.

Термостаты можно использовать для контроля температуры при проведении типичных реологических измерений. Предлагается два основных типа термостатов: только с прокачкой и с резервуаром и прокачкой.

Первый тип можно использовать только совместно с устройствами, имеющими двойной кожух, например с адаптером конус/плита или адаптером SS. Второй тип пригоден для всех устройств, так как кроме прокачки через кожух в резервуар термостата можно устанавливать сосуды с исследуемым материалом.

Большинство термостатов имеют верхний предел температуры 120оС (в зависимости от используемого теплоносителя). Для работы при температуре около комнатной или ниже необходимо подключение охлаждающего устройства, хотя предлагаются также и криостаты. Для правильного выбора жидкостного термостата обратитесь к локальному представительству Брукфильда. 2. Система Thermosel.

Данная система предназначена для измерения вязкости малого количества материала при повышенной температуре, от +40 до +300оС. В отличие от термостатов, система не использует жидкий теплоноситель. Более подробная информация приведена в раз. 7. 3. Система на базе элементов Пельтье.

Вискозиметр САР 1000, реометр САР 2000 и реометр R/S CPS-P1 имеют встроенные элементы Пельтье и позволяют быстро устанавливать и поддерживать нужную температуру.

3.5 Малый объем резца

В качестве сосуда для образца как правило используется химический стакан Гриффина емкостью 600 мл. Во многих случаях невозможно обеспечить такое количество пробы, тогда следует применять какой-либо из описанных адаптеров. 1. Адаптер SS.

Данный адаптер специально сконструирован для работы с малым объемом, имеет двойной кожух, коаксиальную геометрию и может использоваться совместно со всеми вискозиметрами Брукфильда (за исключением моделей с геометрией конус/плита). Требуемый объем обраца составляет 2.0 - 16.0мл (в зависимости от модели адаптера). Также от модели зависит диапазон измерения, в целом от 5.0 до 10000000 сАз при скоростях сдвига от 0.066 до 93 с-1. Двойной кожух позволяет подключить циркулятор для контроля температуры. 2. Адаптер UL.

Основное назначение данного адаптера - измерение низкой вязкости. Требуемый объем образца - 16 мл. Более подробная информация приведена в раз. 6.1. 3. Адаптер DIN.

Данный адаптер (как и UL) предназначен для измерения низкой вязкости в соответствии со стандартом DIN 53019 в диапазоне от 1до 50000 сПз. 4. Система Thermosel.

Данная система позволяет измерять вязкость при температуре до 300 оС. Коаксиальная геометрии требует от 8.0 до 13.0 мл пробы (в зависимости от модели шпинделя). 5. Системы конус/плита.

При очень низких объемах пробы рекомендуется использовать систему конус/плита, в этом случае требуется от 0.5 до 2.0 мл пробы (в зависимости от шпинделя). Для геометрии САР и R/S требуется менее 1 мл пробы.

3.6 Низкая вязкость

Вискозиметры и реометры Брукфильда имеют очень высокий диапазон измерения вязкости, однако в некоторых случаях нужно выполнить измерение очень низкой вязкости, за пределами стандартного диапазона. Описанные ниже адаптеры позволяют решить эту проблему. 1. Адаптер UL.

Данный адаптер специально сконструирован для измерения низкой вязкости на вискозиметрах LV, хотя может использоваться и с другими моделями. При работе с вискозиметрами LVF или LVT диапазон измерения составляет 1.0 - 10.0 сПз, скорость сдвига 73.4 с-1 при скорости вращения 60 об/сек. Для других моделей вискозиметров нижний предел измерения составляет: RVT - 6.4 сП, НАТ - 12.8 сПз, НВТ - 51.2 сПз.

UL адаптер использует коаксиальную геометрию со снимаемой крышкой на внешнем цилиндре. С установленной крышкой нужно 16 мл пробы и адаптер можно погрузить в жидкостной термостат. Со снятой крышкой можно использовать сосуд практически любого размера. 2. Адаптер SS.

При некоторых комбинациях шпиндель/камера данный адаптер позволяет измерять вязкость ниже стандартного диапазона. 3. Система Thermosel.

При некоторых шпинделях данная система позволяет измерять вязкость ниже стандартного диапазона. 4. Система конус/плита.

Система конус/плита позволяет измерять очень низкую вязкость, вплоть до 0.1 сПз.

3.7 Высокая температура

Измерение вязкости при высокой температуре может быть простой задачей или очень сложной, в зависимости от материала или величины температуры. Иногда достаточно увеличить расстояние между вискозиметром и разогретым материалом с помощью специальных удлинителей. Для очень сложных применений (например, расплавленное стекло) нужно использовать специальные печи и муфели и специально разработанные шпиндели из тугоплавких материалов. Это крайние случаи, между ними лежит большинство реальных применений. 1. Система Thermosel.

Данная система предназначена для измерения вязкости малого количества материала при повышенной температуре, от +40 до +300оС. Обычно она продается в комплекте с вискозиметром, хотя можно заказать ее отдельно как аксессуар к любой модели вискозиметра (за исключением геометрии конус/плита).

Система включает в себя камеру и шпиндель с коаксиальной геометрией, электрическую аппаратуру нагрева (термоконтейнер) и цифровой пропорциональный контроллер температуры с датчиком RTD. Предлагаются три модификации системы Thermosel:

ручная система в комплекте с аналоговым вискозиметром;

система с аналоговым выходом для регистрации температуры и вязкости в комплекте с цифровым вискозиметром;

система с программируемым контроллером температуры и с возможностью подключения к персональному компьютеру.

Для системы Thermosel требуется небольшое количество образца, от 8.0 до 13.0 мл в зависимости от шпинделя. Коаксиальная геометрии позволяет измерять скорость сдвига в диапазоне от 0.08 до 93.0 сек-1 (в зависимости от шпинделя и модели вискозиметра). 2. Жидкостные термостаты.

Страницы: 1, 2, 3