СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕЛИНЕЙНО-ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING VISCOSITY OF NONLINEAR VISCOUS LIQUIDS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам определения вязкости нелинейно-вязких жидкостей.
Особенность таких жидкостей состоит в том, что при изменении частоты вращения мешалки происходит изменение вязкости. Причем существует пороговое значение частоты вращения мешалки, при котором вязкость изменяется практически скачком. Значение вязкости зависит также и от температуры жидкости. То есть кривая течения таких жидкостей не является линейной, т.е. вязкость непостоянна, а зависит от скорости сдвига или от предыстории деформации материала. Такие жидкости относят к неньютоновским жидкостям, поскольку они не подчиняются законам Ньютона.
Известно несколько методов измерения вязкости: капиллярный, вибрационный, ротационный и ультразвуковой.
Метод капиллярной вискозиметрии [Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. - М.: Химия, 1979] опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре и применима она только для ньютоновских жидкостей.
Принцип действия вибрационных вискозиметров [Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / Пер. с англ. - СПб.: Профессия, 2007] основан на изменении параметров вынужденных колебаний тел правильной геометрической формы. Недостатком этих приборов является то, что они не дают информации о степени сохранности пространственной структуры нелинейно-вязкой среды.
Ротационный метод вискозиметрии [Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / Пер. с англ. - СПб.: Профессия, 2007] 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 остается неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью, т.е. вращательное движение ротора вискозиметра передается к другой поверхности. Таким образом, момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости. Недостатком данных приборов является необходимость подбирать соответствующие шпиндели при изменении частоты вращения ротора, что обуславливает ее дискретный характер. Кроме того, отсутствует возможность учета влияния частоты вращения вала на вязкость.
Ультразвуковой способ измерения вязкости [Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. - М.: Химия, 1979] основан на измерении скорости затухания колебаний в пластинке из магнитострикционного материала, погруженной в исследуемую среду. Основным недостатком данного метода является узкий диапазон измерений из-за свойств материала прибора.
На сегодняшний день существует измерение вязкости на потоке (экспресс-метод), относящийся к косвенным методам измерения, где в основу положен принцип измерения корреляционной зависимости между удельной вязкостью полимера и вязкостью по Муни [Методы исследования структуры и свойств полимеров: Учеб. пособие / И.Ю. Аверко-Антонович, Р.Т. Бикмуллин; КГТУ, Казань, 2002, 604 с.]. Недостатком данного метода является нарушение корреляции из-за влияния различных факторов, не учитываемых уравнением, например влияния полидисперсности полимера на вязкость по Муни.
Одной из особенностей определения вязкости каучуков по методу Муни, является оценка свойства полимера, стойкости полимера к преждевременной вулканизации [Определение показателя Муни полимера в латексе СКМС-30АРКПН по вязкости / Н.Д. Вейсейская, В.А. Рыжов, Б.С. Неделькин, В.О. Рейхсфельд // Промышленность СК, М., 1976, №7. - С.20-21].
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ, реализованный в устройстве для измерения вязкости текучих сред [патент РФ №2152022] с использованием измерительной камеры, в которую установлен ротор асинхронного двигателя, а блок формирования информационного сигнала выполнен по схеме моста переменного тока, в плечи которого включены конденсаторы переменной емкости, образованные электродами статора тахометра и, по меньшей мере, одним полюсом его ротора, который через конденсатор постоянной емкости, образованный поверхностью ротора асинхронного двигателя и стенкой корпуса датчика вязкости, связан с одним из полюсов питающего моста генератора, другой полюс которого гальванически связан с общей точкой резисторов разных плеч моста.
Недостатком указанного технического решения является его неприменимость для неньютоновских жидкостей, поскольку вращение ротора может нарушить пространственную структуру жидкой среды.
Задачей изобретения является разработка метода определения вязкости неньютоновских жидкостей на потоке, отличающегося тем, что в процессе измерения не должна разрушаться пространственная структура жидкой среды.
Указанная задача решается тем, что в способе определения вязкости нелинейно-вязких жидкостей в качестве датчика вязкости используют частотно-регулируемый привод в комплекте с асинхронным электродвигателем мешалки, у которого стабилизируют синхронную частоту питания и напряжение двигателя, при этом по частоте вращения вала мешалки и температуре жидкости рассчитывают вязкость по соотношению:
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><msub><mtext>b</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>(</mtext><mi>Ω</mi><mtext>,t)</mtext><mo>+</mo><msub><mtext>b</mtext><mtext>1</mtext></msub><mtext>(</mtext><mi>Ω</mi><mtext>,t)</mtext><mi>ω</mi><mo>+</mo><msub><mtext>b</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>(</mtext><mi>Ω</mi><mtext>,t)</mtext><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><mtext>,                                                  (1)</mtext></mrow>
0
1
2
где ν - вязкость полимера, ω - частота вращения вала электродвигателя, t - температура полимера, Ω - стабилизированная синхронная частота электродвигателя, b, b и b - коэффициенты, зависящие от синхронной частоты и температуры.
В части устройства поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения вязкости нелинейно-вязких жидкостей, включающем измерительную емкость с термометром и мешалкой, вращаемой асинхронным двигателем, который управляется частотным преобразователем регулируемой частоты и напряжения, при этом на вал мешалки прикреплен магнит, перемещение которого фиксируется датчиком Холла и осциллографом, сигналы с которого передаются на компьютер.
В результате проведения ряда экспериментов и обработки статистическим методом анализа полученных данных, была выявлена функциональная зависимость:
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi>Ω</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mtext>a</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>(t</mtext><mtext>,</mtext><mi>Ω</mi><mtext>)</mtext><mo>+</mo><msub><mtext>a</mtext><mtext>1</mtext></msub><mtext>(t</mtext><mtext>,</mtext><mi>Ω</mi><mtext>)</mtext><mi>ν</mi><mo>+</mo><msub><mtext>a</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>(t</mtext><mtext>,</mtext><mi>Ω</mi><mtext>)</mtext><msup><mi>ν</mi><mtext>2</mtext></msup><mtext>,                                                  (2)</mtext></mrow>
0
1
2
где Т - это время одного полного оборота вала привода, ν - вязкость, Ω - заданная частота, t - температура полимера, а, a, а - коэффициенты уравнения, определяемые экспериментальным методом и зависящие от синхронной частоты, температуры, характеристики асинхронного двигателя.
Результаты эксперимента, полученные при разных заданных частотах, но при постоянной температуре и при одной заданной частоты, но при разных температурах, приведены на фигурах 2 и 3 соответственно. Из формулы (2) путем алгебраических преобразований получена формула (1), где частота ω определяется через время одного полного оборота вала привода Т.
На фигуре 1 представлена схема устройства для измерения вязкости на потоке.
Устройство включает в себя трехфазный асинхронный электродвигатель 1 с короткозамкнутым ротором, мешалку 2 и частотно регулируемый привод 3, в котором есть возможность измерения тока в цепи и напряжения, подаваемого на электродвигатель. На вал мешалки прикреплен магнит 4, перемещение которого фиксируется датчиком Холла 5 и осциллографом 6. Температура жидкости 7, помещенная в емкость 8 водяной бани 9, измеряется термометром 10. Вычисление вязкости производится на компьютере 11.
Устройство работает следующим образом. Измеряемую жидкость 7 помещают в емкость 8 с мешалкой 2, вращаемой асинхронным двигателем 1, который управляется частотным преобразователем 3 регулируемой частоты (синхронная частота) и напряжения. Вал двигателя вращается с частотой, при которой не происходит разрушения пространственной структуры жидкой среды. Эта частота подбирается экспериментально на стадии сбора информации и определения коэффициентов формулы (1). Частота вращения измеряется с помощью магнита 4 и датчика Холла 5. Когда магнит, прикрепленный на вал мешалки, проходит мимо датчика, датчик формирует скачок напряжения, определяемый осциллографом 6. Компьютером 11 определяются интервалы времени между соседними скачками и вычисляется значение вязкости как функция синхронной частоты, частоты вращения вала и температуры.
Заявленный технический результат изобретения достигается за счет использования зависимости скольжения и частоты вращения асинхронного двигателя от нагрузки на его валу.