информационный портал
 основан в 2009 г.

все о контрольно-измерительных
приборах и их производителях
На сайте представлено:

КАТАЛОГ средства измерений, испытательное и лабораторное оборудование

Вискозиметры



Вискозиметры

Как измерить вязкость масла, коллоидного раствора, краски или консистентной смазки – вискозиметры придут на помощь

Вискозиметры, как следует из названия (вискозус – вязкость на латыни) – это приборы для измерения внутреннего трения жидкостей и газов: так называется свойство текучих тел сопротивляться порционному делению. Иначе говоря, перемещению их частей относительно друг друга. Хотя, строго говоря, вязкость имеют и твердые тела, но она достаточно специфична и малозаметна. А вот взаимное притяжение молекул в жидкостях – очень даже очевидно.
Существует два типа вязкости: динамическая (абсолютная) и кинематическая. Динамическая вязкость оценивается в паскаль-секундах или в Пуазах (1 П - это когда жидкость сопротивляется с силой в 1 дину перемешиванию двух ее слоев площадью 1 см² со скоростью 1 см/с). Проще говоря, этот тип вязкости характеризует текучесть жидкости в реальных условиях. Кинематическая вязкость - это отношение динамической вязкости к плотности среды: она оценивается в Стоксах, см²/с или градусах Энглера (градус ВУ) – это внесистемная единица условной вязкости, применяемая в нефтехимии. Кинематическая вязкость позволяет судить о текучести жидкости в различных условиях, то есть при различных температурах и давлении.
Немного о наиболее распространенных методах измерения вязкости.
Первый - на основе уравнения Пуазейля, связывающего скорость, с которой жидкость вытекает через капилляр, со временем, за которое это происходит.
Иной подход к определению внутреннего трения иллюстрирует вискозиметр, созданный на базе закона Стокса: формула связывает коэффициент вязкости жидкости со скоростью поступательного движения шарика в ней. Пример - широко используемый вискозиметр Гепплера.
Третий метод был предложен Ньютоном и доработан Тейлором. Ньютон сдвигал пластины с жидкостью между ними, по геометрическим размерам пластин, силе и скорости сдвига вычисляя внутреннее трение жидкости. А Тейлор определял вязкость прослойки по крутящему моменту или скорости вращения одного цилиндра в другом (вот и называют иногда такие вискозиметры тейлоровскими).
Ну и четвертый способ - ультразвуковой: вязкость определяется по скорости затухания упругих колебаний в зонде-пластине, помещенной в исследуемую среду. Примеры применения таких вискозиметров - определение вязкости агрессивных сред и расплавов, непрерывный контроль внутреннего трения во время технологических процессов.

Различные типы вискозиметров – от Ньютона до ультрасовременных технологий

Различают следующие типы вискозиметров. Классический способ оценки вязкости – определение времени, за которое жидкость определенного объема под действием разницы давлений (ну или только силы тяжести) вытечет через калиброванное отверстие. По такому принципу работают капиллярные вискозиметры. В основном, этот вид вискозиметров связывает вязкость жидкости с ее расходом: то есть за сколько времени при постоянном давлении объем жидкости перетечет из резервуара через капилляр в приемник. Но иногда, скажем для исследования механических свойств упруго-вязких веществ, используются другой тип - постоянного расхода с переменным давлением: например, при исследовании текучести консистентных смазок.
Ротационные вискозиметры: аналоговые и цифровые, в том числе программируемые. В одних из них вязкость среды оценивается за счет определения скорости вращения двух соосных цилиндров (вращается либо внутренний, либо внешний), в других – по крутящему моменту на шпинделе прибора, опущенного в исследуемую среду: есть масса модификаций и аксессуаров к этим вискозиметрам.
Известны также другие виды вискозиметров. Например, с падающим шариком - этими устройствами часто замеряют вязкость и в емкостях или в вертикальных трубопроводах. Основное направление совершенствования данных приборов – применение наиболее современных способов фиксации времени падения шарика.
В вискозиметрах пузырькового типа внутреннее трение оценивается по параметрам движения пузырька газа, свободно плавающего в исследуемой среде.
В приборах с вибрирующим зондом (ультразвуковых вискозиметрах) – по изменению резонансной частоты колебаний в зависимости от вязкости среды. Как вариант – по камертонной вибрации и затуханию периодических колебаний магнитострикционной пластины (изменяющей свою геометрию при намагничивании).

Определение вязкости вискозиметром – выбор нужного прибора и сама методика зависят от вида исследуемой среды

Разнообразие методов и конструкций приборов для определения вязкости обусловлено значительным разбросом значений этого свойства текучих тел: разница достигает 1017П. Кроме того, отличаются и условия, при которых производится определение вязкости вискозиметром – и температура колеблется от -50 до 20000С, и давление может быть очень разным.
Вискозиметры с тонкой трубкой, по которой истекает жидкость, в основной своей массе являются лабораторными. Однако те из них, что служат «полевыми» устройствами измерения вязкости, также имеют малую погрешность: ± 2 %.
Другой тип вискозиметров – вращающиеся – характеризуются широким диапазоном измерений: от 0,6 до 3 000 000 мПа*с. Это делает данные приборы не только универсальным средством измерения вязкости, но и удобным инструментом для изучения деформаций и текучести веществ (реология). Правда, погрешность у них вдвое больше…
Неоспоримое достоинство ультразвуковых вискозиметров - они гораздо более чувствительны, и с их помощью можно достаточно точно измерять вязкость агрессивных и высокотемпературных жидкостей. Причем проделывать это получается и в вакууме, и в инертной атмосфере, независимо от массы исследуемой среды.
Вискозиметры с падающим шариком применяются в фармацевтической, пищевой и нефтехимической промышленности – для точной оценки внутреннего трения прозрачных жидкостей и газов низкой вязкости. Погрешность измерений: 1…3 %. Ну и так далее. Следовательно, определение вязкости вискозиметром – вопрос выбора нужного прибора: что собираетесь исследовать, и какая нужна точность измерений.

Устройство вискозиметра и методы определения вязкости автомобильных масел

Для тестирования автомобильных масел применяются два типа вискозиметров: те, что созданы на базе уравнения Пуазейля (в них жидкость вытекает через капилляр под заданным давлением за определенное время), и другие, определяющие величину внутреннего трения жидкости по характеристикам вращения – крутящему моменту или скорости ротации. Корректное использование данных приборов предполагает понимание принципов их работы, поэтому инструкция к вискозиметру всегда содержит необходимую краткую и доступную информацию.
Теперь о методиках определения вязкости автомобильных масел.
ASTM D 4624 и D 5481 – фиксированное количество жидкости выдавливается через капилляр давлением газа при высокой температуре и скорости сдвига. Этот метод применяется для имитации условий работы моторных масел в коренных подшипников. Определенная таким образом вязкость именуется HTHS.
ASTM D 445 – жидкость вытекает через капилляр под действием силы тяжести с минимальной скоростью сдвига: этот метод используется для определения кинематической вязкости автомобильных масел.
Для выполнения требований методики ASTM D 445, устройство вискозиметра иногда должно отличаться от стандартного - речь идет о вискозиметрах обратного тока для непрозрачных жидкостей: вязкость в них определяется не по времени истечения масла через капилляр, а по времени заполнения приемного сосуда.
Вискозиметр, принцип действия которого основан на оценке крутящего момента – это: имитаторы холодной прокрутки и конического подшипника, миниротационный висозиметр и вискозиметр Брукфильда (вязкость определяется путем пересчета крутящего момента, который нужен для того, чтобы шпиндель прибора не замедлял вращения при погружении в масло). С помощью данных вискозиметров определяют вязкость гидравлических, трансмиссионных и моторных масел при различных условиях работы.

Надежный и простой принцип работы вискозиметра: сравнение. Наглядные примеры

Наиболее доступный и образный способ оценки – сравнительный анализ. Так вот: принцип работы вискозиметра Энглера – прибора для измерения условной (относительной) вязкости жидкости (чаще всего – нефтепродуктов) – на этом и основан. Если изъясняться умными словами, условная вязкость – это отношение динамических вязкостей раствора и чистого растворителя. Впрочем, можно и проще: для определения градуса Энглера, сравнивается время истечения равных объемов (200 см³) испытуемой среды при определенной температуре, со временем истечения дистиллята при +20 ºC. Это отношение называется градусом ВУ, и используется для эмпирического расчетного определения кинематической вязкости исследуемой жидкости в стоксах.
Другой пример сравнительного анализа - принцип действия вискозиметра вибрационного. Здесь также сличается характер вынужденных колебаний (вибраций) тел-зондов в испытуемой среде и вне ее.
Вообще, если говорить о влиянии вязкости на различные аспекты нашей жизни, на ум приходит объемная (вторая) вязкость. Вторая, потому что в отличие от первой, характеризует деформацию не чистого сдвига, а объемного сжатия. Говоря проще – это то, из-за чего затухает звук и ударная волна. Так вот, можно померить и эту вязкость. Правда, не напрямую, а рассчитать по косвенным параметрам. И опять-таки – сравнивая различные результаты.
Ну а вязкость человеческой крови? То есть ее густота. Каких только проблем не возникает из-за ее отклонений от нормы! Инсульт, варикоз, гипертония, атеросклероз, тромбофлебит и так далее… А изменится вязкость крови может и от инфекционных заболеваний, и от тяжелой физической работы. А знаете, чем измеряют вязкость крови? Не поверите! До сих пор не существует единого мнения о преимуществе того или иного метода. Так что мерят всем: и шариком, и капилляром, и крутящим моментом…

Своевременная поверка вискозиметра – залог точности измерений

В нефтегазовой отрасли применяются поточные вискозиметры, позволяющие измерять вязкость нефтепродуктов непрерывно. Поверка вискозиметра становится здесь весьма актуальной задачей. Данная операция заключается в одновременном измерении вязкости поверочной жидкости двумя вискозиметрами: поверяемым и образцовым (эталонным - погрешность не более 0,33 %). Поверку проводят на специальном стенде, обеспечивающем циркуляцию поверочной жидкости через оба вискозиметра, а вязкость поверочной жидкости должна соответствовать нужному диапазону измерений - это 25, 50, 75 и 95 % максимально измеряемой прибором вязкости. Затем сравнивают результаты и определяют погрешность поверяемого вискозиметра.
Методика поверки вискозиметров основанных на измерении крутящего момента или скорости вращения: внешний осмотр (отсутствие повреждений), пробное включение, определение константных величин – подвеса и самого вискозиметра (выполняется обмером и калиброванием эталонными жидкостями), и определение фактических метрологических характеристик. Далее – сравнение с показаниями образцового вискозиметра. При поверке используются вспомогательные приборы (образцовый вискозиметр истечения, денсиметр и др.) и средства для определения плотности, кинематической вязкости, температуры и массы испытуемой жидкости.
Поверка вискозиметров для определения условной вязкости (ВУ) состоит из двух этапов: внешний осмотр (комплектность и отсутствие повреждений) и определение константы (время истечения 200 см³ дистиллированной воды). Данную операцию производят дважды: в каждой серии – по четыре аналогичных замера. За результат принимают среднеарифметическую величину константы по восьми измерениям.

Купить вискозиметр – что для этого нужно. Кроме денег.

Чтобы купить вискозиметр нужно определиться с областью его применения - в самом понятии вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей есть принципиальная разница: для аномальных жидкостей измеряемая вязкость называется эффективной, или кажущейся. Поэтому измерения нужно проводить при различных скоростях деформации. Ньютоновскими называют жидкости, вязкость которых является постоянной величиной, не зависящей от скорости течения. Она зависит только от температуры и давления. Ну а прочие жидкости – неньютоновские (аномальные): их вязкость изменяется в зависимости от скорости или напряжения течения (сдвига). К ним относятся растворы полимеров, резиновый цемент и прочие очень вязкие жидкости (краска для потолка, притирочная паста и др.). И большинство современных моторных масел, сдобренных модификаторами вязкости – высокомолекулярными полимерами. Кстати, зыбучий песок также относится к неньютоновским жидкостям. И кетчуп в бутылке: пока не встряхнешь – не польется.
Теперь понятно, почему для тестирования автомобильных масел применяются различные приборы и методики, и почему правильнее говорить куплю вискозиметр определенного типа. Вискозиметр Брукфильда определяет динамическую вязкость при низкой скорости сдвига: низкотемпературная вязкость гидравлических и трансмиссионных масел, прокачиваемость масел при низких температурах. Имитатор холодной прокрутки CCS позволяет оценить вязкость при запуске двигателя в сильный мороз, имитатор конического подшипника TBS - при высоких температурах и большой скорости сдвига (HTHS). Ну а миниротационный вискозиметр MRV дает возможность оценить прокачиваемость нагретого масла.
Сообщить об ошибкеСообщить об ошибке