Измерение вязкости

Содержание

 

1. Введение

1.1 Вязкость

1.2 Вязкость газов

1.3 Вязкость жидкостей

2. Измерение вязкости

2.1 Вискозиметры

2.2 Реометры

2.3 Шпиндели различной геометрии

2.4 Контроль температуры

2.5 Измерение вязкости образцов  малого объема

2.6 Измерение низкой вязкости.

2.7 Измерение вязкости при высокой  температуре.

2.8 Определение скорости сдвига.

2.9 Измерение с высокой скоростью  сдвига.

2.10 Определение напряжения сдвига.

2.11 Нетекучие материалы.

2.12 Измерение вязкости в опасных  условиях.

3. Таблицы конверсии различных величин измерения вязкости.

4. Заключение.

4.1 Условия измерения.

Список используемой литературы.

1. Введение

 

1.1 Вязкость

 

Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

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.

Вторая вязкость, или объёмная вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.

Если динамическая (и кинематическая) вязкость характеризует деформацию чистого сдвига, то вторая вязкость характеризует деформацию объёмного сжатия.

В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под  которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:

 

 

 

 

 

1.2 Вязкость газов

 

Вязкость газов — это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями.

Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в  ходе которого от одного слоя к другому передается импульс.В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле: ,   (1)

Из этого выражения в частности  следует, что вязкость не очень разреженных  газов практически не зависит  от давления, поскольку плотность  прямо пропорциональна давлению, а  — обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов, например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).

В отличие от жидкостей, вязкость газов увеличивается с увеличением температуры (у жидкостей она уменьшается при увеличении температуры).

Вязкость воздуха зависит, в  основном, от температуры. При 15.0 °C вязкость воздуха составляет 1.78·10−5 кг/(м·с), 17.8 мкПа.с или 1.78·10−5 Па.с..

Вязкость отдельных видов газов  при давлении 100 кПа:

Газ	При 273 К (мкПа·с)	При 300 К (мкПа·с)
воздух	17,4	18,6
водород	8,4	9
гелий		20
аргон		22,9
ксенон	21,2	23,2
углекислый газ		15
метан		11,2
этан		9,5

 

 

1.3 Вязкость жидкостей

 

Вязкость жидкости – свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев относительно друг друга, обусловливающее силы внутреннего трения между слоями, имеющими различные скорости движения.

Жидкости, у которых коэффициент внутреннего трения не зависит от градиента скорости, называются Ньютоновскими. К ним относятся вода, масла, нефтепродукты и другие среды.

Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости  вязкости от скорости деформации различают  псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.

Динамическая вязкость воды составляет 8,90 × 10−4 Па·с при температуре около 25 °C.

Вязкость жидкостей при 25^оС:

жидкость	Вязкость (мПа*с)
ацетон	0,306
кукурузный сироп	1380,6
кровь (при 37оС)	3-4
этиловый спирт	1,074
ртуть	1,526
пропанол	1,945
оливковое масло	81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Измерение вязкости

 

2.1 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.

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

Принципиальная схема электромагнитных вискози - метров компании cambridge applied systems.

2.2 Реометры

 

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.