Способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01N11/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости.

Известен способ измерения вязкости жидкости, включающий определение времени истечения фиксированного объема жидкости через капилляр известного сечения..., ::Недостатком этого метода является не- йозможность измерения вязкости жидкости, проявляющих неньютоновскиё свойства.

Наиболее близким к изобретению является способ, включающий прокачку жидкости через канал известного размера, определение напряжения и скорости сдвига на стенке канала.

Недостатком этого способа является невозможность определения при заданной

скорости течения зависимости вязкости от скорости сдвига. Для получения такой функциональной связи необходимо проведение серии замеров, что требует большого времени испытаний, особенно при работе в области малых скоростей сдвига.

Кроме того, работа в широком диапазоне изменения скорости сдвига требует применения набора приборов, так как не удается создать капиллярный вискозиметр, обладающий соответствующими функциональными возможностями. ; Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет определения зависимости вязкости от скорости сдвига при заданном расходе жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем прокачку жидкости

О

ы

через капилляр известного размера и определение напряжения и скорости сдвига на стенке канала, дополнительно определяют профиль скорости в канале, а зависимости вязкости от скорости сдвига определяют из выражения

М-Них,(1)

где ij- вязкость жидкости. Па-с; г(х) - напряжение сдвига, Па;

у (х) - скорость сдвига, (с 1) в точке х соответственно.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Рассмотрим течение жидкости в канале круглого сечения (фиг. 1). Перепад давления на участке длиной L составляет ДР. Тогда для установившегося простого сдвигового течения сила, действующая на цилиндр жидкости радиуса г, составит величину

Fi-ДРлг2.(2)

С.другой стороны, выражение для силы трения, действующей на этот цилиндр, имеет вид

Р2 2ггг tL,(3)

где т-касательное напряжение. .

Для простого сдвигового течения в установившемся режиме имеет место равенство

FI F2, т.е. Д Ря г2 2зг rtL. (4)

Из уравнения (4) следует

, А Р г,w

т . .™

Распределение скорости по сечению для ламинарного движения в трубе описывается выражением

V VMaKc 1r()(б)

Тогда градиент скорости равен

dV ,, 2 г .: -J7 .«.- -R- ;(7)

Учитывая, что в простом сдвиговом течении максимальная скорость равна удвоенной средней скорости, градиент скорости на стенке равен.

.4(3 У 37 „#

где Q - расход жидкости.

Из закона Ньютона для жидкости известна связь между скоростью сдвига и напряжением

г,.(9)

Из уравнений (9) и (5) получим выражение

для вязкости

„ т ДРг ,1П d V/d r dV/dr2L uu

где ДР - перепад давления в капилляре на

участке длиной L;

(8)

dV/dr- градиент скорости в точке измерения;

г - текущая координата вдоль радиуса канала.

Используя выражение (10) и экспериментально измеренные величины, г; ДР; L; dV/dr, можно определить вязкость жидкости. При этом для ньютоновских жидкостей для определения вязкости г достаточно измерить градиент скорости dV/dr в одной точке потока.

Для неньютоновских жидкостей этого недостаточно, так как вязкость таких жидкостей зависит от скоростей сдвига (градиента

скорости).

В простом, сдвиговом течении, зная профиль скорости, можно определить градиент скорости в каждой точке поперечного сечения потока, а следовательно, и зависимость вязкости, определяемой выражениями (1) и (10), от скорости сдвига в широком диапазоне изменения этого параметра. Для этого необходимо точное значение профиля скорости. Применение метода лазерной доплеровской анемометрии, обладающей высокой точностью и быстротой определения, позволяет решить эту проблему.

Рассмотренный способ, как и все известные, позволяет определять вязкость жидкостей только при простом сдвиговом течении. При более сложном течении, т.е. когда вязкость зависит от компонент тензора напряжения, известные методы не могут быть применены. Предложенный способ позволяет измерить все компоненты вектора скорости и определить вязкость из следующей более общей зависимости pVrVj

avr

б У| , а У Jx + axi

(11)

где/ плотность жидкости ;

Vi, Vj - компоненты вектора скорости, м/с;

avi avi

лТГ д Х| соответетвУЮ1Дие компоненты скоростей сдвига,

На фиг. 1 изображен канал круглого сечения, используемого для вы вода соотношения (10); на фиг. 2 - установка для

осуществления способа; на фиг. 3- профиль скорости для раствора биополимера; на фиг. 4 - зависимость вязкости от скорости сдвига для этого полимера.

Способ осуществляется следующим об:

разом.

Через цилиндрический канал известного сечения-прокачивается жидкость. При этом должны соблюдаться условия для осуществления простого сдвигового течения.

На участке между точками 1 и 2 с расстоянием между ними L измеряют перепад давления ДР.

С помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) осуществляют измерение профиля скорости. После этого находят производную скорости по радиусу (градиент скорости) в каждой точке поперечного сечения.

Зная скорость сдвига (градиент скорости) в каждой точке поперечного сечения г и перепад давления ДР, определяем вязкость из выражения

,, f(y(r),

т.е. определяем зависимость вязкости от скорости сдвига.

Для осуществления способа была создана установка, состоящая из гидродинамической части, в которой реализовано простое сдвиговое течение с возможностью измерения перепада давления на определенном участке измерительной части, пред- назначенной для определения профиля скорости (фиг. 2).

Для бесконтактного измерения профиля скорости был создан лазерный доплеров- скийанемометр(ЛДА)с

инверсно-дифференциальной схемой (фиг. 2). В качестве источника когерентного излучения использовался лазер с длиной волны Я 0,63 мкм и мощностью 15 мВт (тип ЛГ-52/1).

Луч лазера 1 проходит через обьектив 2 и фокусируется в исследуемом потоке 3. Далее он проходит через линзу 4, передний фокус которой совпадает с задним фокусом объектива 2, После прохождения линзы А лазерный луч параллельным пучком падает на уголковый отражатель 5, Отражаясь от него, луч идет в обратном направлении. Таким образом, образуется дополнительный резонатор, состоящий из выходного зеркала и уголкового отражателя 5, Применение уголкового отражателя позволяет значительно снизить чувствительность ЛДА к. вибрациям.

Свет, рассеянный из области измерения, пройдя через объектив 2, пространст- венно-частотный фильтр 6, зеркало 7, 8, попадает на фотоприемник 9 (ФЭУ-79).Лро- странственно-частотный фильтр 6 представляет собой экран с тремя отверстиями, (для измерения одной компоненты вектора скорости). Одно отверстие находится на оптической оси и через него проходит зондирующий лазерный луч. Два другие отверстия находятся на одинаковом расстоянии от центра первого отверстия, зеркала 7 и 8 служат для пространственного совмещения параллельных пучков рассеянного света.

На пути одного из пучков рассеянного света находится устройство сдвига частоты

- частотный модулятор 10, который служит для начального сдвига частоты, что позволяет устранить неопределенность в направлении измеряемой скорости.

Одновременно начальный частотный

0 сдвиг позволяет увести обрабатываемый сигнал из области низкочастотных шумов, что дает возможность измерять малые скорости исследуемого потока. Для выделения доплеровского сигнала использовался спек5 троанализатор (тип СК-4-58).

В качестве гидродинамического канала использовался стеклянный капилляр 11 с внутренним диаметром 7 мм и длиной L 450 мм, Канал помещался на специальном

0 столике с необходимым числом степеней свободы. В капилляре 11 были сделаны патрубки 13,14 для измерения перепада давления. Скорость течения жидкости и величина начального участка выбиралась с условием

5 создания простого сдвигового течения (ламинарного течения). Расход жидкости поддерживался постоянным с помощью сосуда, из которого жидкость вытекала в капилляр. Перемещением капилляра вдоль луча опре0 деляют величину скорости в каждой точке сечения капилляра, а тем самым определяется профиль скорости. Эти данные для воды и раствора, экзополисахарида Acinotobacter концентрацией 0,05 пред5 ставлены на фиг. 3. Для каждой точки поперечного сечения канала определяется dV/dr и. подставляя это значение в выражение (10), находим зависимость вязкости от скорости сдвига, что достаточно хорошо совпа0 дает с известными данными (фиг. 4).

Раствор полисахарида проявляет неньютоновские свойства в широком диапазоне скоростей сдвига.-Выше описан способ измерения зависимости вязкости неньюто5 новской х идкости от скорости сдвига в простом сдвиговом течении при постоянном (одном и том же) расходе.

В ряде случаев для увеличения точности измерений целесообразно проводить изме0 рения -в одной точке поперечного сечения потока, но меняя расход жидкости (максимальную скорость) и тем самым меняя градиент скорости. При этом .следует постоянно следить за сохранением просто5 го сдвигового течения.

Таким образом, предложенный способ позволяет расширить возможность известного метода измерения вязкости жидкости и ускорить проведение исследований за счет измерения в одном режиме всей зависимости вязкости от скорости сдвига ее не одной единственной точки. Кроме того, Л ДА проводит измерения скорости с достаточно высокой точностью с высоким пространственным разрешением. Это обеспечивает возможность создания простых и высокоточных вискозиметров на основе предлагаемого способа.

Формула изобретения Способ измерения вязкости неныото- новских жидкостей, включающий прокачку жидкости через капилляр, определение напряжения сдвига и скорости сдвига на стен-

0

ке канала, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональной возможности за счет определения зависимости вязкости от скбрости сдвига, дополнительно определяют профиль скорости в канале, а зависимость вязкости от скорости сдвига определяют из выражения

Ч ()

где г) - вязкость жидкости, г(х) - напряжение сдвига. Па; (х) - скорость сдвига, с 1; х - текущая координата.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа при одновременном повышении производительности труда за счет определения зависимости вязкости от ско- рости сдвига. Поставленная цель достигается тем, что а способе, включающем прокачку жидкости через капилляр и определение напряжения и скорости сдвига на стенке капилляра, дополнительно определяют профиль скорости в капилляре, напряжение и скорости сдвига по всему сечению потока, а зависимости вязкости и скорости сдвига определяют из выражения г Testify (х), где ц- вязкость жидкости Па-с.-Их) - напряжение сдвига, Па;у(х) - скорость сдвига, в точке х соответственно.

/3

Фиг. 2

:fa

iO 50