Дисперсные системы и промывочные жидкости - Измерение вязкости вриборами

Измерение вязкости вриборами

 

Как правило, измерения производят при равновесных со­стояниях дисперсных систем, для чего вращают цилиндр до получения не зависящего от времени крутящего момента. Час­тоту вращения цилиндра изменяют от большей величины к мень­шей В практике исследовательских работ применяют вискози­метры ВСН-2М и ВСН-3.

Прибор ВСН-3 (рис. 15) состоит из закрытого корпуса1, измерительной системы привода и стакана 4 для испытуемой жидкости. В корпусе 1 прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, гильзу 6, шкалу 7, пружину 9, крутильную головку 10. Испытуе­мая среда заливается в стакан 4, который опирается на телеско­пический столик 3. Гильза 6 приводится во вращение от двига­теля 15 через редуктор 2, вал 11 и систему шестерен. Для изме­рения статического напряжения сдвига прибор снабжен электро­двигателем 13, который при соответствующем положении пере­ключателя 14 редуктора вращает через шестерню 12 наружный цилиндр с частотой 0,2 об/мин. Конструкция прибора обеспе­чивает предварительное разрушение структуры промывочной жидкости путем вращения цилиндра 6 с большой частотой.

Принцип действия ВСН-3 основан на измерении момента сил трения, возникающего в кольцевом зазоре при вращении гиль­зы 6 и закручивающего подвесной цилиндр 5 на угол, пропор­циональный возникающему моменту. Пружина 9 создает реак­тивный момент, препятствующий вращению подвесного цилинд­ра. Угол измеряется по отклонению «нуля» шкалы 7 от риски на смотровом окне 8. Привод вискозиметра обеспечивает четы­ре частоты вращения (200, 300, 400, 600 об/мин) наружного ци­линдра при определении динамического напряжения сдвига и структурной вязкости и одну (0,2 об/мин) при определении ста­тического напряжения сдвига. 

При измерении структурной вязкости и динамического на­пряжения сдвига испытуемую жидкость перемешивают при час­тоте вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а за­тем снимают устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин (за устойчивые показа­ния углов закручивания принимаются углы, величины которых при вращении гильзы в течение 3 мин не меняются). Структурная вязкость вычисляется по формуле

 

clip_image077

За величины структурной вязкости и динамического напря­жения сдвига принимают средние значения трех измерений.

Статическое напряжение сдвига на приборе ВСН-3 опреде­ляют следующим образом. Испытуемую жидкость перемешива­ют в течение 1 мин при частоте вращения гильзы 600 об/мин. Жидкость оставляют в покое на 1 или 10 мин, переводят пере­ключатель в положение «0,2», после чего производят измерение. Показание шкалы снимают в момент максимальных значений, предшествующих разрушению структуры. Статическое напряже­ние сдвига вычисляется по формуле

θ = kφ,                                                                                                                (III.10)

где k— величина статического напряжения сдвига, соответст­вующая углу закручивания пружины на 1° (приводится в пас­порте); φ — угол поворота измерительного элемента.

Измерения можно проводить при термостатировании контро­лируемой жидкости, для чего предусмотрено соединение стака­на 4 с термостатом резиновым шлангом.

Сущность измерения вязкости промывочных жидкостей ка­пиллярным вискозиметром заключается в том, что через калиб­рованную трубку диаметром dи длинойlпод заданным давле­нием пропускается испытуемый раствор. Время истечения tзаданного объема находят по секундомеру, поcле чего определя­ют расход жидкости q. Такие замеры проводят при различных давлениях, и результаты наносят на график q=f{p). Зависи­мость qр с некоторыми допущениями принимается линейной.

clip_image078


Теоретически эта зависимость выражается формулой

clip_image080

clip_image082

 

Структурную вязкость получают по любым двум точкам по­лученной прямой, дающим две пары значений qxp1 и q2р2. Составляют два уравнения (III.11), из которых при совместном решении исключается р0 и находится η.

clip_image084

 

Динамическое напряжение сдвига вычисляется из выраже­ния:

 

clip_image086

 

Приведенные расчетные формулы приближенны, так как не учитывают ряд искажающих факторов (конечную длину капил­ляра, эффект скольжения, концевой эффект и др.).

Схема капиллярного (трубного) вискозиметра показана на рис. 16. Вискозиметр состоит из сменной вискозиметрической трубки 1, мешалок 2, двух цилиндров 5 с поршнями 4, устройства для замера объемной скорости потока 6, регулятора давле­
ния 7, автоматического переключателя 8.

clip_image088

 

Рис.   16.  Схема капиллярного виско­зиметра ВНИИНГП

  

clip_image090

Рис.   17.  Зависимость структурной в условной    вязкостей     от    плотности глинистого раствора

Перепад давленияв трубке измеряется с помощью образцовых манометров 9. Рабо­
чие цилиндры и вискозиметрическая трубка заключены в ко-
жу
х 3, что позволяет термостатировать систему при атмосферном давлении.     

Переключатель 8 обеспечивает распределение воздуха при заданном давлении поочередно в рабочие цилиндры с переме­щающимися поршнями, благодаря чему создается движение жидкости в капиллярной трубке с периодическим изменением постоянной скорости по направлению. Это позволяет многократно  повторять измерения  на  ограниченном  объеме испытуемой жидкости.

Таким образом, определение ηи τ0 довольно трудоемко и сложно, но крайне необходимо. Без этих параметров невозмож­но выполнить гидравлические расчеты.

Сложность непосредственного измерения структурной вяз­кости привела к появлению попыток установления конкретной связи ее с условной вязкостью. На рис. 17 приведены зависимо­сти структурной и условной вязкости от плотности раствора, приготовленного из кыновских глин. По таким сводным графи­кам зная условную вязкость, можно сразу же оценить и струк­турную вязкость. Однако этот метод определения структурной вязкости требует большого объема предварительных исследова­ний, правомерен для отдельных разновидностей глин лишь в оп­ределенных пределах.