УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ТЕКУЧИХ СРЕД

Полезная модель относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения физических свойств веществ и материалов, в частности, их вязкоупругих свойств.
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).
Вискозиметр Гепплера представляет собой сосуд из прозрачного материала (стекла), заполняемый исследуемой жидкостью, и шарика определенного диаметра и материала, размещенного в сосуде. На сосуде имеются риски, расположенные на определенном расстоянии H друг от друга. Для определения вязкости среды η измеряют время t прохождения шариком расстояния Н. Далее рассчитывают вязкость жидкости по формуле
o
где: d - диаметр шарика, ρ - его плотность, ρ - плотность среды, g - ускорение свободного падения.
o
o
Однако при определении вязкости методом падающего шарика встречается ряд трудностей, понижающих точность измерений. В частности, опыт показывает, что при вертикальном положении рабочего сосуда шарик не опускается по строго заданной траектории (центральной оси сосуда), а отклоняется от нее случайным образом и в какой-то момент может коснуться стенки сосуда. Таким образом, расстояние Н меняется от опыта к опыту (не является константой), а шарик трется не только о среду, но и о стенку сосуда (η≠const). Для устранения этих неопределенностей сосуд в приборе Гепплера имеет наклон, так что шарик скатывается по внутренней стенке сосуда, поэтому можно считать, что H=const. Однако при этом не устраняется трение шарика о стенку сосуда, которое может меняться при смене диаметра шарика, скорости его движения, и других причин, т.е. остается неопределенность η≠const. Кроме того, наклон сосуда приводит к уменьшению величины g в уравнении (1): gcosα, где α - угол наклона сосуда. При вертикальном положении сосуда α=0°, cosα=1 и g=g=max. Случайный угол наклона сосуда также является источником погрешности измерения.
Другим существенным недостатком известного устройства является невозможность работы с непрозрачными средами, когда шарик становится невидимым для наблюдателя. Кроме того, довольно трудно подобрать шарик нужного диаметра и плотности для данной среды, что приводит к необходимости иметь набор разных шариков для разных сред.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности измерения за счет уменьшения паразитного трения измерительного шарика о стенку трубки, а также обеспечение возможности исследований как прозрачных, так и полностью непрозрачных сред с возможностью дополнительной количественной оценки упруго-пластических свойств гелей.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения вязкоупругих свойств текучих сред содержит рабочий сосуд с крышкой, выполненной с осевой центрирующей втулкой, измерительную стеклянную трубку с контрольными рисками, установленную на крышке, и шарик, подвешенный на направляющей жесткой нити, проходящей через отверстие втулки, верхний конец которого соединен со сменным грузом, размещенным в съемной чашке, закрепленной посредством фиксатора на верхнем торце стеклянной трубки.
А также тем, что крышка снабжена винтовыми боковыми зажимами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Устройство включает рабочий сосуд 1, крышку 2 с винтовыми боковыми зажимами 3, измерительную стеклянную трубку 4 с контрольными рисками, т.е. линейкой (на фиг. не обозначены), осевую центрирующую втулку 5, направляющую жесткую нить 6 с шариком 7 на нижнем конце и съемной чашкой 8 для сменных грузов 9 на верхнем конце, фиксатор чашки 10. Направляющая жесткая нить 6 проходит через отверстие втулки 5.
Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы направляющая нить 6 проходила через центрирующую втулку 5 и среду без заметного трения. Важно также, чтобы масса нити 6 была значительно меньше массы шарика. Этого можно добиться, используя нить малого диаметра (0,3-0,5 мм) из упругого (жесткого, труднодеформируемого материала) металла. Прямая жесткая нить малого диаметра обеспечит прохождение через центрирующую втулку 5 и жидкость с минимальным трением, значительно меньшим трения шарика 7 о среду.
Трубка 4, диаметр которой несколько больше внутреннего диаметра чашки 8, не позволяет нити 6 изгибаться во время опускания нагруженной чашки 8 и обеспечивает прямолинейный ход нити 6 через направляющую втулку 5 без излишнего трения нити о втулку 5.
Устройство работает следующим образом.
Заполняют рабочий сосуд 1 испытуемой средой, поднимают шарик 7 в верхнее положение, фиксируют чашку 8 фиксатором 10, вставляют крышку 2 в сосуд 1 так, чтобы шарик 7 оказался полностью погруженным в среду. Освобождают чашку 8 и отмечают время прохождения чашкой расстояния Н (последовательного пересечения чашкой 8 соответствующих делений (контрольные риски) на трубке 4). При исследовании вязких сред время опускания шарика 7 может стать очень большим или шарик 7 вообще не будет опускаться. В этом случае в чашку 8 помещают груз 9 подходящей величины, добиваясь опускания шарика на расстояние Н за время порядка 20-60 секунд. Расчет вязкости ведут по формуле
где: m - масса шарика, M - присоединенная к шарику масса нити, чашки и груза.
Присоединенный к шарику груз M увеличивает эффективную плотность ρ шарика в отношении (м+М)/м, что и учитывается в расчетной формуле (2).
На предлагаемом устройстве можно исследовать как прозрачные, так и полностью непрозрачные среды, поскольку за перемещением шарика 7 в темной среде следят по перемещению чашки 8 для грузов 9 относительно линейки на стеклянной трубке. Другое преимущество состоит в том, что вместо трудоемкого подбора шариков для разных сред оперативно меняют грузы 9 в чашке 8, добиваясь оптимального времени опускания шарика в пределах 20-60 секунд.
o
o
2
При исследовании гелей, обладающих кроме вязких также и упруго-пластическими свойствами, важно уметь оценивать количественно эти свойства. Для определения пластических свойств геля нагружают чашку 8 грузами 9 до тех пор, пока шарик 8 не погрузится полностью в гель. Приблизительно предел текучести τ геля определяют как отношение силы P, приложенной к шарику, к площади сечения шарика A=πr, где r - радиус шарика. Сила P равна силе тяжести (м+M)g за вычетом выталкивающей силы Архимеда. Расчет предельного напряжения сдвига τ ведут по формуле:
o
o
3
τ=[(М+м)g-(4/3)πrρg)]/А
Для оценки мгновенной упругой и остаточной пластической деформации геля производят быстрый удар по чашке 8 так, чтобы шарик 7 погрузился в гель на расстояние Н1-Н2. Наблюдают упругое восстановление (обратный ход) чашки 8 после удара до положения Н3. Находят упругую часть деформации Н3-Н2 и пластической Н1-Н3. Мерой упруго-пластических свойств геля может служить отношение (Н3-Н2)/(Н1-Н2) - доля упругой деформации в общей. Для полностью обратимой деформации Н3=Н1 и доля упругой деформации равна 1. Если H3=H2 (нет восстановления после деформации), доля последней равна 0.
Наличие у крышки 2 винтовых боковых зажимов 3 позволяет использовать в качестве рабочего сосуда 1 непосредственно тару (бутыли) с различными диаметрами горла, содержащими жидкости, вязкость которых необходимо измерить. Это существенно облегчает работу в случае жидкостей с высокой вязкостью и липкостью типа мазута, пасты или герметика, извлечение которых из тары хлопотно и неудобно. Крышка 2 надевается на горло бутыли и надежно фиксируется винтовыми зажимами. Далее осуществляют операции, описанные выше.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет включить в круг изучаемых объектов среды с упруго-вязкими свойствами (гели), а также высоковязкие непрозрачные среды типа мазута, паст и герметиков.