Способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей Советский патент 1983 года по МПК G01N11/16 

О Изобретение относится к акустичес ким измерениям и может быть использо вано при изучении вязкоупругих , . свойств жидкостей, в том числе гидравлических и смазочных жидкостей, растворов полимеров и т.д. Известен способ измерения динамической сдвиговой вязкости, основанный на измерении импеданса исследуемой жидкости путем измерения комплек ного коэффициента отражения сдвигово волны от границы раздела твердого тела и жидкости . Указанным способом .можно измерять вязкость только на частотах выше 310 МГц, в то время.как в большом количестве жидкостей область релаксации сдвиговой вязкости находится на более низких частотах. Известен-способ измерения вязкости по затуханию вращательных или иных колебаний тел, помещенных в исследуемую среду. Такой способ исполь зуется при измерениях на частотах ниже 10 кГц 2. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей, ос нованный на измерении затухания меха нических колебаний на границе жидкости и твердого тела. В этом способе, измеряют коэффициент затухания (и скорость) акустических сигналов в волноводе, соприкасающемся с исследуемой жидкостью и создающем в ней чисто сдвиговые напряжения 3j. К недостаткам; известного способа относится узкийдиапазон.исследуемых вязкостей жидкостей, так как он может быть применен только для измерений в жидкостях с высокой вязкостью. Затухание акустических сигналов в волноводе, обусловленное погружением в жидкость с малой вязкостью, очень мало и не может быть измерено на фоне затухания, обусловленного поглощением звука в материале стержня и излучением в жидкость(в действительности волновод не может создавать в жидкости только сдвиговые йапряжения всегда присутствует продольная составляющая) . . Цель изобретения - расширение диа пазона исследуемых жидкостей в сторону малых вязкостей. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей, основанному на измерении затуха ния механических колебаний на границе жидкости и твердого тела, измеряют затухание акустических колебаний в системе жидкость-сосуд, затем в системе жидкость-сосуд с акустически мягкими стенками, сравнивают эти величины и по разности затуханий, судят о величине динамической сдвиговой вязкости. Существенное отличие предлагаемого способа от известного, состоит в том, что механические колебания возбуждаются не в твердом теле (волноводе) , а в исследуемой жидкости, и эти колебания не поперечные, а продольные. Вблизи стенок сосуда вследствие существования тангенциальЯых составляющих скорости возникает трение жидкости о стенки сосуда и из-за этого происходит затухание колебаний, зависящее от величины динамической сдвиговой вязкости жидкости. Чтобы найти это затухание в чистом виде, необходимо измерить затухание, связанное с поглощением колебаний в жидкости.. Для производят измерения в сосуде с акустически мягкими стенками и по разнице затухания в двух сосудах судят о величине динамической сдвиговой вязкости. Ra чертеже представлена блок-схема, установки для реализаций предлагаемого способа. Генератор 1 радиоимпульсов возбуждает пьезопреобразователь 2, возбуждающий акустические колебания в системе исследуемая жидкость - экспериментальный сосуд 3. Эти колебания затухают по закону л А АО е , . (1) где А - амплитуда колебаний в момент времени t; амплитуда колебаний в момент времени t 0; р - временной коэффициент затухания . Акустические колебания преобразуются преобразователем- в электрические, они усиливаются приемником 5, затем через логарифматор 6 поступают на осциллограф 7. На экране осциллографа наблюдается огибающая логарифмированного сигнала, представлякмцая собой прямую линию, наклон которой определяет коэффициент затухания (. Стенки экспериментального сосуда должны иметь достаточно большую жесткость, которая определяется значе ниями величины-gr и Тц, отражающими степень взаимодействия акустического поля в жидкости со стенками: Ги П Vt/Vn V - колебательная скорость частиц жидкости; V. и Vi - нормальная и тангенциальная составляющие скорости на границе со ответственно. Для абсолютно акустических жестких стенок выполняются соотношения: . 2/3; для абсолютно акустически мягких: Ти 1/3; T-t 0Требование достаточно больиюй аку тической жесткости означает, что дол но выполняться условие 0,1. Коэф фициент затухания И может быть представлен в виде, . - (Ч:- -РЦ- Ри7:, где . поглощение звука в жидкости |i, - затухание вследствие трения между жидкостью и стенками сосуда; у.- поглощение звука в стенках сосуда; - затухание вследствие излуче ния звука в окружающую среДля отдельных вкладов можно записать выражения: Г,л/аЯГ.(„ РиТи и„ . W где iJf) - динамическая сдвиговая - вязкость; f - частота колебаний.; ц. отношение площади повер ности сосуда к объему. жидкости; ри m - плотность и масса жидко ти (индекс О относится к жидкости, 1 - к стенкам сосуда); Z(p) - акустическое сопротивле ние воздуха при давлении р. Для того, чтобы определить величи ну fbo, необходимо произвести измерения затухания в сосуде с акустически мягкими стенками {например из тонкой резины или полиэтилена), где величин t О, так как 3 0; величина рц пренебрежимо мала вследствие малого объема стенок, а величина р,-2- может быть легко вычислена по формуле и), поскольку известно значение ЗГц 1/3. Если стенки измерительного сосуда абсолютно акустически жесткие, то г выполняются соотношения |%| О nfijj О, так как Q, В этом случае величина л, находится сразу по формуле 1Ь -|Ь-Р 0. Поскольку значение (; известнЪ ,(j 2/3), по формуле (2) можно определить значение динамической сдвиговой вязкости V|(f). Если стенки не являются абсолютно жесткими, т-е.-дГ 0; 2/3, необходима предварительная тарировка измерительного сосуда для определения величин . и . Величину-j можно рассчитать по. формуле (4), определив/ и-г. по разности между значениями jb при атмосферном давлении и при давлении, равном нулю. Величина 2% определяется путе.м измерения величины р для жидкости с известным значением 1 с (f) например такой,, для которой величина (f) уже на частотах пбрядка 10 МГц равна предельному низкочастотному статическому значению, измеряемому обычными вискозиметрами, например капиллярными. Пример. Измерение динамической сдвиговой вязкости соевого масла на частоте 300 кГц. Измерения проводят в сосуде из плавленного кварца объемом 300 мл с толщиной стенок 1 мм. Получено значение р равное 320 Затем в заливают воду и измеряют зависимость коэффициента ) от давления р. Экстраполяция линейной зависимости р от р на давление р О дает значение рр-,о 19,0 с , для атмосферного давления r,Q-r 25,5 . Отсюда Р,..« |Ьрот - р.о (25,5-19.0). с- 6,5 с. Формулу (k) можно записать в виде 9о З иРит z(p)/ Для используемого сосуда и данных условий эксперимента величины, входящие в выражения (3) и (5), имеют следующие значения: WQ- 300 г; W 46 г; 9о 1.02 г/см OJ см 2 г/см с. Отсюда 2Гц 0,22. Формула (3) при этом значении у дает piy, 9,5 . Величина для воды на 300 кГц равна 3,5 , Таким образом, имеются все необходимые данные для определения . ,J4 1 -РогРл-Ри7: (25,5-3.5 6,0-6,5)с 9,5 с .Подставив получен ное знамениеj t в формулу (4),можно}, определить коэффициент t/Jfi 0,3б. Таким образом, для данного сосуда на данной частоте получены коэффициенты у и ft т.е. проведена калибровка экспериментального сосуда. Далее проводят измерения затухания акустических колебаний в соевом масле, залитом в сосуд с акустически мягкими стенками (сосуд из резины толщиной 15 мкм). 8 этом случае Р)4 О ® личина (by, + fbyjT. может быть oпpeдe eнa путем измерения затухания в любой жидкости с известным и малым поглощением (в данном случае в воде). Для соевого масла в резиновом сосуде получены значения: (Ь 125 15 .ро Р -((,) 110 с. Таким образом, для соевого масла в кварцевом сосуде (320-110 6,5-6,0) с- 200 с-. Отсюда из вы ражения ( 2)для динамической сдвиговой вязкости Il5(300 кГц) 0,65 П. Это значение с погрешностью менее 5% согласуется со значением статической вязкости соевого масла И.(О) 0,63 П. ; а из данных измерений на более высоких частотах следует, что даже на частоте .10 МГц динамическая сдвиговая вязкость равна статической, следовательно, это равенство должно соблюдаться и на частоте 300 кГц. Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в расширении количества исследуемых объектов. Способ-прототип распространяется только на высоковязкие жидкости (V) больше 10 П) , в которых затухание сдвиговых волн на границе может быть измерено с достаточно высокой точностью, предлагаемый способ дает возможность измерять вязкости в диапазоне от 10 сП до 100 П. Кроме того, изобретение позволит измерять динамическую сдвиговую вязKocfb с помощью существующих установок для измерения поглощения звука в жидкостях реверберационным методом.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СДВИГОВОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, основанный на измерении затухания механических колебаний на границе жидкости и твердого тела, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых жидкостей , измеряют затухание акустических колебаний в системе жидкостьсосуд,, затем в системе жидкость-сосуд с акустически мягкими стенками, сравнивают эти величины и по разности затуханий судят о величине динамической сдвиговой вязкости. V)