РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ МЕТОДІВ ВИМІРУ В'ЯЗКОСТІ І КОНСТРУКЦІЙ РЕОМЕТРІВ ТА ВІСКОЗИМЕТРІВ
Для оцінки існуючих конструктивних рішень віскозиметрів і реометрів спочатку
необхідно провести аналіз методів виміру в'язкості, покладених в основу їхньої
роботи. А також провести аналіз на адекватність процесів у вимірювальному зонді
датчиків процесам у триботехнічному вузлі з зазором 10 мкм (плунжерним парам).
2.1. Методи виміру в'язкості
В даний час при створенні віскозиметрів використовують 7 методів виміру
в'язкості [36]: капілярний; ротаційний; співвісних циліндрів; рівнобіжних
нерухомих чи рухливих площин, що переміщаються; падаючої кульки; крутильних
коливань; вібраційний. Проведемо аналіз методів і визначимо найбільш
перспективні при створенні віскозиметрів для ПС.
1. Капілярний метод, заснований на вимірі в'язкості при течії рідини в
капілярних трубках [37, 38, 39]. В'язкість визначається по уточненій формулі
Пуазейля:
, (2.1)
де R, l - радіус, довжина капіляра; - перепад тиску в капілярі; Q - секундна
витрата рідини щільністю р; п, т - деякі експериментальні коефіцієнти, що
враховують вплив крайових ефектів.
Діапазон виміру в'язкості в капілярних віскозиметрах 10-1 - 104 ПаЧс.
2. Ротаційний метод [40, 41, 42] полягає у вимірі в'язкості матеріалу,
поміщеного між двома співвісними поверхнями і підданого зрушенню. Вимір
в'язкості заснований на законі Ньютона.
Найбільш поширені ротаційні віскозиметри складаються з двох співвісних
циліндрів, між якими поміщається досліджуваний матеріал. Циліндри приводяться в
обертання відомою парою. В'язкість у цьому випадку визначається з формули:
, (2.2)
де М - момент, що діє на циліндр (зовнішній чи внутрішній) на певному відрізку
l; R, r - радіуси зовнішнього і внутрішнього циліндрів; wН, wУ - їхні кутові
швидкості. У багатьох віскозиметрах один з циліндрів нерухомий. У деяких
віскозиметрах замість циліндрів вибираються системи: конус - конус, конус -
площина, диск – диск (рис. 2.1), диск - кільце, сфера - сфера і т.п. [41].
Діапазон виміру в'язкості на ротаційних віскозиметрах - 10-3- 106 ПаЧс.
Рис. 2.1. Кінематична схема ротаційного віскозиметра із системою диск-диск: 1 –
ведучий і 2 – відомий диски, 3 – пристрій для виставляння зазору, 4 – втулки
кріплення осей, 5 – випробувана рідина, Д – двигун
3. Метод співвісних циліндрів складається в переміщенні одного циліндра щодо
іншого поступально уздовж осі [40]. На рис. 2.2 приведений один з варіантів
конструкцій, коли один циліндр нерухомий, а другий - переміщається усередині.
4. Метод рівнобіжних нерухомих чи рухливих площин, що переміщаються.
5. Метод падаючої кульки (діапазон виміру в'язкості - 10-4 - 103 ПаЧс). Вимір
в'язкості заснований на відомій формулі Стокса, що зв'язує силу опору F руху
кульки радіуса r у грузлій рідині з в'язкістю і швидкістю його руху v:
F=. (2.3)
Цей метод використовується для лабораторних віскозиметрів.
Рис. 2.2. Кінематична схема віскозиметра на співвісних циліндрах: 1 - нерухомий
циліндр, 2 – рухливий циліндр, 3 – шток, що з'єднує двигун і рухливий циліндр,
4 – випробувана рідина, РТ – тиск рідини, РД – тиск із боку двигуна на рухливий
циліндр 2; Д – двигун
Широке поширення дістали ультразвукові віскозиметри [43]. Відомі дві
модифікації цих приладів - низькочастотні (чи вібраційні) і високочастотні
(власне, ультразвукові). У першому випадку довжина вібратора менше довжини
хвилі коливань, створюваних генератором. В другому випадку, частота генератора
вибирається рівній власний (резонансній) частоті вібратора.
Відмінність полягає в тому, що в низькочастотному варіанті швидкість пластинки
у всіх її точках однакова, пластина коливається як єдине ціле, у той час як в
ультразвукових віскозиметрах швидкість пластинки розподілена по її довжині по
синусоїдальному закону,
Вібратором можуть служити п'єзоелементи з кварцу, п'єзокераміки чи магнито
стрикционные пластинки.
6. Метод крутильних коливань (маятникові віскозиметри) [44].
У потік рідини поміщається маятник, здатний робити крутильні коливання. Нехай
крутильні коливання маятника описуються диференціальним рівнянням:
, (2.4)
де I - момент інерції маятника разом із приєднаним моментом рідини; b -
коефіцієнт опору середи, пропорційний шуканій в'язкості; с - крутильна
жорсткість пружини, на якій підвішений маятник. Вимірюючи декремент загасання
коливань маятника по відомих формулах визначають в'язкість. До цього методу
близько примикає метод падаючої хвилі [45].
, (2.5)
де k , k1 - коефіцієнт форми тіла; a1, a1 - прискорення падаючої і відбитої від
випробуваної рідини хвиль, що виміряються акселерометрами; Т - період власних
коливань тіла в досліджуваній рідині; Q - вага тіла; лінійний розмір тіла l.
7. Вібраційний метод [44].
Вимірювальним елементом (датчиком) вібраційного віскозиметра є вібратор
(звичайно металевий стрижень), що стикається з досліджуваною рідиною і робить
дуже малі коливання з амплітудою в кілька мікрометрів. Опір середовища руху
вібратора складається з активного і реактивних. Активний опір обумовлений двома
причинами: випромінюванням звукової енергії в навколишнє середовище і втратами
на грузле тертя. Зі зменшенням розмірів вібратора випромінювання звукової
енергії зменшується настільки, що їм можна зневажити. Активний опір Fа,
пропорційний , де h - в'язкість, r - щільність рідини. По виміру активного
опору визначається в'язкість матеріалу.
Описані вище методи виміру в'язкості використовуються для виміру не тільки
статичної, але і вібраційної в'язкості
- Київ+380960830922