Методы измерения вязкости Измерение вязкости жидких

Методы измерения вязкости

Измерение вязкости жидких сред в пищевой промышленности представляет собой одну из самых сложных проблем при внедрении АСУ ТП пищевых производств. Большинство процессов связано с пе реработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов и пластических масс. Пищевые продукты обладают способностью нали патьна ЧЭ, выпадать в осадок, из них в процессе производства выделя ютсяразличные вещества, влияющие на ЧЭ или затрудняющие их эксплу атацию. Применение средств измерения вязкости (вискозиметров) в пищевой промышленности очень ограничено из за конструктивно технических недостатков методов измерения вязкости или сложности создания условий эксплуатации самих вискозиметров (например, обя зательное применение термостатирующих устройств ).

Вискозиметры можно классифицировать по трем главным типам: 1. Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированного объема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвига можно измерить примерно от нуля до 106 с-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенное давление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы: Стеклянный капиллярный вискозиметр (ASTM D 445) — Жидкость проходит через отверстие устанавливаемого - диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость сдвига - меньше чем 10 с-1. Кинематическая вязкость всех масел измеряется капиллярными вискозиметрами. Капиллярный вискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) —Фиксированный объем жидкости выдавливается через стеклянный капилляр диаметра под действием приложенного давления газа.

2. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости течению вращающий момент на вращающемся вале. К ротационным вискозиметрам относятся, миниротационный вискозиметр (MRV), вискозиметр Брукфильда и имитатор конического подшипника (TBS). Скорость сдвига может быть изменена за счет изменения габаритов ротора, зазора между ротором и стенкой статора и частоты вращения.

3. Разнообразные приборы используют множество других принципов; например, время падения стального шарика или иглы в жидкости, сопротивление вибрации зонда, и давления, прилагаемого к зонду текущей жидкостью.

Индекс вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее степень изменения в вязкости масла в пределах данного диапазона температур. Высокий ИВ означает относительно небольшое изменение вязкости с температурой, а низкий ИВ означает большое изменение вязкости с температурой. Большинство минеральных основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла (multigrage) часто превышает 110.

Вискозиметр капиллярный Капиллярный вискозиметр представляет собою один или несколько резервуаров данного объёма с отходящими трубками малого круглого сечения, или капиллярами.

Принцип действия капиллярного вискозиметра заключается в медленном истечении жидкости из резервуара через капилляр определенного сечения и длины под влиянием разности давлений. В автоматических капиллярных вискозиметрах жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении времени протекания известного количества жидкости при известном перепаде давлений на концах капилляра. Дальнейшие расчёты ведутся на основании закона Пуазейля: Q – количество жидкости, протекающей через капиллярного вискозиметра в единицу времени, м 3/с; R – радиус капилляра вискозиметра, м; L – длина капиллярного вискозиметра, м; η – вязкость жидкости, Па·с; р – разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

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. Капиллярный вискозиметр за счёт простоты устройства и возможности получения точных значений вязкости нашёл широкое распространение в вискозиметрии жидкостей (масел, расплавов). Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами. Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточна высока, возникает трудность в подборе материала вискозиметра, который может как изменить форму (изменение диаметра капилляра вискозиметра недопустимо), так и вступить во взаимодействие с вязкой жидкостью, что плохо отразится на точности данных измерения вязкости. Относительная погрешность измерений при использовании капиллярного вискозиметра составляет 0, 1– 2, 5%.

Анализируемая жидкость с постоянным расходом от точки отбора прокачивается насосом 1 через измерительный капилляр 3. Перепад (разность) давлений на трубке измеряется дифманометром 5 и далее вторичным прибором 4. Диаметр d (реже длина, из за конструктивных ограничений) капиллярной трубки выбирается в зависимости от преде ловизмерения и рода анализируемой жидкости. Преобразователь устанавливается обязательно в термостатирующем устройстве 2.

Предел измерения капиллярных вискозиметров от 1 СГ 3 до 10 Па • с, допускаемая погрешность не более ± 1 %. Существует много других конструктивных решений вискозиметров, использующих закон Пуазейля: шнековые, поршневые для высоко вязкихжидкостей и др. Однако все капиллярные вискозиметры исполь зуются только для контроля вязкости относительно чистых и однород ных жидкостей, не содержащих взвешенных частиц и пузырьков газов.

Вискозиметр ротационный В вискозиметре ротационном исследуемая вязкая среда помещается в зазор между двумя соосными телами правильной геометрической формы (цилиндры, конусы, сферы, плоскости или их сочетания). Одно из тел, называемое ротором, приводится во вращение с постоянной скоростью, другое остается неподвижным. Вращательное движение от одного тела (ротора) передается жидкостью к другому телу. Теория ротационного метода вискозиметрии предполагает отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей тел. Следовательно, момент вращения, передаваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости жидкости.

Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении крутящего момента при заданной угловой скорости или по угловой скорости при заданном крутящем моменте. Для этих целей вискозиметр ротационный снабжён динамометрическим устройством. В настоящее время наиболее распространены вискозиметры электро-ротационные: внутренний цилиндр, погруженный в вязкую среду, приводится во вращение электродвигателем. Вращающийся с постоянной скоростью ротор вискозиметра при погружении в жидкость или расплав встречает сопротивление равномерному вращательному движению, на валу двигателя возникает тормозящий момент, прямопропорциональный вязкости среды, что вызывает соответствующее изменение электрических регистрируемых характеристик двигателя. Вискозиметры ротационные используются для измерения вязкости сред при температурах от -60°C (масла) до +2000°C (расплавы металлов и силикатов) и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах ± 3 -5%.

Конструктивно ротационные вискозиметры различаются формой вращающегося тела и способами определения крутящего момента. Из всего многообразия ротационных измерительных пар (ЧЭ) можно выделить несколько основных: два коаксиальных цилиндра; параллельные диски (плоскость—плоскость); вращающееся тело, погруженное в жидкость неограниченного объема. Достаточно хорошо себя зарекомендовали ротационные вискозиметры с измерительной парой первого типа: вращающийся с помощью электродвигателя цилиндр.

Насадка 5 приводится во вращение с постоянной у еловой скоростью 0, 15 с“* (двигателем 1 через редуктор 2 и муфту 3). Зазор между насадкой 5 и цилиндром 4 заполнен анализируемой средой. При вращении насадки вязкостные силы создают крутящий момент на цилиндре 4, пропорциональный вязкости. Цилиндр жестко закреплен на конце штока 6, вывод которого из камеры с анализируемой средой осуществляется с помощью упругой мембраны 8. Другой конец штока связан с рычагом пневмосилового преобразователя 7.

Ультразвуковой вискозиметр Сущность метода ультразвуковой вискозиметрии заключается в том, что в исследуемую среду погружают пластинку из магнитно 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 скоростью, 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.

Вискозиметр Гепплера относится к вискозиметрам с движущимся в исследуемой среде шариком. Действие вискозиметра Гепплера основано на законе Стокса о шарике, падающем в неограниченной вязкой среде.

Вискозиметр представляет собою трубку, выполненную из прозрачного (или непрозрачного) материала, в которую помещается вязкая среда. Вязкость определяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра. При использовании вискозиметра Гепплера возникают трудности, связанные с непрозрачностью вязкой среды либо трубки вискозиметра. В этом случае сложно определить местонахождение шарика; с целью преодоления такого характера трудностей были сделаны попытки внедрения в шарик вискозиметра материалов, излучающих рентгеновские лучи. В настоящее время в вискозиметрах типа вискозиметров с падающим шариком применяется способ регистрации магнитных полей. Вискозиметр Гепплера и подобные ему вискозиметры используются для измерения вязкости различных сред и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах 1 3%. Вискозиметр Гепплера, снабжённый термостатирующей баней, часто характеризуется как универсальный высокотемпературный вискозиметр.

Вискозиметры с падающим телом применяются для измерения вязкости очень вязких однородных жидкостей, не содержащих различных загрязнений и пузырьков газов. В зависимости от вязкости среды, постоянно прокачиваемой через измерительную камеру (отрезок немагнитной трубки 1 с калиброванным внутренним сечением), расход (или ско-рость протекания) жидкости регулируется в широких пределах с помощью блока управления 6 двигателя 5 насоса 4.

Шарик 3, выполнящий роль сердечника ДТпреобразователя 2, удерживается восходящим потоком жидкости в среднем положении, при этом сигнал разбаланса равен нулю. При изменении вязкости среды шарик перемещается незначительно относительно среднего положения, что приводит к появлению управляющего сигнала разбаланса усилителя, который через блок управления б регулирует скорость перемещения жидкости таким образом и до тех пор, пока шарик не вернется в свое первоначальное положение (относительно нейтрали ДТП). Пределы измерения вискозиметров (до 100 Па • с) можно изменять в широком диапазоне, изменяя массу шарика. Преобразователь можно использовать в погружаемом варианте или включенным в байпасную линию. Основная погрешность не более ± 0, 5 %. Шариковые вискозиметры довольно перспективны для применения на линиях производства паст, сгущенных пищевых продуктов.

Вискозиметр вибрационный Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет собой резервуар с вязкой жидкостью и некоторое тело (пластина, шар, цилиндр), называемое зондом вискозиметра, которое производит вынужденные колебания в вязкой среде.

Сущность эксперимента заключается в определении изменений параметров вынужденных колебаний зонда вискозиметра при погружении его в вязкую среду. Руководствуясь теорией метода вибрационной вискозиметрии, по значением этих параметров определяют вязкость среды. Вибрационный вискозиметр имеет значительно большую по сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность и также может быть применён для сред температурой до 2000 °C в инертной атмосфере или вакууме при наличии как больших, так и сравнительно малых масс расплавов. В настоящее время для измерения динамической вязкости широко применяют электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды. Вибрационные высокотемпературные вискозиметры с электронным дистанционным управлением могут использоваться в условиях агрессивных средств. Относительная погрешность измерений при использовании вибрационного вискозиметра составляет ± 0, 5 1%. При работе расплавами в интервале 700– 1900 °C общая погрешность вискозиметра увеличивается и может составить ± 3 5%.