Способ исследования дисперсных систем Советский патент 1986 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к вибрационной реометрии и может быть использовано при исследованиях упругопластических свойств дисперсных систем, например коллоидов, для определения пределов текучести, модуля сдвига, периода релаксации, запаздывающей упругости, эффективной вязкости и других характеристик структурированных жидкостей.

Целью изобретения является упрощение измерений колебаний, расщирение их диапазона и снижение их трудоемкости исследований.

На фиг. 1 и 2 представлены графики, поясняющие предлагаемый способ.

Для тонкой пластинки с боковой поверхностью S, соверщающей в вязкой жидкости в своей плоскости вертикальные вынужденные гармонические колебания при сдвиге фаз ф л/2 между амплитудой вынуждающей силы F и амплитудой А скорости (V Л-ш), последняя связана с вязкостью ц и плотностью () жидкости следующим соот- нощением

А - L ( .1 т) 1 25

(i:

где А - амплитуда вынужденных колебаний;

со- круговая частота колебаний; S/(-сумма коэффициентов, учитывающих потери энергии в колебательной системе, не связанные с объемными свойствами жидкости; L - ширина пластинки. В колебательной системе, обладающей высокой добротностью, сумма весьма незначительна, кроме того, величину S можно выбрать такой, что

М 2S

поэтому отнощение - представляет собой

о

амплитуду напряжения сдвига Р, поддерживающего течение жидкости относительно пластинки. Тогда

V Р(Ln

т л,

2 25б

-Ж)- 25б

(2)

где V - скорость колебаний пластинки, откз да следует, что для жидкостей, свойства которых не изменяются с величиной приложенного напряжения сдвига (для ньютоновских жидкостей), зависимость (2) носит линейный характер.

Если свойства жидкости зависят от приложенного напряжения сдвига, линейный характер нарушается и, отмечая этот момент, можно определить соответствующее ему напряжение сдвига. Записав выражение (2) в виде

- /P3®J LH- ,(3)

2 25 V

и определив значение 2/( в эксперименте с пластинкой, не погруженной в жидкость.

0

0

0

5

5

0

МОЖНО определить величину кажущейся вязкости упругопластичной жидкости.

Кроме того, изменяя скачком значения Р, поддерживая его в дальнейщем постоянным и фиксируя изменение амплитуды или скорости вынужденных колебаний во времени, можно изучать процессы развития деформации в структурированных жидкостях, изучать процессы релаксации и тиксотропии, используя .для расчетов известные формулы, описывающие взаимосвязь упругих и вязких свойств жидкости при действии на нее сдвигающих напряжений. Причем для того, чтобы иметь возможность изучать эти процессы, период колебаний вибрационного устройства выбирают меньше, чем период релаксации исследуемой дисперсной среды.

Способ может быть реализован следующим образом.

К колебательной системе вибрационного устройства жестко прикрепляют зонд, оканчивающийся пластинкой, погружаемой в среду. Величину силы F, вынуждающей колебания в подвесной системе, задают величиной тока /, подаваемого в цепь возбуждающего преобразователя от генератора сигналов. F С 1. Причем частоту тока выбирают такой, чтобы обеспечить условие Ф л/2. Ф иксируют величину ЭДС, генерируемую в измерительном преобразователе, пропорциональную скорости V колебаний зонда: U - Сч V, частоту колебаний, величину силы тока в возбуждающем преобразователе и время установления стабильных колебаний.

Величины коэффициентов Ci и Cj зависят только от конструктивных особенностей преобразователей и для данной конструкции вибрационного устройства являются постоянными. Значения Ci и С определяют калибровкой. С помощью измерителя вертикальных перемещений определяют величину амплитуды колебаний в зависимости от U. т. е. производят калибровку измерительного преобразователя, определяя значение коэффии

циента Сг

Аш

как угол наклона зависи

мости и : /(Л ()). Затем, используя жидкости с известными р и г| и из.меряя величину ЭДС и в зависимости от тока / при сдвиге фаз между вынуждающей силой и амплитудой колебаний ф л/2, определяют величины 2/( и СгС2 как значения коэффициентов линейного уравнения: у ах - Ь, где х I/U: у SV2pлco; а Ci Сг; Ь ZK. Прокалибровав вибрационное устройство, приступают к изучению реологических свойств исследуемых жидкостей, для чего прямоугольную пластинку погружают в жидкость и на возбуждающий преобразователь вибрационного устройства подают ток от генератора сигналов, начиная с нулевого его значения, отмечая величины /. U. о., и вре

мя f установления стабильных значений U, по достижении которых устанавливают новую величину тока / и т. д. Полученные таким образом данные представляют в виде графика зависимости U /{/), аналогичного одному из основных типов реологических кривых деформации, дающих представление о характере течения исследуемой среды. Отмечают характерные точки на кривых и рассчитывают соответствующие этим точкам значения сдвиговых напряжений, ис- пользуя результаты калибровочных опытов. Рассчитывают также значения коэффициентов эффективной вязкости при различных величинах сдвигового напряжения, используя зависимость //L /(/) либо I/U f(U), получая зависимость вязкости от скорости сдвиговой деформации. По зависимости амплитуды колебаний от времени при постоянном сдвиговом напряжении определяют величину периода релаксации г жидкости.

Пример. Выявляют характер течения и сравнивают реологические характеристики касторового масла, 25- и 40%-ных водных суспензий каолиновой глины. Результаты представлены в виде графиков зависимости (/) (фиг. 1). Кривая 1 получена для 40%-ной водной суспензии каолина; кри- вая 2 - для касторового масла при 23°С, кривая 3 - для 25%-ной водной суспензии каолина. Из графиков следует, что касторовое масло не проявляет в ходе опыта аномалий течения и ведет себя как ньютоновская жидкость, 25- и 40%-ные водные суспензии каолиновой глины в том же диапазоне напряжений сдвига проявляют аномалию течения, заключающуюся в переходе течения практически иеразрущенной структуры в течение полностью разрушенной структуры, т. е. характеризующуюся разрущением структуры суспензий. При этом напряжение сдвига, отвечающее началу разрушения структуры 40%-ной суспензии глины Р.з в 4 раза больше, чем для 25%-ной суспензии Р|, а полное разрушение структуры у 40%-ной суспензии происходит при напряжении сдвига Р4 в 2,7 раза большем, чем у 25%-ной суспензии Р.

Период релаксации т 40%-ной суспензии каолиновой глины определяют по зависимости амплитуды скорости колебаний зонда от времени при постоянной вынуждающей силе F С I (фиг. 2, кривая 1). При этом величина U пропорциональна амплитуде скорости зонда (L C 2-V)- Для расчетов использованы формулы, полученные для модели Кельвина, предусматривающей параллельное воздействие упругих и вязких сил жидкости на погруженное в нее тело. В нашем случае расчетная формула имеет вид

5

0

0

5 0

, + и„,( -Г ,

где и - величина ЭДС измерительного

преобразователя;

Uo - величина ЭДС преобразователя в момент времени (начало отсчета времени);

Urn -максимально возможное изменение величины ЭДС, достигаемое при изменении значения силы тока в цепи возбуждающего преобразователя;г - время отсчета показаний приборов,

измеряющих величину ЭДС; т - период релаксации.

Определив значение Uo 0,237 В и Um 0,301 В строят зависимость /«(0,538- - U)ln 0,301-т/т (фиг. 2, кривая 2), по углу наклона которой к оси времени определяют т 2,44 10 с.

Таким образом, предлагаемый способ исследования упругопластических свойств систем значительно упрощает процесс измерений, сводя его к измерению параметров колебаний зонда, помещенного в жидкость, увеличивает производительность труда исследователей, поскольку предлагаемый способ объединяет методы малых и больших деформаций, и позволяет, следовательно, в одном опыте получать необходимые данные для расчета всего комплекса показателей механических свойств дисперсных систем таких, как предельные значения сдвиговой деформации, модуль упругости, вязкостные характеристики, период релаксации и др. Кроме того, предлагаемый способ расширяет диапазон исследований дисперсных систем, позволяет выявить связь механических свойств исследуемой системы с периодичностью воздействия на нее внешней силы путем изменения в широком диапазоне частоты колебаний зонда.

Формула изобретения

Способ исследования дисперсных систем, основанный на возбуждении колебаний уп- ругоподвешенного зонда, демпфированного средой, и регистрации характеристик этих колебаний, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений колебаний, расширения их диапазона и снижения трудоемкости исследования, возбуждают гармоническую силу, модулированную по амплитуде во времени, а период гармонических колебаний выбирают меньше времени релаксации исследуемой среды.

О 0.2 0,4 0,6 0,8 W 7.2 ,А

и,в

0,48

О.ЧЧ

0,40

0,36

0,32

0,28

0,24

О

234 Фиг. 2

Составитель В. Крутин

Редактор О. ЮрковецкаяТехред И. ВересКорректор М. Демчик

Заказ 3991/35Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.1

Jn,(0,538 U)

5 t-iQ-fc

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследованиях реологических свойств дисперсных систем для определения пределов текучести, модуля сдвига, периода релаксации и других характеристик структурированных жидкостей. Для упрощения измерений, расширения их диапазона и снижения трудоемкости определения указанных свойств производят по изменению параметров гармонических колебаний погруженного в жидкость зонда при изменении величины возбуждающей силы от нуля до значений, предельных для используемого упругого элемента, причем период колебаний выбирают меньше периода релаксации исследуемой системы. Способ может найти применение в металлургической, химической, пищевой промышленности, а также в производстве строительных материалов и др. 2 ил. а to СП ;о сд