вискозиметр что это такое
Вискозиметр. Виды и назначение. Работа и уход. Особенности
Вискозиметр – измерительный прибор, предназначенный для определения динамической и кинетической вязкости жидкостей. Название устройства имеет латинское происхождение. «Viscosus» в переводе означает вязкий.
Где используется вискозиметр
Это крайне востребованное устройство для поддержания технологического процесса различных производств. Его используют в десятках направлений, к числу которых относятся:
Для поддержания различных технологических процессов имеет значение вязкость веществ, принимаемых в них участие. Примером является переработка нефти, в частности получение из него топлива для ДВС, смазочного масла. Так, в медицине вискозиметрами измеряют вязкость крови, в пищевой промышленности – меда, молока, соков, в фармакологи – сиропов и прочих густых субстанций.
Виды вязкости, и чем они отличаются
Как понятно из определения вискозиметров, они используются для определения динамической и кинетической вязкости. Чаще всего устройства применяются для измерения динамической густоты. Это показатель текучести в нормальных условиях. Под ними подразумевается температура окружающей среды и измеряемого вещества в пределах 18-22°С.
Под кинетической вязкостью определяется текучесть под воздействием определенной температуры или давления. Этот показатель имеет значение при исследовании жидкостей, в частности того как они себя поведут при нагреве, охлаждении т.д. Без вискозиметра невозможно испытание холодного и горячего масла для ДВС, и прочих технических жидкостей.
Типы вискозиметров
Под вискозиметрами подразумевается несколько устройств, отличающихся между собой по принципу работы, однако все они позволяют измерить динамическую и кинетическую вязкость.
Данные устройства бывают следующих типов:
Ротационный
Это один из самых сложных приборов для измерения вязкости жидкости. По внешнему виду он напоминает кухонный миксер. Устройство разработано для измерения динамической вязкости. Оно представляет собой электронный блок, управляющий шпинделем, который вращается в емкости. Последняя заполняется исследуемой жидкостью. За счет вязкости она замедляет шпиндель, от чего он оборачивается медленнее. Чем выше вязкость, тем больше сопротивление.
Ротационный вискозиметр автоматически подсчитывает обороты оси в жидкости, и выводит годовое значение на экран. Это единственные приборы, с помощью которых можно измерить истинную вязкость ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Данные устройства определяют вязкость в единицах Па·с.
Капиллярные
Представлены не менее чем десятком конструкций, разработанных учеными физиками в различные годы. Самые известные из них вискозиметры Оствальда, Уббелоде, Кэнон-Финские.
Все они подразумевают измерение времени, за которое жидкость вытечет через небольшое отверстие капилляр. Чем выше вязкость, тем медленнее вещество стекает. Все что нужно, просто определить время. Затем по нему делаются расчеты вязкости, или используются специальные таблицы перевода.
С движущимся шариком
Это достаточно простая конструкция, работающая основываясь на физическом законе Стокса. Она отличается высокой точностью измерения, поэтому может использоваться и в лабораториях. Прибор представляет собой наклоненную колбу, в которую заливается тестируемая жидкость. В ней находится небольшой шарик. Колба предусматривает возможность оборачивания на 180 градусов.
Процесс измерения заключается в том, чтобы определить за какое время шарик упадет с верхнего положения до нижней контрольной метки. За счет вязкости жидкостей он падает гораздо медленнее, чем на воздухе, что позволяет человеческому глазу определить момент прохождения контрольных меток. Однако результаты измерения сильно зависят от скорости реакции человека, который использует вискозиметр. За счет возможности вращения колбы на 180 градусов, можно проводить несколько измерений подряд, чтобы вывести по ним среднее арифметическое значение. Более точными являются автоматизированные устройства, так как при их использовании исключается человеческий фактор.
Вибрационный
Это вискозиметр, который определяет вязкость путем воздействия на исследуемую жидкость вибрацией, создаваемой погружным зондом. Получаемая в результате резонансная частота колебания напрямую зависит от текучести. Это цифровые устройства, высчитывающие вязкость с лабораторной точностью.
Особенность приборов этого типа в том, что они способны определять густоту даже в ходе химической реакции. Это позволяет с их помощью оценивать степень готовности подготавливаемой жидкости, к примеру, если она доводится к нужной текучести путем выпаривания.
Зонды приборов этого типа часто можно встретить внутри производственных линий. Аппараты монтируются в системы трубопроводов для нефти и прочих производственных жидкостей. Зачастую это высокотемпературные приборы, способные переносить сильный нагрев или охлаждение.
Пузырьковый
Это вискозиметр, работающий по схожему принципу, что и прибор с шариком. Только в этом случае выполняется замер времени, за которое пузырек воздуха или другого газа поднимается через всю колбу, заполненную исследуемой жидкостью. Это достаточно специфическое устройство, не отличающееся выдающейся точностью или удобством, поэтому и используется редко.
Чашка-вискозиметр
Это наиболее простой тип прибора, применяемый для подготовки лакокрасочных материалов. Он является разновидностью капиллярного или проточного устройства.
Неразбавленные растворителями краски обладают различной вязкостью. Ее показатель имеет значение при выполнении малярных работ с использованием краскопульта. Избыточно густые ЛКМ плохо продуваются через его сопло. Кроме этого они не растекается по поверхности, поэтому покрытие покрывается шагренью. Для решение этой проблемы выполняется предварительное определение вязкости краски вискозиметром. После этого она разбавляется растворителем до оптимальной густоты.
Использование чашки-вискозиметра позволяет быстро определить вязкость краски. Этот прибор представляет собой воронку с рукояткой общим объемом обычно 100 мл. В ней имеется отверстие диаметром до 4 мм. Принцип работы прибора заключается в замере времени, которое потребуется, чтобы краска вытекла из воронки. Чем она гуще, тем медленнее вытекает.
Инструкция к прибору крайне проста:
Чтобы получить максимально точные данные на столь примитивном устройстве, стекающие капли после прекращения струи не учитываются. На погрешность устройства влияет окружающая температура. Оптимально проводить измерение при 18-22°С.
Применяя вискозиметр необходимо стремиться довести вязкость ЛКМ до таких значений измерения:
Прибор типа чашки или воронки является самым доступным и простым в применении. Его нередко используют как одноразовое устройство. При желании воспользоваться им повторно, важно провести тщательную мойку от остатков краски, так как ее слой уменьшает диаметр отверстия воронки. Из-за этого все последующие измерения получат искажение.
Нередко прибор входит в стандартную комплектацию электрических краскопультов, так как те имеют строгое ограничение на вязкость красок, которые можно безопасно в них заливать. При их излишней густоте устройство может сломаться. Обычно в инструкции к таким приборам указываться «максимальная вязкость материалов – 40 DIN-сек» или другое значение. Это значит, что краскопульт способен распылять жидкости, которые стекают через прибор менее чем за 40 сек.
Суттарда
Также достаточно распространенными в быту является вискозиметр Суттарда. Это устройство представляет собой полый цилиндр из устойчивого к коррозии материала. Он располагается на диске с круговой разметкой.
Суть использования такого вискозиметра заключается в том, что цилиндр устанавливается на шкалу. В него заполняется строительный раствор, обычно штукатурка или гипсовое тесто. После этого цилиндр резко поднимается. Так как у него нет дна, то содержимое растекается по диску.
Применяя устройство этого типа, можно определить текучесть штукатурки, шпаклевки при ее приготовлении. Раствор или клей оптимальной густоты является более простым в нанесении, обладает лучшей прочностью.
Особенности ухода за прибором
Вискозиметр нуждается только в очистке от остатков жидкостей. Мойка выполняется водой, растворителями или специальными средствами, смывающими рабочий материал. Также аппараты, применяемые в области ГРОЕИ, подвергаются проведению поверки. В первую очередь это касается цифровых автоматических моделей. Поверка выполняется с периодичностью 1 год. Для этого используются специальные поверочные жидкости эталонной вязкости. Устройствами измеряется густота веществ, текучесть которых заведомо известна. После этого сравниваются результаты, чтобы определить фактическую погрешность прибора.
Вискозиметр
Полезное
Смотреть что такое «Вискозиметр» в других словарях:
вискозиметр — вискозиметр … Орфографический словарь-справочник
Вискозиметр — (от лат. viscosus вязкий) прибор для определения вязкости вещества. Вязкость измеряется в пуазах (Па·с). Разновидности вискозиметров Вискозиметры бывают: капиллярными, ротационные, с падающим шариком. Капиллярные вискозиметры Принцип… … Википедия
Вискозиметр — – прибор для определения вязкости жидкотекучих систем. Различают: ротационный вискозиметр для определения истинной вязкости (Па с) в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами; стандартный вискозиметр для определения относительной вязкости … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ВИСКОЗИМЕТР — (от позднелат. viscosus вязкий и греч. metreo измеряю), прибор для определения вязкости. Наиболее распространены В. капиллярные, ротационные, с движущимся шариком, ультразвуковые. Определение вязкости капиллярными В. основано на Пуазёйля законе и … Физическая энциклопедия
Вискозиметр — (от позднелат. viscosus вязкий и греч. metreo измеряю * a. viscosimeter; н. Viskosimeter, Zahigkeitsmesser; ф. viscosimetre; и. viscosimetro) прибор для определения вязкости газов и жидкостей. B нефт. пром сти используется для определения … Геологическая энциклопедия
вискозиметр — сущ., кол во синонимов: 4 • криовискозиметр (1) • термовискозиметр (1) • … Словарь синонимов
вискозиметр — Прибор для определения вязкости. [РД 01.120.00 КТН 228 06] Тематики магистральный нефтепроводный транспорт … Справочник технического переводчика
Вискозиметр — [viscosimeter; fluidimeter] прибор для определения вязкости жидкости или расплава. По принципу действия Вискозиметра подразделяют на: вибрационный, капиллярный, крутильный и ротационный. Смотри также: ротационный вискозиметр вибрационный… … Энциклопедический словарь по металлургии
Вискозиметр
Вискозиметр (от лат. viscosus — вязкий) — прибор для определения вязкости вещества. Вязкость измеряется в пуазах (Па·с).
Разновидности вискозиметров
Вискозиметры бывают: капиллярными, ротационные, с падающим шариком.
Принцип действия основан на подсчёте времени протекания заданного объёма жидкости через узкое отверстие или трубку, при заданной разнице давлений. Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса, в таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. С помощью капиллярного вискозиметра измеряются вязкости от 10 мкПа∙с(газы) до 10 кПа∙с. Используют вискозиметры по ASTM D 445(ГОСТ 33).
Два тела вращения, одинаковых или разных, совмещаются по осям так, что одно из них прикасается изнутри к другому (примером может послужить сфера вписанная в конус). Пространство между телами заполняют исследуемым веществом, и к одному из тел подаётся крутящий момент, тело начинает вращаться с угловой скоростью, зависящей от вязкости вещества (у вискозиметров, как правило, стабилизируется скорость вращения и измеряется крутящий момент). Диапазон работы стандартных вискозиметров простирается от 1 мПа·с до сотен тысяч Па·с[1]. Такой широкий диапазон измерений достижим за счёт изменения скорости вращения шпинделя от 0,01 оборота в минуту до 100, а также за счёт использования шпинделей разных размеров при разных диапазонах вязкости.
Вискозиметр с движущимся шариком
Вискозиметр основан на законе Стокса. Вязкость определяется по времени прохождения шариком некоего расстояния, чаще всего под воздействием его собственного веса. Наиболее известен вискозиметр Гепплера.
Вискозиметр с вибрирующим зондом
Основан на изменении резонансной частоты колебаний в жидкости различной вязкости. Так как частота будет зависеть и от плотности измеряемой жидкости, некоторые модели позволяют определять эту плотность независимо от вязкости, тогда как другие используют заданное известное значение плотности.
Вискозиметр что это такое
Моя мама фармацевт. Однажды она сказала, что в аптеку привезли вискозиметры. Я спросила: «А для чего нужны вискозиметры?». Мама ответила, что для определения вязкости смесей и мазей. В школе такого прибора нет, и про вязкость мы ещё не изучали. Поэтому обратившись к сети Интернет, я узнала, что посредством специализированного прибора вискозиметра измеряется время истечения жидкостей и газов для дальнейшей оценки вязкости. Обусловленные широтой и разнообразием областей применения, необходимость и практическая ценность вискозиметра неоспоримы. Существуют как стандартные, так и узкоспециализированные модели, разработанные исключительно для применения в конкретной области. Вискозиметры применяют для:
измерения динамической вязкости;
измерения вязкости растворов;
диагностических и экспериментальных исследований;
точности подбора материалов для смесей, растворов, покрытий;
определения качества масел, жидкостей, продуктов и пр.;
расчета иных реологических характеристик.
Какая большая область применения! Конечно, мне захотелось больше узнать и о приборе, и как определить вязкость жидкости.
Цель исследования – с помощью самодельного вискозиметра определить коэффициент динамической вязкости жидкости
Изучить дополнительную литературу по данной теме
Изучить явление внутреннего трения в жидкостях
Экспериментально определить коэффициент внутреннего трения жидкостей: воды, сахарного сиропа, рафинированного масла
Исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения от температуры
Сравнить полученные значения коэффициента внутреннего трения с табличными значениями
Объект исследования: вискозиметр
Предмет исследования: коэффициент динамической вязкости жидкости
Методы: исследование, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.
2.1Разновидности и сферы применения вискозиметров
Вязкость – характеристика, которая определяет величину трения слоев внутри жидкости. То есть сопротивление между молекулами вещества при их движении. Чем меньше вязкость, тем более текучей является жидкость. Измерение вязкости проводится при помощи специальных аппаратов –вискозиметров. Лабораторное оборудование и приборы для определения вязкости выбирают исходя из свойств и температуры исследуемой пробы, а также необходимой точности испытания.
• приборы с падающим шариком.
В кулинарии и пищевой промышленности, к примеру, важно значение динамической вязкости расплавленного шоколада для идеального смешивания и покрытия продуктов. Соусы и подливы должны легко вытекать, но не растекаться по посуде.
2.2 Явление внутреннего трения в жидкостях
Вязкость (внутреннее трение) – это свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Во всех реальных жидкостях (газах) при перемещении одних слоев относительно других возникают силы трения. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует тормозящая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.
Для явления внутреннего трения справедлив закон Ньютона (1687 г.):
η − коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости).
Единицей динамической вязкости в СИ является паскаль – секунда (Па⋅с).
Коэффициент динамической вязкости зависит от температуры, причем
характер этой зависимости существенно различается для жидкостей и газов. С повышением температуры коэффициент вязкости у жидкостей сильно уменьшается, а у газов, напротив, возрастает.
Наблюдается два вида течения жидкости (газа). В одних случаях жид-
кость как бы разделяется на слои, которые скользят относительно друг друга,
не перемешиваясь. Такое течение называется ламинарным (слоистым).
Используемый в этой работе метод Пуазейля [2] основан на
ламинарном течении жидкости в тонком капилляре и позволяет измерить ее
вязкость по объему вытекшей жидкости.
Согласно формуле Пуазейля, объем жидкости V, протекающий по капилляру длиной l и диаметром d за время t при разности давлений ΔР на концах капилляра, определяется следующим образом:
Коэффициент динамической вязкости η, как следует из формулы Пуазей-
ля, определяется по формуле:
3.Определение коэффициента внутреннего трения жидкости
Для изготовления вискозиметра необходимо взять пластиковую бутылку объёмом 1,5-2 литра. Крышку с бутылки нужно снять.
В качестве трубки, где будет определяться величина внутреннего трения жидкости, можно взять пустой стержень от шариковой ручки длиной примерно 70 мм. Эту трубку нужно вставить в шприц объёмом 1 мл, а у противоположного конца шприца сделать отверстие. Перед установкой стержня необходимо определить его линейные размеры: длину l и внутренний диаметр d.
При такой компоновке деталей поршень шприца будет работать как запорный кран. А теперь этот шприц нужно вставить в бутылку через резинку. В таком виде прибор готов к работе.
В большинстве случаев измерение в вискозиметрах основано на наблюдении истечения жидкости, скорость которой зависит от вязкости по известному закону Пуазейля:
Кроме прибора для выполнения эксперимента понадобятся мензурка и секундомер.
3.1Определение коэффициента внутреннего трения воды при температуре
нальём полную бутылку воды; крышку при этом нужно оставить снятой;
установим изготовленный прибор на подставку так, чтобы под кран можно было подставить мензурку;
определим высоту жидкости h1 от уровня трубки;
откроем кран и с помощью секундомера определим время t вытекания некоторого объема воды (70 мл);
после окончания измерений определим высоту жидкости h2;
по данным измерений найдём величину разности давлений:
определим объём жидкости, протекающий через капилляр в единицу времени:
определи коэффициент вязкости жидкости η:
результаты занесём в таблицу:
Температура воды была определена с помощью мобильной естественно- научной лаборатория (ЛабДиск- мультисенсорный регистратор данных)
Вискозиметрия
Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.
Особую группу образуют методы измерения вязкости в малых объёмах среды (микровязкость). Они основаны на наблюдении броуновского движения, подвижности ионов, диффузии частиц.
Ротационный метод вискозиметрии
Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.
Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.
При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:
Заметим вновь, что М1 = М2, откуда после нескольких преобразований относительно φ имеем:
или
где k – постоянная ротационного вискозиметра.
Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем: или
В этом случае G – момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за τ с).
Ультразвуковой метод вискозиметрии
Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнито-стрикционного материала, называемую зондом вискозиметра на которую намотана катушка, в которой возникают короткие импульсы тока длительностью порядка 20±10 мксек, приводящие к возникновению колебаний. В соответствии с законом сохранения, при колебаниях пластинки в катушке наводится ЭДС, которая убывает со скорростью, зависящей от вязкости среды. Затем, при падении ЭДС до определённого порогового значения, в катушку поступает новый импульс. Вискозиметр определяет вязкость среды по частоте следования импульсов.
Вискозиметры, действие которых основано на ультразвуковом методе вискозиметрии, нельзя отнести к классу вискозиметров с широким диапазоном измерений. К классу высокотемпературных вискозиметров их также нельзя отнести в силу величины относительной погрешности, возникающей при высокотемпературной вискозиметрии и свойств материалов прибора.
Капиллярный метод вискозиметрии
Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости нопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:
где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.
Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L’:
n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.
Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высококтемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.
Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.
Метод падающего шарика
Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение:
Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:
На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.
Вибрационный метод вискозиметрии
Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра,при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).
Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз .
Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:
Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:
Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2).