Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры или вискозиметры с коаксиальными цилиндрами состоят из двух соосных вертикальных цилиндров, между которыми помещается испытуемая жидкость. Электромотором или падающим грузом один из цилиндров приводится во вращение. Исследуемая жидкость оказывает вязкое сопротивление его вращению и передает движение второму цилиндру. У некоторых типов приборов вращается внутренний цилиндр, а у других — внешний.

В зависимости от способа монтирования второго цилиндра ротационные вискозиметры делятся на две группы: с неподвижным цилиндром и торсионные вискозиметры.

14)

  — угловая скорость. У торсионных вискозиметров внутренний цилиндр подвешен на упругой нити. Движение жидкости вызывает закручивание цилиндра на угол, при котором момент упругих сил, возникающих при закручивании нити, уравновешивается моментом сил внутреннего трения вращающейся жидкости. Угол поворота цилиндра <р измеряется. Если Q—угловая скорость вращения внешнего цилиндра; К —постоянная для подвеса, зависящая от его упругости; С —постоянная вискозиметра, определяющаяся геометрическими размерами прибора, то вязкость испытуемой жидкости вычисляется по формуле

Постоянные ротационных вискозиметров определяются обмером или калиброванием эталонными жидкостями.

Как правило, ротационные вискозиметры выполняются из металла. Важным условием точных и воспроизводимых измерений вязкости является постоянное и возможно меньшее трение цилиндров и других движущихся деталей в опорах. Вращающийся цилиндр устанавливается на шариковых подшипниках. Для устранения скольжения испытуемого материала по стенкам цилиндров внутренние их поверхности иногда делают ребристыми, либо с продольной насечкой.

Наибольшие трудности при изготовлении и применении ротационных вискозиметров возникают вследствие необходимости вносить поправки на дно внутреннего цилиндра. Самый простой, но недостаточно точный способ заключается в том, что дно цилиндра делают слегка вогнутым. При погружении цилиндра в жидкость в вогнутости остается воздух и трение дна уменьшается. Отдельные авторы помещали под дно внутреннего цилиндра маловязкую жидкость, например ртуть. Куэтт и Гатчек монтировали внутренний цилиндр между специальными охранными кольцами, уменьшающими турбулентность от его концов. М. П. Воларович пользовался длинными и узкими цилиндрами, чтобы относительная ошибка от трения дна была невелика. В других своих приборах он применял сферическое дно . Теория трения полушарий достаточно разработана . Унгер построил ротационный вискозиметр, в котором цилиндры были заменены вставленными одно в другое полушариями разного радиуса. Муней и Юарт придали дну цилиндров своего прибора коническую форму. Зазор между конусами они выбрали таким, чтобы для каждой точки его отношение к расстоянию от оси вращения было постоянным. Такие вискозиметры называют коници-линдрическими.

А. Ф. Добрянский, А. П. Сиверцев и И. Я. Фридман применили для исследования вязкости минеральных масел при низких температурах прибор с очень малым зазором между цилиндрами1, что позволило не заполнять дна прибора жидкостью и тем самым исключить поправки на дно. Аналогичный принцип использован Заалем и Коэнсом в приборе для исследования битумов.

Следует, однако, отметить, что ошибки от краевых эффектов у вторичных ротационных вискозиметров с длинными и узкими цилиндрами не оказывают значительного влияния на измерения вязкости высоковязких веществ, но они снижают скорости, при которых соблюдается пропорциональность между крутящим моментом и угловой скоростью или угловой скоростью и углом закручивания цилиндра. Таким образом, дефекты прибора сокращают ламинарную область течения.

Специфический недостаток торсионных вискозиметров заключается в остаточной неупругой деформации, присущей нити подвеса. Плавленый кварц является наиболее подходящим материалом для нити, так как обладает высокой и постоянной упругостью, но эти свойства присущи ему только в тонких нитях. Поэтому кварцевые подвесы применяются лишь для небольших цилиндров. Для тяжелых цилиндров используется стальная проволока и проволока из фосфористой бронзы.

М. П. Воларович разработал несколько модификаций ротационных вискозиметров с неподвижным цилиндром . Наиболее совершенным является вискозиметр РВ-7 с неподвижным внешним цилиндром .

Этот прибор рекомендуется М. П. Воларовичем для определения динамической вязкости минеральных масел при температурах от + 10° до—60°, дизельных топлив при температурах ниже —30° и битумов при температурах от +20° до +160°. Измерения вязкости могут производиться в пределах от 5 до Ы07 пуаз. Одновременно прибор служит для определения предельного напряжения сдвига в интервале от 50 до 105 дн/см2. Вискозиметр РВ-7 применяется как первичный и как вторичный вискозиметр.

Схема вискозиметра представлена на фиг. 43. Прибор состоит из внешнего неподвижного цилиндра 2 и внутреннего вращающегося цилиндра 7, приводящегося в движение падающими грузами, привешенными к двум нитям (одна нить на схеме не показана), намотанными на шкив б. Прибор снабжен хорошей термоизоляцией 16. В пространство между нею и внешним цилиндром

помещается охлаждающая смесь или термостатная жидкость. В термостат вмонтирован электрический нагреватель, позволяющий поднимать температуру до 160°. Для измерения температуры служат три термопары 14, вмонтированные в наружный цилиндр. При измерении вязкости определяется время вращения внутреннего цилиндра с помощью стрелки 9 и шкалы 10.

Вязкость в пуазах вычисляется по следующей формуле:

где А, В и С — постоянные для данного прибора; Л — глубина погружения цилиндра.

Предельное напряжение сдвига О в дн/см вычисляется по формуле

где р0 — минимальный вес груза, при котором начинается с увеличением нагрузки вращение внутреннего цилиндра; Рг — трение подшипников: Кг —константа прибора для предельного напряжения сдвига.

Ротационный вискозиметр М. П. Воларовича с неподвижным внутренним цилиндром применяется для определения вязкости битумов и некоторых других высоковязких нефтепродуктов. Прибор позволяет измерять вязкости до 108 пуаз.

Устройство прибора ясно из фиг. 44.

В лабораториях некоторое применение находит ротационный вискозиметр Штормера, в котором внутренний цилиндр приводится во вращение постоянным падающим грузом . Прибор калибруется эталонными жидкостями, и по скорости вращения цилиндра в испытуемой жидкости вычисляется ее вязкость.

Этот прибор обладает принципиальными недостатками, которые не позволяют пользоваться им в качестве абсолютного вискозиметра. Движение жидкости во время определения носит турбулентный характер, чему способствуют тормозные перегородки, установленные на дне цилиндра, и кожух для термометра, смонтированный между цилиндрами.

В последнее время вискозиметр был усовершенствован С. С. Воюцким и Р. М. Панич . Они удалили перегородки и кожух для термометра, что позволило отодвинуть порог турбулентности, а также производили измерение не с постоянным грузом, а с набором грузов, что дало возможность проверить правильность работы модифицированного прибора.

Вискозиметр Гатчека (фиг. 45) применяется для измерения вязкости маловязких жидкостей. Он состоит из внутреннего цилиндра 7, подвешенного на упругой нити 2 к массивному штативу 3. Специальные охранные приспособления 4 и 5 предохраняют от искажающего влияния концов цилиндра. Внешний цилиндр приводится в равномерное вращение посредством шкива 7. Угол поворота внутреннего цилиндра регистрируется по отражению луча света от зеркальца 8. Для вычисления вязкости необходимо знать сопротивление кручению подвеса. Предельный угол поворота цилиндра 7 регулируется стопорным устройством 6.

Описание других ротационных вискозиметров можно найти в монографиях М. М. Кусакова , Л. С. Блоха и А. Ф. Добрянского , Барра и Гатчека .