РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения реологических характеристик консистентных сред, отличающихся высокими значениями динамической вязкости и зависимостью последней от скорости деформации. При испытании консистентных сред одной из главных проблем является неоднородность заполнения измерительного зазора испытуемой средой, следствием чего является потеря соосности внешнего и внутреннего цилиндров и, соответственно, снижение точности измерений.
Известен ротационный вискозиметр, содержащий коаксиально расположенные полый наружный цилиндр и внутреннее рабочее тело, привод наружного цилиндра, измеритель крутящего момента внутреннего тела и компенсатор несоосности (SU 1267220, МПК G01N 11/14, ОПУБЛ. 30.10.1986).
Недостатком устройства являются весьма значительные потери на трение в двух консольно расположенных подшипниковых узлах внутреннего цилиндра, соединенного с измерителем моментов и компенсатором несоосности. Такое расположение и весьма значительная громоздкость подшипниковых узлов обусловлены конструкцией компенсатора несоосности, представляющего собой крестовую муфту с крестовиной, плавающей в двух взаимно перпендикулярных направлениях в шариковых направляющих. Значительным недостатком вискозиметра является также неравенство скоростей деформации в цилиндрическом и торцевом измерительных зазорах, обуславливающее, так называемый «концевой эффект». В совокупности указанные недостатки обуславливают недостаточную точность измерения реологических характеристик консистентных сред.
Технический результат заключается в повышении точности измерений.
Технический результат достигается тем, что ротационный вискозиметр содержит коаксиально расположенные полый наружный цилиндр и внутреннее рабочее тело, привод полого наружного цилиндра, измеритель крутящего момента внутреннего рабочего тела и компенсатор несоосности, выполненный в виде аксиально-подвижного вкладыша с конической полостью, установленного по посадке в нижней части полого наружного цилиндра и присоединенного к микрометрическому приводу осевого перемещения, а измерительная часть внутреннего рабочего тела выполнена в виде коницилиндра, коническая поверхность которого образует сходящийся зазор с поверхностью конической полости аксиально-подвижного вкладыша. Коницилиндр выполнен с диаметром 32 мм и углом конуса 66°, а величина кольцевого измерительного зазора, образованного коаксиальными цилиндрическими поверхностями, составляет 0,5 мм при угле раствора сходящихся конических поверхностей 1°. Во внутреннем рабочем теле выполнена герметичная полость.
На фиг.1 показан общий вид вискозиметра, на фиг.2 и 3 - нижняя часть измерительного зазора соответственно в нестационарный период при распределении испытуемой среды в объеме измерительного зазора и в рабочем состоянии при проведении реологических измерений, на фиг.4 - подшипниковый узел внутреннего рабочего тела.
Вискозиметр содержит (фиг.1) коаксиально расположенные полый наружный цилиндр 1 и внутреннее рабочее тело 2, нижнюю крышку 3 со шкивами, соединенными посредством зубчатого ремня с приводом (не показан), шкив 4 измерителя крутящего момента (не показан) и компенсатор несоосности, выполненный в виде аксиально-подвижного вкладыша 5 с конической полостью 6, установленного по посадке в нижней части полого наружного цилиндра и присоединен к микрометрическому приводу 7 осевого перемещения. Измерительная часть внутреннего рабочего тела фиг.2, 3) выполнена в виде коницилиндра 8, коническая поверхность которого образует сходящийся зазор 9 с конической поверхностью 10 аксиально-подвижного вкладыша 5. Кольцевой измерительный зазор 11 образован коаксиальными цилиндрическими поверхностями 12 и 13. Внутреннее рабочее тело, подвешенное на легком подшипнике качения 14, установленном с аксиальным зазором 15 в центральном отверстии верхней крышки 16, контактирует на этапе распределения испытуемой среды в кольцевом измерительном зазоре 11 нижней частью конуса с аксиально-подвижным вкладышем 5, образуя пару скольжения. Для снижения веса внутреннего рабочего тела 2 и соответственно потерь на трение в подшипнике в нем выполнена герметичная полость 17. Полый наружный цилиндр 1 смонтирован на двух подшипниках качения 18 и 19 в корпусе 20. Полость 21, образованная полым наружным цилиндром 1 и корпусом 20, используется в вискозиметре для термостатирования. Герметизация полости 21 и измерительного зазора 9, 11 осуществляется соответственно армированными манжетами 22, 23 и уплотнительным кольцом 24.
Как известно, «концевые эффекты» при вискозиметрических измерениях вызваны передачей на измерительное устройство моментов не только от цилиндрических, но и от торцевых частей измерительных поверхностей, где имеет место существенная неоднородность распределения касательных напряжений и скоростей сдвига. При этом очевидно, что значимость указанных эффектов зависит от геометрических размеров наружного и внутреннего рабочих тел. Для их обоснования были выполнены следующие расчеты.
в
Анализ существующих конструкций комбинированных коницилиндрических вискозиметров (Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. М.: Машиностроение, 1967. с 272) позволяет сделать вывод, что диапазон изменения диаметров внутреннего коницилиндрического тела соответствует значению 20…40 мм. Исходя из этого, диаметр цилиндрической части внутреннего рабочего тела был выбран 2R=32 мм.
B
B
К вискозиметрам, предназначенным для измерения реологических характеристик консистентных (нелинейных) сред, предъявляется требование обеспечения высокой однородности полей напряжений и градиентов деформаций в измерительном зазоре, что достигается при малой величине последнего. Согласно обзору конструкций вискозиметров с коаксиальными цилиндрами, приведенному в вышеуказанном источнике, критерию малости соответствуютзначения измерительных зазоров, удовлетворяющие неравенству: ΔR/R≤0,05. Следуя этому соотношению, величина зазора ΔR была выбрана равной 0,5 мм (ΔR/R=0,5/16=0,03).
Для элементарного кольцевого слоя материала, расположенного между полым наружным цилиндром 1 и цилиндрической частью внутреннего тела 2 при малой величине измерительного зазора 10, средние значения градиента скорости находят из соотношения (Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. М.: Машиностроение, 1967. 272 с., главы 4-5):
н
B
где: ω - угловая скорость внешнего цилиндра; ΔR=0,5 мм - величина кольцевого зазора вискозиметра; R=16,5 мм и R=16 мм - радиусы наружного цилиндра и цилиндрической части внутреннего тела;  - геометрическая константа кольцевого измерительного зазора 10 при вычислении градиента скорости.
ц
Касательные напряжения в кольцевом зазоре создают на цилиндрической части внутреннего тела 2 крутящий момент М:
где: L - высота рассматриваемого кольцевого слоя; η - вязкость материала.
Среднее значение касательных напряжений с учетом выражения (2):
cp
н
в
где: R=(R+R)/2 - средний радиус измерительного зазора; L - длина цилиндрической части;  - геометрическая константа кольцевого измерительного зазора 10 при вычислении касательных напряжений.
Исходя из вышеизложенного, задача корректного учета концевых эффектов сводится к подбору таких значений углов 2α (конуса внутреннего рабочего тела) и 2β (конической полости аксиально-подвижного вкладыша), при которых реализуемые в кольцевом 10 и сходящемся 9 частях измерительного зазора вискозиметра средние значения касательных напряжений и градиентов скоростей не будут заметно отличаться друг от друга.
Величины передаваемого момента, касательных напряжений и скорости сдвига в сходящемся измерительном зазоре:
где:  - тригонометрическая функция;
- геометрическая константа сходящегося измерительного зазора 9 при вычислении касательных напряжений и градиентов скоростей.
Формулы (5) и (6) по своей структуре не отличаются от формул (3) и (1), поэтому задача сводится к подбору значений углов α и β, при которых достигается равенство геометрических констант
к
к
На фиг.5 представлен график и тренд зависимости константы k от угла α конической части внутреннего рабочего тела. Вычисления выполнены для угла раствора конических поверхностей δ=β-α=1°. Из графика следует, что при угле α=33° значение геометрической константы k составляет 32,68.
Исходя из полученных результатов, угол конуса внутреннего рабочего тела принят равным 66°.
-
В табл.1 представлены результаты вычислений физических параметров, реализуемых в коническом и цилиндрическом измерительных зазорах, при известной вязкости некоторых пищевых сред (при угловой скорости ω=60c, длине цилиндра L=105 мм) и заявленных геометрических параметрах наружного цилиндра, аксиально-подвижного вкладыша и измерительной части внутреннего рабочего тела (коницилиндра).
Как следует из вычислений, разница значений касательных напряжений и градиентов скоростей в кольцевом и сходящемся зазорах не превышает 2%. Учитывая, что величина момента, передаваемого через конический зазор, составляет всего 10% от величины момента, передаваемого через цилиндрический зазор, полученные результаты могут быть признаны хорошими.
Ротационный вискозиметр работает следующим образом.
Производится демонтаж нижней крышки 3 с аксиально-подвижным вкладышем 5, и заданный объем исследуемой среды помещается в коническую полость 6 аксиально-подвижного вкладыша 5. Далее детали 3 и 5 устанавливаются на исходные позиции в полый наружный цилиндр 1, после чего коническая поверхность 10 аксиально-подвижного вкладыша 5 с помощью микрометрического привода 7 вводится в контакт с нижней частью конической поверхности 8 внутреннего рабочего тела 2 с образованием пары скольжения. При этом внутреннее рабочее тело перемещают вместе с подшипником качения 14 вверх, выбирая на 0,05…0,1 мм аксиальный зазор 15 в центральном отверстии верхней крышки 16. Заданный объем исследуемой среды распределяется в сходящемся 9 и коаксиальном 11 частях измерительного зазора. Далее после фазы термостатирования с выходом температуры исследуемой среды на заданное значение полый наружный цилиндр 1 приводится во вращение с заданной угловой скоростью до выхода крутящего момента на стационарное значение. Длительность данного этапа испытаний определяется как временем перераспределения испытуемой среды в измерительном зазоре с заполнением отдельных пустот, так и особенностями ее реологических свойств. После завершения нестационарной фазы привод отключается и аксиально-подвижный вкладыш 5 выводится микрометрическим приводом 7 из контакта с нижней частью конической поверхностью 8. Внутреннее рабочее тело 2 перемещается в крайнее нижнее положение, зависая на подшипнике качения 14, вследствие чего осевая реакция, а тем самым и потери на трение в последнем будут определяться только весом внутреннего рабочего тела, облегченного полостью 17 и действием выталкивающей силы. Далее вновь включается привод вискозиметра и измеряется значение крутящего момента при заданной частоте вращения полого наружного цилиндра 1, по значениям которых рассчитывается вязкость среды. При этом соосность полого наружного цилиндра 1 и внутреннего рабочего тела 2 поддерживается за счет действия гидродинамических сил в измерительном зазоре.
Таким образом, предлагаемый ротационный вискозиметр обеспечивает повышение точности измерений за счет существенного снижения потерь на трение в подшипниковых узлах рабочего тела, соединенного с измерителем крутящего момента, и исключения «концевых эффектов».