Ротационный вискозиметр Советский патент 1978 года по МПК G01N11/14 

(54) РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР

1

Изобретение относится, к технике реологического приборостроение и может быть использовано в научно-исследовательских и заводских лаборатория, учебных заведениях и др. для исследования растворов полимеров и различных вязкотекучих , жидкостей.

Известны ротационные вискозиметры, представляющие собой устройства, в которых исследуемая жидкая система подвергается сдвигу между двумя поверхностями, одна из которых находится во вра- Q щательном движении , а вторая служит для воспртятия усилия, возникающего в потоке, и передачи его та динамометр П.

Эта вискозиметры обладают тем существенньпу1|5 HefiecraTKOM, что их конструкционные решения не обеспечивают сочетания необходимых свойств в одном приборе, а именно возможности измерения вязкости в широком интервале (от сотых долейсантипуазы до нескольких миллионов пу&з) и измеренияjj0 структурной вязкости в зависимости от градиента скорости, а также исследова1щя других реологических свойств (предела текучести, модуля эластичности растворов, кинетики упругого последействия и т.д.).25

Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является ротационный внскозиметр, содержащий коаксиалытые внутренний и наружный, связанный с валом привода, цилиндры колоколообразного типа, измерительную систему 2,

Недостатком данного ротационного вискозиметра является то, что его конструкция не позволяет измерещ1я вязкостей легкотекучих жидкостей и газов и вношт погрешность в измерения из-зд недостаточного центрирования цилиндров.

Целые изобретения является расщирение диапазона измеряемых вязкостей и повышение точности их измерения.

Цель достигается тем, что в предлагаемом вискодаметре внутретний цилиндр соединен с динаидаметром измерительной системы с помощью выступов, выполненных в его верхней части и частично затопляемых в исследуемой жидкости, а наружный «илиндр соединен с валом привода посредством центрирующего стакана с регулировочными винтами, причем оба цилиндра выполнены с возможностью их соешше1шя при помощи съемной оси, а соотношение измерительной поверхности внутреннего ци;линдра с его моментом инерции выбрано в пределах 0,6-2,5 . , На чертеже представлена схема ротационного вискозиметра. Ротационный вискозиметр содержит внутрен НИИ 1ДОШНДР 1 имею1одй выступы 2, служащие для соеда нения его с динамометром 3, Такая, конструк1щя внутреннего ыяливдра сохраняет коаксиальность цилиндров, которая может бытьнарутлеиа под илишгаем поверхностного натяжения жидкоста при его воздействии на полную окружность внутреннего ци;шндра, Так как поверхность: внугреннего цилиндра 1 полностью находится под уровнем жидкости 4, кроме выступов, пересекающих этот уровень, то исключается децентрирующее влияние поверхностного натяжения яаздкоста на внутреншй цишпщр, особенно при измерениях маловязких сред. Дальнейшее взаимное центрирование рабочих циливдров осуществлено путем крепления наружного цилиндра на вертикмьном, приводимом в движе ние от двигателя, валу 5 посредством центрирующего стакана 6, несущего установо шые винты 7. В отсутствие такого центрирования, биегагя, возникающие при быстром вращении наружного цилиндра, не только не позволяют точно измерить вязкость, но и вызывают выброс исследуемой нйзковязкой жидч кости из рабочего зазора.. в ротационном вискозиметре предусмотрена съемная ось 8, соединяющая внутре1ший и наружный рабочие цилиндры. Возникающее: при этом сопротивление взаимному движешю цилнн)а(ров в мес тах соединения эквивалентно дополнительному сопр тавлению.,в рабочем зазоре (2 мм), производимому жидкостью, имеющей вязкость 0,1 П. Для систем, собственная вязкость которых превышает указаниую norpeuHiocTb на несколько порядков, точность и надежность измерения существенно возрастают. Внутрешшй цилиндр 1 помещен внутри кольцевой емкости 9 так, что между стенкой внутреннего цилиндра по обе стороны от нее и стенками 10 кольцевой емкости 9 образованы- два рабочих зазора. На внутре шем цилиндре жестко укреплена шкала 11, служащая для отсчета сдвига внутреннего цилиндр При анализе возможностей увеличения диапазона измеряемых вязкостей бьшо обращено внимание, на необходимость максимальной подвижности внутреннего цилиндра 1, так как только в этом случае внутрешдай цилиндр может быть при веден в движение теми малыми сопротивлениями, которые возникают в рабочем зазоре от низковязкого воздушного или жидкостного потока. Подвиж ность внутреннего цилиндра можнохарактеризоват его угловым ускорением со , которое представляет собой отношение крутящего момента М, закручиваю щего динамометр, и момента инерции внутреннего налиндра О OU(s/3, рутящий момент также, как и момент инерции внутеннего.цилиндра, завиотт от его радиуса (не считая оединительных деталей) MBPST С2) 2 SijpT,, (3) , где Р - напряжение сдвига, равное произведеию вязкости) ( и градиента скорости 6 ,Р П 6; S - рабочая поверхность внутреннего цииндра CS« 2 21Е-Rli); h - высота рабочей стенки;внутреннего илиндра; b - толщина стенки} Р плотность конструкционного материала. Из выражений (2) и (3) видно, что отношение 1футящего момента .к моменту инерции внутреннего цилиндра, характеризующее подвижностьвнутреннего цилиндра, равно jW 2пё J 3 Ър Т и, следовательно, подвижность внутреннего цилиндра тем больше, чем меньше радиус R. Предел уменьшения радиуса цилиндра определяется конструкционными возможностями (толщина стенок и др.), удобством работы (заполнение и очистка рабочего зазора)-, а также оптимальным соотношением радиуса и рабочего зазора. При малых величинах зазора (менее 2 мм) его размеры будут существенно нарушаться возможными отклонениями от соосности цилиндров. Отношение радиуса R к зазору S следует выбирать по возможности большим для обеспечения однородности сдвига. Принимая 0,1 - на уровне погрешности находимых значений исследуемых величин при реологических измерениях и деформациошсых испытаниях, получаем, что Оставляя в выражений крутящего момента часть, зависящую от внутреннего Цшшвдра, а именно от поверхности и радиуса, видим, что М ST S ., т.е. отношение крутящего момента к моменту инерции внутреннего цилиндра прсторционально отношению поверхности внутреннего цилиндра к его моменту инерции JА. Т Ър-тг принимая толщину стенки в пределах 1-0,5 мм и плотность Р 8-4 г/см (сталь, дюраль), получаел тго отиошение 0,6-2,5 г Следует отметить, что у вискозиметра, принятого за прототип, то же соотношение имеет величину около 0,01 , т.е. значительно меньше, чем у данного ротационного вискозиметра.

Ротаинонный вискозиметр работает следующим образом. Для загрузки исследуемой жидкости в прбор иаружнмй щшиидр вместе с центрирующим стаканом снимахпг с ведущего вала. Дииамометр 3 при этом поднимают вверх. После установки рабочи цилиндров в рабочее положение и определения нулевого положеиия шкалы прибора проводят один из двух опытов:

Определение угла закручивания динамометра под влшшием потока жядкосга в колы;евом зазЬ ре при некоторой постоянной скорости вращения наружного цилиндра;

наблюдение вращения внутреннего цилиндра в высоковязкой системе под влиянием напряжения, переданного внутреннему цилиндру от динамометpa, закрученного на некоторый определе}1,ный угол, к последующее наблюдение обратного вращения после снятия нагрузки под влишшем эластческнх сил,.развившихся в системе от первоначалы{ого движения. .

В первом опыте определяется вязкость как функщш градиента скорости при повторении onHta 1ФИ разных скоростях, во втором - определяется вязкость, модуль эластичности, кинетика упругого последействия жидкой системы, а также ее предел текучести.

Положительный эффект от внедрения ротационного вискозиметра состоит в том, что увеличен диапазон исследуемых вязкостей и повышена точность измерения вязкости - от сотых долей сантнпуазы до нескольких миллионов пуаз, обеспечена

возможность измерения различных реологических характфристик.

Формула взобретения

Ротационный вискожметр колоколообразного типа, содержащий, внутренний иилищ), коаксиально расположенный между двойными стенками наружного цилиндра, срязашюго с валом привода, измерите1Ш у1о систему, отличающийся тем, что, с целью рясцщрення диапазона измеряемых вязкостей R повышения точиости их измерения, внутренний цнлющр соединен с данамометром изме рительной системы с помощью выступов, выполиениых в его верхней части и частично затопляемых в нсследуемой жидкостн, а нфужный цилинда соединен с валом привода (ггвом центрирующего стакана с регулировочными винтакш, причем оба ця :линдра выполишы с возможностью их соедииения щж помощи съемной оси.

Источншсв информации, принятые во внимание щ)и экспертизе:

З.Белкин И. М. и др. Ротационные приборы, М., Машиностроеше, 1968, с. 198.

/;