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.

 

 

 

 

2.3 Шпиндели  различной геометрии

 

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.

 

2.4 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 120^оС (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 +300^оС. 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.

 

2.5 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.

 

2.6 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.

 

 

2.7 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 +300^оС. 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.

Жидкостные термостаты Брукфильда также можно использовать для  измерения вязкости при повышенных температурах. Некоторые модели имеют  рабочий максимум 200^оС. Более подробная информация приведена в разд. 3.

3. Система конус/плита со встроенным нагревателем.

Вискозиметры и реометры серии  САР имеют высокотемпературную  плиту, нагреваемую до 325^оС, что позволяет работать со смолами и полимерами. Специальная модификация реометра R/S (R/S CPE-E) позволяет разогревать плиту до 250^оС. Малый размер образца обеспечивает быстрое достижение рабочей температуры.

 

2.8 Скорость сдвига

 

Во многих случаях требуется  измерить абсолютную вязкость продукта, для чего нужно определить скорость сдвига. Ниже перечислены модели приборов и адаптеров, позволяющих определить скорость сдвига, и номера разделов содержащих более подробную информацию.

Цилиндрические шпиндели Адаптер UL Адаптер DIN Адаптер SS Система Thermosel Вискозиметры с геометрией конус/плита Вискозиметр САР Реометр R/S.

 

2.9 Высокая скорость сдвига

 

Большинство моделей  вискозиметров Брукфильда ориентировано  на относительно невысокие скорости сдвига, обычно не выше 100 с^-1.Некоторые модели вискозиметров в комплекте с адаптерами UL , SS и системой Thermosel развивают скорость сдвига до 300 с^-1. Для достижения более высоких скоростей сдвига следует использовать геометрию конус/плита или реометры PVS и R/S.

1. Вискозиметры и реометры с геометрией конус/плита.

Вискозиметры  с геометрией конус/плита позволяют определить абсолютную вязкость малой пробы продукта при определенной скорости сдвига и напряжении сдвига. Объем пробы составляет всего 0.5-2.0 мл, а скорость сдвига имеет диапазон 0.6-1875 сек^-1 (в зависимости от модели вискозиметра и используемого конуса). Измерительная часть заключена в двойной кожух для контроля температуры.

Полный диапазон измерения вязкости составляет от 0.1 сПз до 2.6 миллионов сПз. Хотя отдельный  прибор не покрывает весь диапазон, использование сменных шпинделей  обеспечивает каждому вискозиметру очень широкий диапазон измерения.

Геометрию конус/плита  можно использовать с различными моделями цифровых вискозиметров. Настоятельно рекомендуется также приобрести жидкостной термостат для точного  контроля температуры.

Геометрия конус/плита всегда поставляется вместе с вискозиметром. ЕЕ нельзя приобрести отдельно в качестве аксессуара или для модификации имеющегося вискозиметра. Вискозиметр можно также использовать и с обычными дисковыми и цилиндрическими шпинделями, однако потребуется удлиненный штатив.

2. Вискозиметры и реометры САР.

Приборы серии  САР имеют геометрию конус/плита  и обеспечивают высокую скорость сдвига. Они разработаны для исследований и контроля качества таких материалов, как краски, покрытия, смолы, чернила, косметика, фармацевтические изделия и продукты. Все приборы серии САР имеют встроенный контроль температуры, объем пробы не превышает 1 мл.

САР 1000 представляет собой односкоростной вискозиметр, 750 об/мин при 50 Гц и 900 об/мин при 60 Гц. Скорость сдвига составляет 12000 сек^-1 и 3000 сек^-1 при 60 Гц и 10000 сек^-1 и 2500 сек^-1 при 50 Гц (в зависимости от шпинделя).

САР 2000 позволяет  менять скорость вращении от 50 до 1000 об/мин. Диапазон измерения вязкости составляет 0.1 - 1500 Пз (0.1 - 1500 Па*с) при скоростях вращения от 166 до 13300 сек^-1. САР 1000 соответствует требованиям стандартов BS 3900, ISO 2884 и ASTM D 4287.

3. Реометр R/S.

Данный реометр  обеспечивает скорость вращения 4100 сек-1 при коаксиальной геометрии и 4800 сек^-1 при геометрии конус/плита. Максимальная скорость вращения составляет 800 об/мин.

4. Реометр PVS.

Данный реометр  предназначен для измерения вязкости при высоком давлении и температуре. Диапазон давления от атмосферного до 1000 psi и диапазон температур от -40 до +200^оС позволяют широко использовать реометр для исследования буровых растворов, пульпы и бумаги, пластиков, нефтехимических продуктов и аэрозолей. Реометр имеет скорости вращения от 0.05 до 1000 об/мин и соответствующие скорости сдвига от 0.01 до 1700 сек^-1 . Датчик крутящего момента расположен в подшипнике и не подвержен воздействию высокого давления и температуры.