УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения физических свойств веществ и материалов, в частности, их вязкости.
Известны вискозиметры различных типов для измерения вязкости жидких сред - ротационные (ASTM D 5293-CCS), капиллярные (ASTM D 445) (Ходкевич Д.Д., Соколов В.П. Лабораторные работы по молекулярной физике №165, 166. Метод, указания - М.: РГУ нефти и газа, 1998. стр.5, ГОСТ 29226-91).
К недостаткам известных устройств относятся сложность конструкции и обслуживания, а также высокая стоимость их изготовления.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения вязкости - вискозиметр с падающим шариком Гепплера Visco Ball (DIN 53015, ISO 12058), представляющий собой трубку, выполненную из прозрачного материала (стекла), заполняемую исследуемой жидкостью, и шарика определенного диаметра и материала, размещенного в трубке. На трубке имеются риски, расположенные на определенном расстоянии H друг от друга.
Для определения вязкости среды η измеряют время t прохождения шариком расстояния H. Далее рассчитывают вязкость жидкости по формуле:
o
где: d - диаметр шарика, ρ - его плотность, ρ - плотность среды, g - ускорение свободного падения.
Однако указанное устройство не обеспечивает высокой точности измерения, что обусловлено следующими обстоятельствами.
o
o
В частности, при вертикальном положении измерительной трубки шарик не опускается по строго заданной траектории (центральной оси трубки), а отклоняется от нее случайным образом и в какой-то момент прижимается к стенке трубки. Таким образом, расстояние H в вышеприведенном уравнении меняется от опыта к опыту (не является константой), а шарик трется не только о среду, но и о стенку трубки (t≠const, η≠const). Для устранения этих неопределенностей трубка в вискозиметре Гепплера установлена с наклоном, так что шарик скатывается по внутренней стенке трубки, поэтому можно считать, что H=const. Однако при этом не устраняется трение шарика о стенку трубки, которое может меняться при смене диаметра шарика, скорости его движения, и других причин, т.е. остается неопределенность η≠const. Кроме того, наклон трубки приводит к уменьшению величины g в уравнении (1): gcosα, где α - угол наклона трубки. При вертикальном положении трубки α=0°, cosα=1 и g=g=max. Непостоянный угол наклона трубки также является источником погрешности измерения.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений вязкости жидких сред за счет уменьшения паразитного трения измерительного шарика о стенку трубки.
Поставленная задача достигается тем, устройство для измерения вязкости жидких сред содержит установленную на основании измерительную трубку с нанесенными на ней рисками, снабженную крышкой на ее верхнем торце, в которой установлен патрубок для отвода избытка жидкости, размещенную соосно в полости трубки L - образную рамку с направляющей нитью, и измерительный шарик со сквозным отверстием, через которое пропущена направляющая нить, причем один конец нити закреплен на коротком плече L-образной рамки, а другой - посредством фиксатора на крышке трубки.
А также тем, что оно снабжено измерителем угла отклонения трубки от вертикального положения, размещенного на основании.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная схема устройства, на фиг.2 приведен график разложения вектора силы тяжести на две составляющие: вдоль направляющей нити и перпендикулярно к ней.
Устройство для измерения вязкости жидких сред включает измерительную трубку 1 с контрольными рисками 2 и 3, основание 4, крышку 5 с закрепленной на ней L-образной рамкой 6. Между основанием рамки 6 и крышкой 5 натянута нить 7, которая проходит через отверстие шарика 8. На основании прибора закреплен измеритель угла отклонения трубки от вертикального положения - угломер 9. На крышке закреплены фиксатор нити 10, патрубок 11 для отвода избытка жидкости и рамка 6.
Устройство работает следующим образом.
Заполняют трубку 1 исследуемой жидкостью, вставляют в трубку 1 рамку 6 с нитью 7 и шариком 8, выдавливая крышкой избыток жидкости из трубки 1 вместе с пузырем воздуха, задают наклон трубки по измерителю угла α. Шарик 8 при этом находится в нижней части трубки 1. Переворачивают трубку 1, переводя шарик 8 в верхнюю часть трубки 1. Снова переворачивают трубку 1, переводя ее в первоначальное положение, и засекают время прохождения шариком 8 расстояния Н между рисками 2 и 3 на трубке 1. Рассчитывают вязкость образца по формуле (1) или (2).
В случае, когда угол α не равен нулю, расчет вязкости ведут по формуле
o
o
где: η - вязкость, d - диаметр шарика, ρ - его плотность, ρ - плотность среды, t - время прохождения шариком расстояния Н между рисками, g -значение ускорения свободного падения при α=0°, α - угол отклонения измерительной трубки от вертикального положения.
o
Из рис.2 видно, что при отклонении нити 7 от вертикального положения, сила тяжести G, действующая на шарик 8 вдоль нити 7, становится равной G=Gcosα. С ростом наклона нити 7 (увеличении угла α), cosα уменьшается, а с ним и G, в силу чего скорость опускания шарика 8 падает, а время прохождения расстояния H возрастает. Это обстоятельство можно использовать для повышения точности измерения вязкости маловязких жидкостей с малым временем опускания шарика путем увеличения угла наклона прибора и тем самым времени опыта.
В предлагаемом устройстве опускание шарика 8 происходит строго по центру измерительной трубки 1, т.е. H=const, при этом шарик 8 не вращается, а трение его о тонкую нить 7 значительно меньше, чем трение о стенку трубки в ближайшем аналоге (η=const).
Кроме того, с помощью предлагаемого устройства представляется возможным включить в исследование маловязкие жидкости посредством увеличения угла α и тем самым увеличения времени опускания шарика 8.
Таким образом, при измерении вязкости предлагаемым устройством повышается точность измерения вязкости и обеспечивается воспроизводимость измерений.