8.3.1.2 Капиллярные вискозиметры

Для ламинарного течения ньютоновской жидкости через капиллярную трубку из формулы Пуазейля (8.14) легко получается расчетное соотношение

,

где k – постоянный коэффициент, величина которого зависит от выбора единиц измерения непосредственно измеряемых физических величин (k = 1, если для всех физических величин использованы единицы системы СИ); R, l – внутренний радиус и длина капилляра; g – расход жидкости через капилляр; ΔP – перепад давления на капилляре.

При постоянных значениях g, R, l, k

,

где постоянный коэффициент.

Рис. 8.10 Схемы промышленных вискозиметров:

а – вискозиметрическая воронка типа В3-4; б – капиллярный вискозиметр;

в – вискозиметр с падающим шариком; г – вискозиметр Хепплера;

д – ротационный вискозиметр типа цилиндр-цилиндр; е – ротационный

вискозиметр типа диск-диск; ж – ротационный вискозиметр типа диск-конус

На рис. 8.10, б приведена принципиальная схема автоматического капиллярного вискозиметра. Контролируемая жидкость с постоянным расходом g прокачивается шестеренным дозирующим насосом 3 через капиллярную трубку 4. Перепад давления ΔP на участке капиллярной трубки длинной l измеряют дифманометром 5, шкала которого может быть проградуирована в единицах измерения динамической вязкости µ при условии, что R, l, g – const. Диаметр d = 2R и длину l капиллярной трубки выбирают в зависимости от пределов измерения вязкости. Капиллярную трубку 4 обычно устанавливают в термостате 6.

Погрешность капиллярных вискозиметров (порядка ±2 %) определяется в основном точностью поддержания расхода g = const и температуры T = const контролируемой жидкости. Пределы измерения (0,001…10) Па∙с.

8.3.1.3 Вискозиметры с падающим шариком

Принцип действия таких вискозиметров основан на использовании закона Стокса, связывающего скорость падения шарика в жидкости с ее динамической вязкостью µ, из которого следует [37]:

,

где ρ, ρ_ж – плотность материала шарика и плотность жидкости; R – радиус шарика; v – скорость равномерного движения шарика; g – ускорение свободного падения; k – постоянный коэффициент, зависящий от используемых единиц измерения (k = 1, если для всех физических величин используются единицы международной системы единиц измерения СИ).

Закон Стокса применим только при ламинарном режиме течения жидкости относительно шарика. Вискозиметр с падающим шариком весьма чувствителен к загрязнениям жидкости и наличию пузырьков газа в ней, поэтому его можно применять для измерения вязкости только однородных жидкостей (без инородных включений).

Измерение вязкости сводится к отсчету времени τ, в течение которого шарик при падении проходит участок с определенной длиной l. Принимая во внимание, что скорость падения шарика

,

получаем

,

где постоянная прибора; τ – время прохождения шариком расстояния l между двумя отметками на стеклянном корпусе вискозиметра.

Схема автоматического вискозиметра дискретного действия с падающим шариком рассмотрена в книге [37].

Наряду с вискозиметрами Стокса с падающим шариком при проведении научных исследований применяют вискозиметры с падающим цилиндром, торцы которого выполняют в виде полусфер, радиус которых совпадает с радиусом цилиндра. Отметим, что в зарубежной литературе на английском языке такие приборы называют вискозиметрами с падающей иглой. Достоинством таких вискозиметров является то, что падающий цилиндр (игла) может быть выполнен разборным и полым внутри. За счет того, что внутрь цилиндра можно помещать грузы с различной массой, появляется возможность исследовать зависимость реологических характеристик неньютоновских жидкостей при различных скоростях сдвига. В результате удается получить не одну, а несколько точек кривой течения исследуемой неньютоновской жидкости.

В вискозиметрах Хепплера используется калиброванная стеклянная трубка, установленная под углом 10 к вертикали. За счет этого шарик движется (скользит, скатывается) по стенке наклоненной стеклянной трубки, что позволяет следить за падением шарика и с помощью секундомера регистрировать время τ прохождения шариком определенного расстояния l между двумя отметками на стеклянной трубке. Кажущуюся вязкость вычисляют по формуле

,

где k₂ – постоянная вискозиметра Хепплера.