Дисковый ротационный вискозиметр Советский патент 1990 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к измеритель- Ной технике ч может быть использовано для определения реологических харак- теристик текучих сред в технологических- процессах химическойs нефтехимической., целлюлозно-бумажной и пище- эой прО№шленнос 1ей5 а также при выполнении научно-исследовательских ра- бот по изучению обмена импульсом при ламинарном и турбулентном обтекании исследуемой средой вращающегося диска, также ыожет найти применение и в других областях науки я техники3 где возникает необходимость нзмерять реологические свойства различных текучих сред.

Цель изобретения - повышение точности определения реологических харак теристик текучих сред и сокращение вр мени проведения измерений путем сиьх™ ровного измерения интегральных характеристик обмена импульсом при ламинарном и турбулентном режимах течения

На фиг.1.дач вискозиметр, общий вид на фит-.2 - схема подсоединения к ведущему валу собранных в блок упру тих элементов тензометров внутреннего и внешнего дисковэ защитного ко- |жуха, а также подсоединение дисков к тензометрам на фиг.З - разрез А-А на фиг«2; на фиг,4 - разрез Б-Б на фиг о 2; на фиг.5 - разрез Б-В на фиг о 2; на фиг„6 - уз ел Т на фиг. 2 j на фиг.7 - вид Г на фиг„65 на фиг.З - схема конструктивного выполнения дискового ротационного вискозиметра, в котором к защитному кожуху крепят промежуточную шайбу, установленную между дисками вискозиметра на фиг„9 узел IT на фиг.8| на фиг.10 - соедч- нительная муфта между ведущим валом и приводным двигателем, на фиг.И - то же, вид сверху.

Дисковый ротационный вискозиметр (фиг01) содержит приводной двигатель I, два рабочих элемента внешний диск 2 и внутренний диск 3, которые

подсоединены к внешнему упругому элементу 4 и внутреннему упругому элементу 5. Деформация упругих элементов 4 и 5 торсионных динамометров регистрируется измерительным каналом5 состоящим из токосъемного устройства 6 и прибора 7 для измерения деформации, которая предварительно преобразовывается в электрический сигнал с помощью тензорезисторов (не показаны), наклеенных на упругие элементы 4 и 5. Токо- съемное устройство 6 подсоединено к приводному двигателю 1 с помощью муфты 8, которая снабжена штыревым разъемом (не показан) для подсоединения кабельного ввода вискозиметра (не по- казан) к токосъемному устройству 6. Упругие элементы 4 и 5 подсоединены к ведущему валу 9, который смонтиро- ван в опорно-упорных подшипниках повышенной точности (не показаны)9 размещенных в корпусе подшипников 10. Ведущий вал подсоединен к приводному двигателю 1 с помощью соединительной муфты (не показана). Взаимное соосное положение приводного двигателя 1 и корпуса подшипников 10 обеспечивается, например установочными штифтами (не показаны). Упругие элементы 4 и 5 помещены в защитный кожух 11, который охватывает внешний диск 2 по нерабочей торцовой поверхности 12 и ободу 13. Рабочая измерительная поверхность внешнего диска 2 расположена в одной плоскости с торцом 15 защитного кожуха 11. Защитный кожух 11 и внешний диск 2 установлены с радиальным зазором Ј1 по величине равным не более третьей части толщины пограничного слоя исследуемой среды на рабочей поверхности 14 внешнего диска 2 у обода |3. К внутреннему упругому элементу 5 крёгг пят внутренний диск 3 таким образом, что его рабочая (измерительная) поверхность 1 б внутреннего диска 3 находится в одной плоскости с рабочей поверхностью 14 внешнего диска 2, а

5- 15627716

радиальный зазор А 2 между дисками 2торой установлен эластичный уплотни- и 3 выдерживают по величине равнымтельный элемент 37, контактирующий не более третьей части толщины погра-с защитным кожухом 11. Для обеспе- ничного слоя исследуемой среды начения сборки внутренний диск 3 снаб- рабочей поверхности 16 у обода в тут-жен фасонным пазом 38 под отвертку, реннего диска 3. Между нерабочей по-Для исключения влияния на результаты верхностью 17 внутреннего диска 3 иизмерений фасонный паз 38 после сбор- внешним диском 2, а также между не-ки вискозиметра заделывают заподли- рабочей поверхностью 12 внешнего дис- JQцо шпатлевкой, нерастворимой в иссле- ка 2 и защитным кожухом 11 выдержква-дуемой среде„ Ка хвостовике коничес- ют зазоры дЗ и Д4, равные соответ-кого участка 34 внутреннего упругого ственно зазорам д и Л2. Ширину тор-элемента 5 с помощью резьбового сое- ца защитного кожуха 15 выдерживаютдинения 39 закреплена трубчатая тяга в 3-5 раз превышающей толщину погра- , а также выполнены лыски 40 под ничного слоя на большем радиусе внеш-ключ (фиг.З), которые используют при него диска 20 Рабочие элементы виско-сборке в блок упругих элементов 4 и зиметра - диски 2 и 3, охватываемые5 по резьбовому соединению 22 (фиг.2) защитным кожухом 11, погружают в ис-Для предотвращения самоотвинчивания следуемую среду 18. 20внешнего упругого элемента 4 в утол- На фиг.2 показан вариант конструк-щенном пояске 21 введен винт устано тивного выполнения дискового ротацион-вочный 41 (фип.4), который также поз- ного вискозиметра, в котором внешнийволяет при сборке в блок упругих эле- и внутренний диски 2 и 3 крепят к соб-ментов 4 и 5 выдерживать их определен- ранным в блок внешнему и внутреннему 25ное взаимное положение. На утолщен- упругим элементам 4 и 5 с помощьюных поясках 2 и 23 упругих элемен- резьбовых соединений 19 и 20. Внешнийтов 4 и 5 выполнены наклонные сверле- упругий элемент 4 имеет утолщенныйния (на фиг,2 показаны частично) поясок 21 и резьбу 22, с помощью кото-направленные соответственно к процоль- рой он закреплен на утолщенном пояске 0ным четырем пазам 42 и четырем пазам 23 внутреннего упругого элемента 5.43 (фиг„5). На утолщенном пояске 21 Собранные в блок упругие элементывнешнего упругого элемента 4 выполне-1 4 и 5 крепят с помощью трубчатой лыски 44 под ключ (фиг.5), кото- ги к ведущему валу 9 по коническойрые облегчают сборку в блок упругих посадке 25. Для обеспечения соосностиэлементов 4 и 5 (фиг.2). Наклонные съемных элементов вискозиметра их соч-отверстия на утолщенных поясках 21 ленение производят по посадочным по-и 23 (фиг„2), а также пазы 42 и 43 верхностям и закрепляют с помощью резь-(фиг,5) используют для разводки ка- бовых соединений о Например, кожух 11бельного ввода 31 к тензорезисторам устанавливают на ведущем валу 9 по ци- 4д32, наклееным на упругие элементы линдрической посадочной поверхности4 и 5 торсионных динамометров. 26 и закрепляют с помощью реаьбы 27. Внешний диск 2 при сборке вискози- Для установки рабочих поверхностейметра монтируют на внешнем упругом 14 и 16 дисков 2 и 3 в одной плоское-элементе 4 с помощью прорезей 45, ти с торцом 15 защитного кожуха 11 ис- куда вводится оправка, либо с помощью пользуют прокладки 28 - 30. Кабельныйотверстий 46, в которые устанавлива- ввод 31 к тензорезисторам 32, накле-ется специальный ключ (фиг„6 и 7). енным на упругие элементы 4 и 5 (наДля облегчения внутреннего диска 3 фиг,2) терзорезисторы на внешнем уп-выполняется выборка 47 (фиг.6). На ругом элементе 4 не показаны), проло- JQфиг.8 показан вариант конструктивно- ясен через трубчатую тягу 24 и отверс-го выполнения дискового ротационного тие 33 в коническом участке 34 внут-вискозиметра, в котором между внеш- реннегр упругого элемента 5. Кабель-ним диском 2 и внутренним диском 3 ный ввод 31 загерметизирован в сквоз-установлена промежуточная шайба 48. ном осевом отверстии 33, например с „Между промежуточной шайбой 48 и диска- помощью эпоксидной смолы. На цилиндри-ми 2 и 3 выдерживают радиальные зазо- ческом пояске 35 конического участкары Д5 и Л 6, по величине равные не 34 внутреннего упругого элемента 5более третьей части толщины погранич- выполнена кольцевая канавка 36, в ко-ного слоя исследуемой среды на измерительных поверхностях 16 и 14 дис ков 2 и 3 в местах расположения зазоров Д5 и Дб0 Внешнюю поверхность 49 промежуточной шайбы 48 устанавливают в одной плоскости с рабочими проверх- ностями 14 и. 16 дисков 2 и 3 с помощью резьбовых втулок 50 и прокладок 51 (фиг.9).

Промежуточную шайбу 48 крепят к защитному кожуху 11 с помощью винтов 52 и 53, устанавливаемых в отверстия 54 и 55 в защитном кожухе 11 и промежуточной шайбе 48 не менее чем в трех равномерно расположенных по окружное- ти точках,, Для предотвращения протекания исследуемой среды в зазоре между стулкой, 50 и внешним диском 2 устанавливают сальниковое уплотнение 56, состоящее из набора тонколистовых прокладок 57, промежуточных колец 58, шайбы 59 и прижимной гайки 60, имеющей шлицевую прорезь 61 под отвертку Набор тонколистовых прокладок 57 и промежуточных колец 58 изготавливают из фторопласта. После завершения сборки вискозиметра шлицевую прорезь 62 винта 53 заделывают шпатлевкой, нерастворимой в исследуемой жидкости, заподлицо с внешней поверхностью 49 промежуточной шайбы 48„

Трубчатая тяга 24 (фиг.2) проходит через сквозное отверстие 63, выполненное по оси ведущего вала 9, и закреплена в ведущем вале 9 с помощью цент- рирующей шайбы 64 и прижимной гайки 65 (фиго 10). Для предотвращения самоотвинчивания гайки 65 используют стопорную шайбу 66, например шайбу пружинную. На ведущем валу 9 посажена полумуфта 67, которая закреплена на валу 9 с помощью шпонки.68 и винта установочного 69 Пальцы 70, установленные на полумуфте 67э снабжены втулками 71, выполненными из эластичного материала, например резины и входят в отверстия 72 ответной полумуфты 73, которую крепят на валу 74 приводного двигателя 1 (фиг„1) с помощью шпонки 75 и винта установочного 76 (фиг,10) Полумуфта приводного двигателя 73 выполнена в виде скобы, что позволяет с помощью рожкового ключа отвинчи- . вать гайку 65 и освобождать трубчатую тягу 24 с блоком упругих элементов 4 и 5 торсионных динамометров без демонтажа приводного двигателя () с полумуфтой 73 (фиг оЮ), корпуса под- .шипников 10 и ведущего вала 9 с защитным кожухом 1 1 (фиг.1). Полумуфты 67 и 73 образуют соединительную муфту, с помощью которой приводится во вращение от двигателя 1 ведущий вал 9 (фиг.1)о„Полумуфту 73, выполненную в виде скобы, изготавляют, например, путем симметричного срезания двух диаметрально противоположных сегментов на круглой полумуфте, имевшей на периферии кольцевой бурт, в результате чего на полумуфте 73 образуются уступы 77 (фиго 10). Полумуфты 67 и 73 собирают таким образом,чтобы между гайкой 65 и полумуфтой 73 выдерживался зазор &1 не более половины высоты гайки 65, а конец трубчатой тяги 24 свободно входил в отверстие 78, выполненное по оси вала 74 приводного двигателя 1 (фиг.1). Отверстие 78 переходит в сквозное сверление 79 (фиг о 10), по которому прокладывают кабельный ввод 31 через приводной двигатель 1 (фиг.1) к штыревому разъему (не показан), установленного на полумуфте 8-.

При сборке дискового ротационного вискозиметра через отверстие 33 .(фиго2), выполненное по оси конического участка 34 внутреннего упругого элемента 5, заводят четыре много- жильных тонких провода диаметром примерно 1 мм во фторопластовой изоляции, которые затем прокладывают через наклонные отверстия, выполненные в утолщенном пояске 23, и пазы 43 (фиг„5) к тензорезисторам 32, наклеенным на внутреннем упругом элементе 5. После подпайки проводов к тен- зометрическому мосту, составленному из тензорезисторов 32, их укрепления и изолирования мест пайки на утолщенном пояске 23 внутреннего упругого элемента 5 по резьбовому соединению 22 закрепляют внешний упругий элемент 4, устанавливая его в заданное положение относительно внутреннего упругого элемента 5 с помощью винта установочного 41 до совпадения сквозных наклонных отверстий, выполненных в утолщенных поясках 23 и 21 (фиг.2) Через отверстие 33 прокладывают второй комплект из- четырех проводов, которые через наклонные отверстия в утолщенных поясках 23 и 21 и пазы . 42 (фиг„5) подводят к тензорезисторам 32, наклеенным на внешний упругий элемент 4 (), подпаивают их к тензометрическому мосту, укрепляют и

915

изолируют места пайки. Восемь проводов затягивают в тонкую изоляционную трубку (кембрик), образуя кабельный ввод 31, которые герметизируют в отверстии 33 (фиг о 2), например эпоксидной смолойо Собранные таким образом в блок упругие элементы 4 и 5 с помощью трубчатой тяги 24 закрепляют в ведущем валу 9.

Вискозиметр работает следующим образом.

От приводного двигателя 1 (фиг.1) через ведущий вал 9 приводятся по вращение защитный кожух 11 и через внеш- ний и внутренний упругие элементы 4 и 5 соответственно внешний и внутренний диски 2 и 3. Частота вращения / защитного кожуха 1I и дисков 2 и 3 одинакова. Осуществляется обтекание- исследуемой средой 18 защитного кожуха 12, рабочих поверхностей 16 и 14 дисков 3 и 2. В радиальных и осевых зазорах Л1 - 44 между защитным кожухом 11, диском 3 и диском 2 те- чение жидкости отсутствует, поэтому обмен импульсами между дисками 2,3 и исследуемой средой осуществляется только по рабочим поверхностям 14 и 16.

Радиус внутреннего диска 3 выбирают таким образом, чтобы при работе вискозиметра в исследуемом диапазоне параметров пристеночного течения, например напряжения сдвига на диске, скорости сдвига, задаваемых частотой вращения ведущего вала, на диске 3 не возникало турбулентное обтекание. Вискозиметр позволяет проводить синхронное измерение интегральных харак- теристик обмена импульсом при ламинарном режиме обтекания на внутреннем диске 3 и турбулентном на внешнем диске 2. При работе вискозиметра на внешнем диске 2 может присутство- вать переходная зона и ламинарное об-« текание вблизи зазора Л2 (фиг.1 и 2)

Снабжение защитного кожуха 11 промежуточной шайбой 48 (фиг.8) позволяет расширить исследуемый диапазон параметров пристеночного течения. Режим работы вискозиметра задают таким образом, чтобы переходная зона не выходила за пределы торцовой поверхности 45 промежуточной шайбы 48 и пе- ремещалась от большего радиуса шайбы к меньшему при увеличении частоты вращения ведущего вала 9. Дисковый ротационный вискозиметр, снабженный

10

промежуточной гаайбой 48, позволяет проводить синхронное измерение интегральных характеристик обмена рмпулъ- сом на внешнем диске 2 при турбулентном обтекании (без наличия переходной зоны и частичного ламинарного обтекания в центральной области и на внутреннем диске 3 при ламинарном обтекании.

Возникновение неустойчивости ламинарного течения ньютоновской жидкости на вращающемся диске ( начало переходного режима) происходит на радиусе, в котором местное значение числа Рейнольдса составляет 2-10, а перехоной режим сменяется турбулентным при значении числа Рейнольдса 3-10. При таких же значениях обобщенного числа Рейнольдса происходит смена режимов течения при обтекании вращающегося диска реологически сложной текучей средой, подчиняющейся степенному реолгическому закону с индексом течения п 0,7-1,0, При отклонении реологических свойств текучей среды от ньютоновских все труднее реализовать турбулентный режим течения вследствие повышения консистентности среды и необходимого для турбулизации пото ка уровня интенсивности механического воздействия С увеличением интенсивности механического воздействия на реологически сложную текучую среду вследствие разрушения структур, ответственных за проявление реологических свойств, ее реологическая мог дель вырождается в наиболее простую - ньютоновскую. Для такого предельного реологического состояния определено отношение большего и меньшего радиусов промежуточной шайбы, при кото- ром область существования переходного режима течения в рабочем диапазоне частоты вращения ведущего вала ограничена поверхностью промежуточной шайбы. Значения локального числа Рейнольдса при максимальной рабочей частоте вращения ведущего вала не т должно превышать 2«10J на меньшем радиусе шайбы, а при минимальной рабочей частоте должно превышать значение 3-10 на большем радиусе шайбы:

г

R

Р.

R

, 42-10, (О

.1о (2)

е Rj, и R0 - местные числа Рейнольд- 1 3

са на внутреннем и внешнем радиусах промежуточной шайбы, М;j.; Rj и R3 - внутренний и внешний радиусы промежуточной шайбы, м;

ЫМЙКС,г максимальная и мини- си мальная частоты враще- JQ ния ведущего вала в рабочем диапазоне значений, с-1.

т) - кинематический коэффициент вязкости, , з Минимальное значение отношения ешнего радиуса промежуточной шайбы внутреннему радиусу определяют из отношения, удовлетворяющего (1) (2), 20

R3.

R,

/3 СОддСЧК

12 w,

(3)

W меч ко

2 «АНН

Радиус внутреннего диска R, не Должен превышать значения,, удовлет- воряющего неравенству (О Больший радиус внешнего диска выбирают исходя из конструктивных соображений, а также в соответствии с помощью приводного двигателя. Радиальные зазо™ ры между промежуточной шайбой и дисл ками, внесшим диском и защитным кожу |ком составляют не более третьей части толщины пограничного слоя на радиусах соответствующих зазоров, Шири- на торца защитного кожуха по радиусу в. 3-5 раз превышает толщину пограничного слоя на большем радиусе внешнего диска. Толщину пограничного слоя ньютоновской жидк ости на вращающемся диске соответственно при ламинарном и турбулентном режимах течения вычисляют по формулам:

3,7-.r-Re-a5

0,525-г-Ue-0 1

wR

V

(4)

(5)

(б)

где. t - радиус щ

R - радиус диска, м;

1 - кинематический коэффициент

вязкости, .

Для ньютоновских текучих сред толщина пограничного слоя при значениях обобщенного числа Рейнолъдса, равных значениям числа Речнрлъдса ньютоновс кой жидкостиа превышает толщину погранично го слоя, вычисленную по (4)-(б)„

;

5 0 0

S

5

Например, для дискового ротационного вискозиметра с рабочим диапазоном частоты вращения ведущего вала 30-300 при кинематическом коэффициенте вязкости среды v

и в соответствии с условием д г сГ(1)-(6) и конструктивными соображениями размеры рабочего элемента имеют следующие значения фиг„8 : радиус внутреннего диска R, 25 мм, больший радиус промежуточной шайбы R3 100 мм, больший радиус внешнего диска P. f 200 ммs наружный радиус защитного кожуха R7 220 мм, радиальные зазоры между промежуточной шайбой и внутренним и внешним дисками соответственно Л5 0,06 мм и Дб 0,90 мм, радиальный зазор между внешним диском и защитным кожухом и 1 1,5 мм.

Осевые зазоры между рабочими элементами по торцовым поверхностям 43 и Л 4 фиг,8 составляют 0,06 и 1,5 мм,

При определении реологических характеристик, текучей среды обтекание рабочих поверхностей внутреннего и внешнего дисков происходит без отрыва пограничного слоя, причем рабочая поверхность внутреннего диска обтекается только ламинарным потоком, а внешнего диска при наличии промежуточной шайбы - только турбулентным, Если промежуточная шайба отсутствует, то область переходного режима обтекания существует на меньших радиусах внешнего диска, что снижает точность определения реологических характеристик. Влияние отрыва пограничного слоя на кромке защитного кожуха, образованной его торцовой поверхностью,и обо- дом5 не распространяется за пределы торцовой поверхности кожуха и не сказывается на величине реактивного крутящего момента внешнего диска. В зазорах между дисками, промежуточной шайбой и защитным кожухом отсут-1- ствует течение исследуемой- среды. Измеряемые моменты сопротивления трения внутреннего и внешнего дисков являются результатом обмена импульсами текучей среды только с рабочими поверхностями дисков, обтекание которых соответствует решению теоретической задачи- об обтекании бесконечного диска. По регистрируемым величинам крутящих моментов, частоты вращения дисков, термодинамическим параметрам текучей среды и геометричес 13-1.5

ким размерам рабочих элементов рас- считываются реологические характеристики текучей среды.

Формула изобретенья

1 . Дисковый ротационный вискозиметр, включающий приводной, двигатель, ведущий вал с подсоединенными соосно защитным кожухом и охватываемых им внутренним диском и внешним диском, кольцевая рабочая поверхность которого лежит в одной плоскости с рабочей поверхностью внутреннего .диска и торцом защитного кожуха, причем радиальные зазоры между дисками и между защитным кожухом и внешним диском не превышают третьей части толщины пограничного слоя соответственно на меньшем и большем радиусах . рабочей поверхности внешнего диска, при этом внешний диск подсоединен к ведущему валу через упругий элемент торсионного динамометра, отличающий- с я тем, что, с целью повышения--точности определения реологических характеристик текучей среды и сокращения времени проведения измерений путем синхронного измерения при лами- нарном и турбулентном режимах теча- ния, внутренний диск подсоединен к ведущему валу также через упругий элемент торсионного динамометра, расположенный соосно внутри упругого элемента торсионного динамометра внешнего диска. - .

20 Вискозиметр по п.1, отличающийся тем, что защитный кожух снабжен промежуточной шайбой, расположенной соосно между дисками и установленной внешней торцовой поверх1

ностью в одной плоскости с рабочими поверхностями дисков, причем радиальные зазоры между шайбой и дисками составляют не более третьей части толщины пограничного слоя соответственно на меньшем и большем радиусах промежуточной шайбы.

3. Вискозиметр по n,1s отличающийся тем, что ширина торца защитного кожуха по радиусу в 3- 5 раз превышает толщину пограничного слоя нг большем радиусе внешнего диска,

4о Вискозиметр по п.2, о т л к - чающийся тем, что промежуточная шайба укреплена к защитному кожуху по окружности с помощью винтов и резьбовых втулок, проходящих сквозь внешний диск, а в радиальном зазоре между резьбовой втулкой и внешним диском установлено эластичное уплотнение в виде набора тонколистовых шайб из фторопласта, контактирующих с резьбовой втулкой, и промежуточных шайб

5. Вискозиметр по п. 2, отличающий ся тем5 что отношение большего радиуса внешней торцовой поверхности промежуточной шайбы к мень-- шему выполнено по формуле

&, /3 «да

R,

WMKH

где RJ и R3 - больший и меньший радиусы внешней торцовой поверхности промежуточной шайбы|

максимальная и минималь- wмим ная частоты вращения

ведущего вала в рабочем диапазоне.

r-

ГМ O LTi

-

г

20 47 38 29 28 45 46 QUZ 6

J/

46

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения реологических характеристик текучих сред. Цель изобретения - повышение точности определения реологических характеристик текучей среды и сокращение времени измерений. Подсоединение внутреннего диска 3 к упругому элементу 5 позволяет повысить точность и сократить время измерений за счет синхронного измерения внутренним 3 и внешним 2 дисками интегральных характеристик обмена импульсом текучей среды с обтекаемыми потоком поверхностями при ламинарном и турбулентном режимах их обтекания. Снабжение защитного кожуха 11 промежуточной шайбой, расположенной между внешним 2 и внутренним 3 дисками, позволяет исключить влияние переходного режима обтекания. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Фиг. 7

«

Фиьв

W № 61

& 8$ -53 Фиг.9

51 60 59

I

Риг. го

68 6f М 3 Фиг. 11

67