ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ (ВИСКОЗИМЕТР) Советский патент 1934 года по МПК G01N11/08 

Наиболее распространенным методом определения вязкости жидкостей является метод, основанный на законе истечения вязкой жидкости из капиллярных трубок (способ Пуазейля).

По Пуазейлю объем υ вытекающей жидкости из капилляра длиною и радиусом r при давлении р за время t находится по формуле

где η - вязкость вытекающей жидкости. Если все величины, входящие в формулу (1), выражать в единицах системы GGS, то вязкость должна быть выражена в паузах.

Простейший вискозиметр представляет собою сосуд, в дно которого вделана капиллярная трубка для истечения жидкости. Открывая отверстие трубки, заставляют вытекать испытуемую жидкость. По мере истечения, горизонт ее в сосуде понижается; подливая жидкость при помощи пипетки или иным способом, поддерживают горизонт неизменным, чтобы сохранить постоянное давление p₁, и отмечают время истечения t₁ определенного объема жидкости υ. Проделывают вторично такой же опыт с водою (или иною жидкостью, вязкость которой известна), поддерживая уровень ее в сосуде неизменным, и записывают время t₂ истечения такого же объема ее υ.

Пользуясь формулой (1) для истечения как испытуемой жидкости, так и воды, находят искомую вязкость η_x.

где η_b - вязкость воды при температуре опыта, которая находится из таблиц.

Если вода наливается в сосуд до того же уровня, что и испытуемая жидкость, то отношение давлений в формуле (2) можно заменить отношением их удельных весов и формула (2) принимает вид:

где δ₁ - удельный вес испытуемой жидкости, а δ₂ - удельный вес воды при температуре ее истечения.

Вычисление η_x из формулы (3) связано с известной потерей времени, само же производство опыта также несколько затруднительно, так как необходимо бывает одновременно следить за наполнением мерной колбы, куда вытекает жидкость, за секундомером и непрерывно поддерживать неизменным горизонт вытекающей жидкости в сосуде истечения.

В технике чаще пользуются вискозиметрами Энглера (СССР, Германия и Скандинавские страны), Редвуда (Великобритания) и Сейболта (США). При помощи этих приборов определяется время истечения из них определенного объема испытуемой жидкости. Время истечения, выраженное в секундах, дает соответствующее число секунд Энглера, Сейболта или Редвуда, характеризующее вязкость жидкости. Однако, следует иметь в виду, что все подобные условные единицы вязкости в действительности недостаточно точно характеризуют вязкость испытуемых жидкостей, так как истечение из этих приборов происходит при переменном давлении (горизонт жидкости в сосуде истечения не поддерживается постоянным). Кроме того, совершенно не вводится в расчет удельный вес жидкости, фигурирующий в формуле (3). Легко видеть, что две жидкости, имеющие различные удельные веса, но одинаковую вязкость, будут истекать из вискозиметра в течение различного времени и будут характеризоваться различным числом секунд вязкости. Наконец, объем вытекающей жидкости измеряется в вискозиметрах при помощи мерной колбы, причем во время истечения жидкость обычно успевает охладиться до комнатной температуры, и объем ее в мерной колбе не равен объему вытекшей жидкости из сосуда истечения, где она часто бывает при иной температуре (чаще всего при 50° или более высокой). Так, масло, занимая при 20° объем в мерной колбе 200 см³, занимало в сосуде при 50° объем порядка 206 см³, при 100° - 214 см³, а при 200° - 234 см³. Однако, несмотря на указанные выше недостатки вискозиметров и некоторые другие недочеты в их работе, они пользуются повсеместным распространением, так как определение вязкости при их помощи производится быстро (не требуется тратить времени на поддержание постоянного горизонта жидкости и отпадает вычислительная работа и пр.).

Автор предлагает пользоваться вискозиметром его системы, который позволяет всю работу по определению вязкости производить автоматически.

На чертеже фиг. 1 изображает общий вид прибора; фиг. 2 - внешний вид поплавка с рамой и мерной колбой; фиг. 3 - вид циферблата для отсчета результата определения; фиг. 4 - вид зубчатого колеса с собачкой; фиг. 5 - видоизменение приспособления для поддержания уровня жидкости в сосуде истечения.

Для определения наливают испытуемую жидкость в сосуд до определенного уровня и включают ток. Дальнейшая работа полностью производится самим прибором, который не требует никакого наблюдения за собою или даже присутствия в комнате, где он находится. Сам прибор автоматически поддерживает постоянным горизонт жидкости в сосуде истечения.

В момент наполнения мерной колбочки дальнейшее истечение жидкости прекращается, и раздается звонок, извещающий об окончании опыта. Необходимо только отсчитать показания стрелки прибора, которая на циферблате показывает вязкость жидкости непосредственно в центипуазах, и выключить ток.

Таким образом, применение прибора позволяет механизировать весь процесс по определению вязкости и требует минимальной затраты времени. Кроме того, результат получается с достаточной точностью выраженным непосредственно в центипуазах, а не в условных единицах вязкости, что также чрезвычайно важно.

Большую потерю времени обычно вызывает в вискозиметрах Энглера, применяемых в СССР, нагревание испытуемой жидкости до требуемой температуры, при которой производится определение ее вязкости. Предлагаемый автором прибор снабжается автоматическим терморегулятором, таким образом и этот процесс не потребует какой-либо дополнительной потери времени.

Учитывая то громадное значение, которое имеет определение вязкости при выяснении вопроса о пригодности смазочных масел и жидкого топлива, а также при оценке нефтепродуктов, автор полагает, что его прибор может представить некоторый интерес.

Действие прибора основано на применении вышеприведенной формулы (3).

Величины η_b1, t₂ и δ₂ являются постоянными. Действительно, вязкость воды η_b и удельный вес ее δ₂ при данной температуре находятся из таблиц. Время истечения ее определенного объема υ при некотором постоянном давлении для данного прибора (при температуре, для которой берется из таблиц ее вязкость и удельный вес), также является вполне определенной величиной.

Таким образом, формула (3) принимает вид:

где (постоянная для данного прибора величина, которую мы будем в дальнейшем называть постоянной вискозиметра).

Если в момент начала истечения испытуемой жидкости включить электрический ток, приводящий в действие электрические часы, то стрелка этих часов, передвигаясь по циферблату, будет отмечать продолжительность истечения.

Если же в момент наполнения определенного объема υ (конечно такого же, как и объем воды, вытекшей за время t₂) выключить ток, то стрелка остановится и укажет время истечения этой жидкости т.е. t₁.

Чтобы определить вязкость η по формуле (4), достаточно будет время t₁ умножить на удельный вес жидкости δ₁ и на постоянную вискозиметра к.

Однако, работу можно значительно упростить, если нанести на циферблате электрических часов готовые произведения тогда показание стрелки даст прямо вязкость испытуемой жидкости, выраженную в пуазах (или центипуазах).

Так как прибором придется пользоваться для определения вязкостей жидкостей с различными удельными весами, то циферблат часов должен иметь не одну, а ряд шкал в виде концентрических окружностей с делениями на центипуазы для жидкостей с различными удельными весами. На чертеже фиг. 3 изображает вид такого циферблата.

Электрические часы можно снабдить второю маленькой стрелкой, отсчитывающей число полных оборотов большой стрелки. При испытании обычных смазочных масел с вязкостью, примерно, менее 10° Энглера отсчет производится только по показанию большой стрелки, для очень же вязких жидкостей, например, глицерина, касторового масла и т.д., истечение которых при низких температурах происходит крайне медленно, отсчет производится по показаниям обеих стрелок.

Прибор состоит (фиг. 1 чертежа) из термостата 1, установленного на четырех ножках. В этот термостат наливается вода, которая нагревается до требуемой температуры. Если необходимо получить температуру выше 100°, то в термостате можно заменить воду маслом или иной какой-либо жидкостью с достаточно высокой точкой кипения. Описание электронагревателя с терморегулятором дано ниже.

В термостате 1 помещается, резервуар 2 (сосуд истечения.), в который наливается испытуемая: жидкость. На стенках резервуара имеются крючки 3 для установки уровня жидкости. В нижней части резервуара имеется капиллярная трубка истечения 4, отверстие которой закрывается штифтом 5.

В резервуар погружен полый поплавок 6 (например, из алюминия) с цилиндрическим отверстием вдоль оси, через которое проходит штифт 5.

К поплавку 6 жестко прикреплена, рама 7, 8, 8, 7, на нижней части которой устанавливается мерная колба 9. Отверстие этой колбы приходится против конца трубки истечения 4.

Внешний вид поплавка с рамой и мерной колбой показан на фиг. 2 чертежа. Как видно, рама состоит из трех; стоек 7, 7, 7, соединенных внизу частями 8, 8, 8. Шариками 10, 10, 10, передвигаемыми по стерженькам 11, 11, 11 с винтовой нарезкой, пользуются для устранения перекашивания прибора.

Рама снабжена штифтом 12, приходящимся над чашкой 13 с ртутью. Штифт 5 шарнирно соединен с плечом 14 рычага 14, 15, закрепленного в точке 16 на бортике сосуда 1. Плечо 15 рычага 14, 15 снабжено якорем 17. Плечо 14 оттягивается пружинами 18 (на рис. 1 показана одна из этих пружин).

На консоле сосуда 1 установлен электромагнит 19. От аккумулятора 20 цепь идет через электромагнит 19 и электрические часы 21 с рядом шкал, разделенных на центипуазы (описание их см. выше). Эту цепь (часов) будем именовать в дальнейшем первою цепью.

От аккумулятора 20 берет начало и вторая цепь (сигнальная), в которую включен штифт 12 и чашечка с ртутью 13, а также электрический звонок 22 и электромагнит 23.

Для нагревания воды или иной жидкости в термостате 1 помещается электрическая грелка 24, питаемая током от осветительной сети. Цепь (для питания грелки) в дальнейшем будем называть третьей цепью. В сосуде истечения 2 помещается терморегулятор того или иного типа. Можно, например, пользоваться шаром 25 со ртутью, от которого идет стеклянная, открытая трубка. Над ртутью помещается штифт 26. Штифт 26 и ртуть шарика 25 включаются в цепь осветительной сети. В эту же цепь включается электромагнит 27. Будем именовать эту цепь (терморегулятора) четвертой цепью.

Штифт 26 можно поднимать или опускать. На стекле трубки шарика 25 со ртутью имеются деления на градусы температуры. Если нужно поднять температуру, например, до 50°, то штифт 26 устанавливается против 50-го деления.

Когда температура дойдет до 50°, ртуть достигнет острия штифта 26, и произойдет замыкание четвертой цепи. Электромагнит 27 притянет якорь реле 28, включенного в третью цепь; третья цепь разомкнется, что вызовет прекращение нагревания жидкости в термостате. Как только температура начнет понижаться, ртуть в трубке шарика 25 станет опускаться, четвертая цепь разомкнется, электромагнит 27 перестанет притягивать якорь реле 28, и ток в третьей цепи возобновится, что вызовет нагревание жидкости в термостате, поднятие ртути в трубке шарика 25, вновь замыкание четвертой цепи и т.д

Как мы уже отмечали, при достижении требуемой температуры, например 50°, произойдет впервые замыкание четвертой цепи, и якорь реле 28 будет притянут к электромагниту 27. Притяжение якоря, изображенного на нашем рисунке на левом плече рычага, вызовет опускание правого плеча этого рычага; при этом правое плечо отпустит нижнее колено 30 рычага 30-31, которое оно задерживало при помощи выступа на своем конце; пружина 32 оттянет нижнее колено вправо, верхнее колено 31 переместится влево и замкнет первую цепь.

Наполнив сосуд истечения 2 испытуемой жидкостью до касания ее поверхности крючков 3, включают ток от городской сети в третью цепь (электронагревателя), предварительно установив штифт 26 терморегулятора против деления на стеклянной трубке шарика 25 со ртутью, соответствующего той температуре, при которой испытывается жидкость, например, 50-го деления, если испытание производится при 50°.

Вся дальнейшая работа прибора происходит автоматически и не требует какого-либо наблюдения.

Как только температура достигнет той, при которой надлежит производить испытание, произойдет замыкание четвертой цепи; при этом замкнется также и первая цепь.

Во все время опыта терморегулятор будет поддерживать постоянную температуру.

При замыкании первой цепи электромагнит 19 притянет якорь 17, плечо 15 рычага 14-15 опустится, плечо 14 поднимется, и штифт 5 откроет отверстие трубки 4. Одновременно начнут работать электрические часы 21.

Из сосуда 2 испытуемая жидкость вытекает в мерную колбочку 9. Вес колбочки увеличивается, т.е. возрастает сила давления на раму 7, 8, 8, 7, и поплавок 6 больше погружается в жидкость сосуда 2, поднимая ее уровень.

Пусть из сосуда 2 перешло в колбочку 9100 см³ испытуемой жидкости с удельным весом 0,9 г/см³, т.е. 0,9·100=90 граммов; очевидно, поплавок 6 погрузится в жидкость сосуда 2, вытесни из нее также 90 граммов, т.е. 100 см жидкости.

Итак, по мере вытекания жидкости из сосуда 2, поплавок 6 все более и более погружается в жидкость, поддерживая горизонт ее в сосуде 2 неизменным. Следовательно, истечение происходит при постоянном давлении.

По мере наполнения мерной колбочки 9, поплавок 6 вместе с рамой 7, 8, 8, 7 опускается вниз. Легко подсчитать, насколько опустится поплавок, когда вытечет определенный объем жидкости.

Пусть из сосуда 2 должно вытечь υ=200 см³ жидкости. Если площадь сечения поплавка 25 см³, то, очевидно, он погрузится на

Чашечка с ртутью 13 помещается под штифтом 12 таким образом, чтобы расстояние от поверхности ртути в ней до штифта перед началом истечения было как раз равно 8 см.

Следует, однако, иметь в виду, что первоначальное погружение поплавка 6 в испытуемую жидкость до начала истечения будет различно в зависимости от удельного веса жидкости. Поэтому чашечку со ртутью следует поместить на подъемный столик или штатив и до начала опыта поднять его или опустить таким образом, чтобы расстояние от поверхности ртути до штифта 12 как раз соответствовало требуемому (в нашем примере 8 см). Чтобы избежать потерю времени на эту процедуру и полностью механизировать работу, автор рекомендует пользоваться устройством, изображенным на фиг. 1 чертежа.

Вокруг осей 34 и 35 вращается система из ряда шарнирно соединенных стержней 33, 36, 37, 38, 39. Чашечка 13 со ртутью прикреплена к стержню 39 и уравновешивается противовесом 40. Ввиду полной уравновешенности всей системы, чашечка 13 поднимается или опускается (как у весов Реберваля) под действием самой ничтожной силы. Стержень 33 упирается в поплавок 6. При наполнении сосуда 2 испытуемой жидкостью, поплавок 6 всплывает, нажимает на стержень 33, и чашечка 13 со ртутью поднимается вверх. Чем выше поднимается поплавок, тем выше поднимается и чашечка с ртутью. Таким образом, расстояние между острием штифта 12 и поверхностью ртути в чашечке 13 будет всегда одно и то же независимо от первоначального погружения поплавка 6 в жидкость в сосуде истечения. У оси 34 или 35 имеется зубчатое колесо 41 (см. на чертеже фиг. 4), зубцы которого задерживаются собачкой 42, препятствующей опускаться чашечке 13 со ртутью при опускании поплавка вниз после начала истечения.

При истечении требуемого объема υ испытуемой жидкости, поплавок 6 вместе с рамой 7, 8, 8, 7 и штифтом 12 как раз опустится на соответствующую высоту (в нашем примере 8 см), острие штифта коснется поверхности ртути, и вторая цепь замкнется.

В момент замыкания второй цепи зазвонит звонок 22, извещая об окончании опыта, электромагнит 23 притянет к себе якорь реле 43, что вызовет размыкание тока в первой цепи. Электрические часы 21 в этот момент остановятся, отметив вязкость испытуемой жидкости, электромагнит 19 перестанет притягивать якорь 17, и пружины 18 оттянут плечо 14 рычага 14, 15; штифт 5 при этом закроет отверстие в трубке истечения, вследствие чего жидкость перестанет вытекать.

Описанный выше способ поддержания неизменного горизонта жидкости в сосуде истечения может быть, например, упрощен так, как показано на фиг. 5. Поплавок 6 шарнирно соединен со стержнем 55, который вместе со стержнями 45, 46, 47, 48, 49 представляет уравновешенную систему, вращающуюся вокруг осей 44 и 51.

При наливании жидкости в сосуд истечения 2 горизонт ее поднимается, поплавок 6 всплывает, толкает стержень 55, вследствие чего стержни 46, 47 и 48 опускаются, а стержень 49 поднимается, поднимая вверх мерную колбу, снабженную в нижней части штифтом 12. Поднимается также и чашка со ртутью 13, уравновешенная противовесом 52 при помощи крючка 51 стержня 50. По мере вытекания жидкости давление ее на мерную колбу увеличивается, мерная колба опускается, стержень 47 поднимается, а поплавок 6 погружается в жидкость сосуда 2 на соответствующую глубину. Чашка с ртутью не меняет при этом первоначального положения, так как устройство, изображенное на фиг. 4 чертежа, позволяет рычагу вращаться, вокруг оси 54 только в одну сторону.

Возможно заменить питание цепей первой и второй от аккумулятора питанием тем же током от сети, которым пользуются для третьей и четвертой цепи. Кроме того рекомендуется в термостате 1 (или сосуде истечения) поместить мешалку в виде небольшого винта с лопастями для перемешивания жидкости при нагревании. Для вращения мешалки следует поместить небольшой электродвигатель, питаемый током от третьей цепи. Электродвигатель будет работать с перерывами, и время от времени жидкость в термостате будет перемешиваться.

1. Прибор для определения вязкости жидкостей по скорости их истечения, состоящий из сосуда истечения, снабженного на дне прикрываемой штифтом трубкой для истечения, отличающийся применением расположенного в сосуде истечения тела 6, предназначенного для поддержания испытуемой жидкости на одном и том же уровне во время истечения, каковое тело 6 связано при помощи тяг 7-8 с колбой 9, принимающей истекающую жидкость.

2. Применение при означенном в п. 1 вискозиметре электрических часов с несколькими концентрически расположенными шкалами на циферблате для определения вязкости жидкостей с различными удельными весами, каковые часы соединены проводниками электрического тока, связанными, в свою очередь, посредством штифта 12, тяг 7-8 и чашки 13 со ртутью с телом 6.

3. Применение при означенном в пп. 1 и 2 вискозиметре электрических нагревательных элементов, снабженных терморегулятором 25-26 и расположенных в сосуде 1, окружающем сосуд истечения 2.