Принцип действия капиллярного вискозиметра

• Содержание:
• Одним из основных свойств жидкостей и газов является вязкость.
• Показатель отражает структуру и физико-химическое состояние текучих веществ.
• Для контроля и определения параметров вязкости используются специальные анализаторы — вискозиметры.

Что представляют собой вискозиметры

1. Производится большое количество приборов для анализа вязкости, каждый из которых разработан для определенных веществ и условий измерений.

2. К наиболее популярным вискозиметрам относятся капиллярные и ротационные устройства:
3. Капиллярный прибор состоит из следующих основных частей:

• емкости для измерения количества протекающей через капилляр жидкости;
• полой U — образной трубки;
• калиброванного капилляра, диаметром от 0,3 до 0,7 мм;
• блока для определения скорости течения жидкости.

• Показатель вязкости определяется по времени истеченияисследуемого вещества через капилляр заданного диаметра.
• Конструкция капиллярных вискозиметров.
• Основным преимуществом капиллярных измерителей вязкости является возможность моделирования реальных технологических процессов.
• Основные узлы ротационных устройств:

• цилиндрический резервуар, заполняемый исследуемым веществом;
• внутреннийцилиндр, соосно помещаемый в полый резервуар;
• электродвигатель, придающий движение ротору;
• электронный блок управления с датчиками.

Один из цилиндров вращается (ротор), а другой (статор) находится в неподвижном состоянии.

Несмотря на широкий ассортимент выпускаемых вискозиметров, их разработки продолжаются, с целью повышения точности и расширения пределов измерений, обеспечения автоматического управления непрерывной работы.

Где используются вискозиметр

Вискозиметры используются для контроля вязкости различных веществ, участвующих в технологических процессах во многих отраслях:

• в медицине приборы используются для измерения вязкости крови человека;
• в фармакологии и косметологии — определение состояния лекарственных препаратов, кремов, мазей и сиропов;
• в пищевой промышленности — анализ напитков, молочных продуктов, меда;
• в химическом производстве — определение вязкости жидких и текучих материалов;
• в строительстве — изготовление лакокрасочных материалов, шпаклевок, клеев, паст.

Постоянно приходится прибегать к регулярному анализу вязкости нефти и продуктов ее переработки в нефтяной отрасли.

Анализаторы вязкости необходимы практически везде, где ведется работа с жидкими текучими материалами, состояние которых должно соответствовать определенным нормам.

Виды вязкости. Как определить

Вязкость — это способность веществ сопротивляться собственному течению за счет сил молекулярного взаимодействия.

Различают два вида вязкости:

Динамическая вязкость.	Это показатель густоты в реальных условиях, при температуре окружающей среды и анализируемого вещества 18-22 °С. Показатель повышается с увеличением давления и снижается при повышении температуры жидкости. Измерения выполняются по системе СИ (Международная система единиц) в Па·с (паскаль-секунда).
Кинематическая вязкость.	Измерение проводится при определенном давлении и температуре. Показатель кинематической вязкости соответствует отношению коэффициента динамической вязкости к плотности жидкостей или газов и измеряется в Стоксах (Ст), или метрах квадратных в секунду (м2/с).

Вязкость может измеряться как за счет гидростатического давления, так и и с помощью искусственно создаваемого внешнего давления.

Таблица 1. Вязкость жидкостей при температуре 20°С.

В-во	Динамическая вязкость 10­-3  кг/(м·с)	Кинематическая вязкость10­-6кг/(м2·с-1)
Вода	1,34	1,22
Глицерин	1400	1170
Масло трансформаторное	31,6	36,49
Масло оливковое	84	92
Ртуть	1,59	0,114
Спирт этиловый	1,23	1,52
Ацетон	0,337	0,42

Типы вискозиметров

1. По области применения приборы подразделяются на лабораторные, промышленные, медицинские.
2. По температуре исследуемых веществ различают высокотемпературные устройства, работающие при температуре от -60°С, до +2000°С, и приборы изготовленные из нетермостойких материалов.
3. По принципу действия приборы бывают:

1.  Ротационные

Представляют собой устройство, состоящее из двух соосных цилиндров, конусов или сфер правильной геометрической формы, выполненных из термостойких материалов. Наружный цилиндр заполняется исследуемой жидкостью. Один из цилиндров вращается, выполняя функцию ротора.

Принцип действия ротационного вискозиметра заключается в определении меры вязкости на основании измерения угловой скорости вращения ротора, создающего на неподвижном цилиндре определенный момент силы.

Приборы используются для анализа вязкости различных сред при температуре от минус 60°С (масла и нефтепродукты), до плюс 2000°С (расплавленный металл).

Преимущества: возможность непрерывного контроля за состоянием жидких или газообразных соединений. Широкий диапазон измерений, от 0,6 мПа, до 3 000 000 мПа.

Недостатки: низкая, чувствительность, узкий диапазон измерений. Погрешность прибора может достигать 4%.

Ротационный измеритель вязкости.

2.  Капиллярные или Отсвальда

• Устройства состоят из одного или нескольких резервуаров заданного объема с отходящими круглыми трубками (капиллярами) малого сечения.
• Суть метода заключается в определении количества исследуемого вещества, проходящего через капилляры определенной длины и сечения под влиянием перепадов давлений.
• Показатели вязкости определяются по расчетам, выполняемым на основании закона Пуазейля.
• Капиллярные вискозиметры широко используются для определения вязкости различных расплавов, автомобильных масел и прочих нефтепродуктов.
• Преимущества: высокая чувствительность и простота конструкции.
• Недостатки: невозможность непрерывных измерений, хрупкость прибора.

Рисунок 4. Капиллярный анализатор вязкости.

3. Вибрационные

Метод основан на определении измерений резонансной частоты колебаний зонда вискозиметра, погруженного в резервуар. Вязкость определяется по силе колебаний, измеренных с помощью градуировочной кривой вискозиметра.

Преимущества: высокая точность измерений, возможность проведения измерений в ходе химических реакций. Способность переносить сильный нагрев или охлаждение.

Недостатки: большая стоимость и сложность конструкции.

Вискозиметр вибрационный.

4. Ультразвуковые

Компактные приборы состоят из зонда или датчика, соединенного кабелем с электронным блоком.

Принцип действия ультразвуковых вискозиметров основан на измерении затухания амплитуды магнитострикционного зонда (стержня или пластины), вызываемого демпфирующим действием контролируемой жидкой среды.

Преимущества: высокая точность измерений. Подходят для работы с любыми агрессивными средами. Могут производить измерения в инертной атмосфере или вакууме.

Недостатки: не подходит для измерения высокотемпературных веществ.

Ультразвуковой измеритель вязкости.

Ультразвуковые вискозиметры являются самыми точными измерительными приборами.

5.  Вискозиметр Гепплера с падающим шариком

1. Представляет собой стеклянную трубку, наполняемую исследуемым веществом.
2. Действие вискозиметра основано на Законе Стокса.
3. Показатель вязкости определяется на основании измерения времени, необходимого для падения шарика под собственным весом через трубку.

4. Прибор удобен для исследования прозрачных низковязких веществ в пищевой, фармацевтической и нефтехимической отраслях.
5. Преимущества: доступная цена и простая конструкция.
6. Недостатки: сложность исследования непрозрачных сред и невозможность постоянного мониторинга.

Прибор Гепплера с падающим шариком.

6.  Пузырьковый вискозиметр

Принцип действия устройства заключается в изменении параметров пузырьков газа, и время свободного всплытия. Приборы широко используются в химических и промышленных лабораториях для измерения вязкости различных полимеров, красок, лаков.

Достоинства: возможность исследования очень вязких соединений и высокая точность измерений.

Недостатки: сложность конструкции и высокая стоимость.

Пузырьковый вискозиметр.

7.  Чашечный вискозиметр

Приборы, использующие капиллярный метод измерения вязкости, выполненные в виде чашки или воронки. Принцип метода заключается в измерении времени, в течение которого исследуемое вещество вытекает через узкое отверстие воронки. Чем оно гуще, тем медленнее скорость вытекания.

• Нередко такие приборы входят в комплектацию краскопультов, имеющих строгое ограничение вязкости красок, которые можно использовать.
• Достоинства: простая конструкция, доступная цена.
• Недостатки: невозможность непрерывных измерений.

Прибор чашечный.

8.  Вискозиметр Суттарда

1. Устройство представляет собой конструкцию из медного или латунного цилиндра, внутренним диаметром  50 мм, помещенного на квадратное основание из стекла, металла или пластика с нанесенной на поверхность шкалой.
2. Принцип действия прибора основан на измерении диаметра растекания вязкого вещества, залитого в цилиндр.

3. Вискозиметр Стутторда используют в основном для измерения вязкости строительных растворов (гипсового теста, штукатурки, шпаклевки, клея).
4. Преимущества: простота конструкции и возможность изготовления собственными силами.
5. Недостатки: низкая точность измерений.

Измеритель вязкости Стуттарда.

9.  Вискозиметр Брукфильда

Показатели вязкости определяются на основании крутящегося момента, необходимого для вращения шпинделя устройства, погруженного в исследуемое вещество.

Самый популярный прибор для контроля вязкости. Метод включен во многие международные стандарты и спецификации.

Достоинства: универсальность применения и точность измерений.

Недостатки: возможность износа вращающихся деталей.

Прибор Брукфильда.

При выборе типа вискозиметра следует учитывать:

• капиллярные приборы наиболее популярные, благодаря высокой чувствительности, точности измерений и доступной стоимости;
• ультразвуковые устройства — самые точные;
• шариковые — идеально подходят для работы в высокотемпературных средах;
• ротационные — имеют самый широкий диапазон измерений, но и самую высокую погрешность.

Вискозиметры выпускают как для мониторинга вязкости в производственных условиях, так и для лабораторных исследований.

Калибровка вискозиметра

• Анализаторы вязкости, давно находящиеся в работе, необходимо периодически подвергать поверке или калибровке.
• Калибровка вискозиметров осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ и основана на определении времени протекания через прибор эталонной жидкости.
• При выполнении поверки следует выполнять температурную корректировку согласно коэффициенту, указанному в сертификате, прилагаемом производителем эталонного раствора.

При калибровке приборов могут использоваться как калибровочные масла, так и эталонные жидкости, кинематические показатели вязкости которых при различных температурах известны.

ГОСТы

Приборы внесены в Государственный Реестр измерительных приборов на основании общих требований и методов испытаний, регламентируемых Государственными стандартами и руководящими документами:

• ГОСТ 29226-91 «Вискозиметры жидкостей» — основной документ;
• ГОСТ 10028-81— стандарт распространяется на вискозиметры капиллярные из стекла;
• ГОСТ 25271-93 — определяет условия для вискозиметров Брукфильда;
• ГОСТ 6258-85 — стандарт регламентирует определение вязкости нефтепродуктов;
• ГОСТ 33-2000 — методы определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости нефтепродуктов;
• РД 50-416-83 — методические указания, регламентирующие порядок выполнения поверки стеклянных капиллярныхвискозиметров.

Вся перечисленные выше стандарты являются действующими.

Применение

Приборы применяются для определения вязкости различных жидких и газообразных веществ:

• человеческой крови;
• горюче-смазочных материалов;
• нефтепродуктов;
• расплавленного металла;
• красок, лаков, смол;
• жидких полимеров;
• строительных смесей;
• мазей и кремов;
• расплавленного шоколада;
• молочных и других пищевых продуктов.

Производятся приборы универсального применения и узкоспециализированные устройства, предназначенные для определенного вида соединений.

Измерение вязкости дидкости.

Уход за прибором

Уход за прибором заключается в очистке емкости от остатков жидкости и промывка с помощью растворителя, воды или специальных моющих средств. Вискозиметры необходимо мыть и высушивать после каждого испытания.

Регулярное техническое обслуживание устройства включает:

• чистку измерительных элементов и резервуаров;
• внешний осмотр на наличие механических повреждений;
• проверку нагревателей, датчиков, приводов и элементов управления.

Чтобы не допустить погрешности прибора, вискозиметры нуждаются в ежегодной калибровке с помощью жидкостей эталонной вязкости.

Поверка приборов в первую очередь необходима для цифровых автоматических моделей и устройств, применяемых в системе государственного регулирования обеспечения единства измерений (ГРОЕИ).

Производители

Крупнейшие отечественные и зарубежные производители вискозиметров:

Dong Guan Hong TuoInstruments Co., Ltd	Китайская производственная компания, специализируется на производстве лабораторного оборудования, в том числе вискозиметров марки KREBS-STORMER с цифровым дисплеем.
Shantou Jielian Tech Co., Ltd	Китайский производитель ротационных цифровых вискозиметров с
NANBEI INTERNATIONAL GROUP LIMITED	Научно-исследовательская, опытно-конструкторская производственная китайская компания, выпускающая лабораторное оборудование, в том числе роторные вискозиметры марки NDJ.
AND	Одна из лидирующих компаний по производству лабораторного оборудования и измерительных приборов из Японии. Имеет дочерние предприятия в России, США, Китае и многих других странах мира. Выпускает вибрационные вискозиметры серии SV и SV-A с вращающимся шпинделем.
ООО ЛАБТЕХ	Российская производственная компания, производитель капиллярных вискозиметров серии ВПЖ.
FannInstrument Company	Ведущий поставщик вискозиметров для испытания буровых растворов выпускает серию полнофункциональных цилиндрических коаксиальных ротационных вискозиметров марки FANN.
ОАО «НПП Бурсервис»	Российский производитель и поставщик вискозиметров, предназначенных для измерения вязкости буровых растворов.

Принцип работы вискозиметров

Вискозиметр – специфическое устройство для контроля жидкостей, конкретнее,  служит для измерения уровня вязкости различных жидкостей. Название происходит от латинского viscosus – вязкий.  

Определение вязкости вискозиметром используют в различных отраслях науки и производства: 

• фармакологии (производство лекарственных препаратов в виде густых субстанций);
• медицине (измерение вязкости крови);
• исследованиях пищевых продуктов (мед, молоко, соки);
• нефтяном и топливном производстве (машинное масло, бензин, парафин и т.д.);
• лакокрасочной и химической промышленности (краски, лаки, смолы).

Используя вискозиметр, можно измерить два типа вязкостей:

1. динамическую; 
2. кинематическую.

• Динамическая, или абсолютная вязкость – это текучесть жидкости в обычных условиях.
• Кинематическая вязкость – текучесть под влиянием температур и давления.
• В зависимости от используемого метода вискозиметрии, существуюет различные виды вискозиметров.

Виды вискозиметров:

• ротационный;
• капиллярный;
• с движущимся шариком; 
• вибрационный;
• пузырьковый.

Принцип работы вискозиметра: ротационный и капиллярный приборы

Погружные капиллярные вискозиметры предназначены для экспресс-измерения вязкости вещества прямо в рабочих емкостях или аппаратах. Для удобства использования, приборы производятся из легкоочищаемых материалов и оснащаются специальной ручкой.

Чашечные капиллярные вискозиметры имеют конструкцию воронки или чаши и идут в комплекте с регулируемым штативом.

Спросом пользуются ротационные автоматические вискозиметры. Они имеют удобное меню, логичный интерфейс и большой дисплей.

С помощью такого устройства можно проводить исследование различных веществ в широком температурном диапазоне. Автоматические вискозиметры европейского производства являются оптимальным решением для различных типов производств, учитывая высокую степень производительности и минимальную погрешность в работе (±1%).

Автоматическая система обеспечивает максимальную производительность и исключает необходимость самостоятельных вычислений.

Современные приборы европейского производства позволяют без погрешностей производить контроль различных типов покрытий на каждом этапе производства.

Вязкость. Принцип действия капиллярного вискозиметра

Вязкость является важной характеристикой материалов во многих химических производствах (искусственное волокно синтетические смолы, краски, смазочные масла, растворы каучука)

Вязкость –способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря внутреннему трению. Вязкость — мера этого внутреннего трения. Строго говоря, вязкость имеют и твердые тела, но она достаточно специфична и малозаметна.

Существует два типа вязкости: динамическая (абсолютная) и кинематическая.

Динамическая вязкость оценивается в Па*с или в Пуазах (сила в 1 Н, которая способна между двумя параллельными плоскостями, имеющими площадь 1 и находящимися друг от друга на расстоянии 1 м, поддерживать градиент скорости течения жидкости, равный 1 ). Проще говоря, этот тип вязкости характеризует текучесть жидкости в реальных условиях.

На практике часто пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности среды и выражается в , Стоксах или градусах Энглера — 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.

Для некоторых жидкостей (и газов) кинематический коэффициент вязкости составляет: для воды ; для воздуха при атмосферном давлении и температуре 0 ; для ментана при атмосферном давлении и температуре 17 .

Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры и уменьшается с увеличением последней. Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Это объясняется самой природой вязкости в жидкостях и газах.

В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает.

В газах же вязкость обусловлена главным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с температурой. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает.

Вязкость капельных жидкостей зависит также от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления, порядка нескольких сотен атмосфер. С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает, но при давлениях меньше 10 МПа изменением вязкости обычно пренебрегают.

Вязкость газов при обычно встречающихся в технике перепадах давления не зависит от давления. Но если газы подвергаются очень сильному сжатию, их вязкость значительно возрастает.

• Для измерения вязкости применяются приборы –вискозиметры(вискозус – вязкость на латыни), в которых используются следующие методы: капиллярные, падающего тела, крутящегося момента, вибрационные, ультразвуковые, ротационные.
• 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.

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре и заключается в измерении времени протекания определённого количества (объёма) газа или жидкости через капилляры (узкие трубки, имеющие круглое сечение) под действием разницы давлений (или только силы тяжести).

Капиллярные вискозиметры задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала.

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.

Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса (в начальный момент уровень жидкости в одном колене выше, чем в другом).

В таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки.

Время опорожнения измерительного резервуара определяют как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхних и нижних концах резервуара.

Возможно и искусственное нагнетание давления. В капиллярных автоматических вискозиметрах (непрерывного действия) жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости.

Схема автоматического капиллярного вискозиметра. Капиллярный вискозиметр состоит из шестеренчатого насоса 1, приводимого в движение от синхронного двигателя. Насос обеспечивает строго постоянный расход жидкости через напорную трубу 2, оканчивающуюся калибровочным капилляром 3. Напорная трубка соединена с манометром 4.

1. Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:
2. Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,
3. R – радиус капилляра вискозиметра, м
4. L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м
5. η – вязкость жидкости, Па·с,
6. р — разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.

В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд.

Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра.

Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости определённой кинетической энергии.

• Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:
• где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости.

Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость).

Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':

n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.

Капиллярный вискозиметр представляет собою один или несколько резервуаров данного объёма с отходящими трубками малого круглого сечения, или капиллярами.

Принцип действия капиллярного вискозиметра заключается в медленном истечении жидкости из резервуара через капилляр определенного сечения и длины под влиянием разности давлений.

В автоматических капиллярных вискозиметрах жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности.

Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении времени протекания известного количества жидкости при известном перепаде давлений на концах капилляра. Дальнейшие расчёты ведутся на основании закона Пуазейля.

Рис. 1. Капиллярный вискозиметр ВПЖ-1

искозиметр капиллярный стеклянный типа ВПЖ-1 с висячим уровнем (рис. 1) состоит из измерительного резервуара (4), ограниченного двумя кольцевыми отметками M1 и M2; резервуар переходит в капилляр (5) и резервуар (6), который соединен с изогнутой трубкой (3) и трубкой (1).

Трубка (1) имеет резервуар (7) с двумя отметками М3 и М4, указывающими пределы накопления вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара (4) по капилляру (5) стекает в резервуар (6) по стенкам последнего, образуя у нижнего конца капилляра «висячий уровень».

Изменение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.

Перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно промыт и высушен.

Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками М3 и М4. На концы трубок (2) и (3) надевают резиновые трубки, причем, первая из них снабжена краном и резиновой грушей, вторая – краном.

1. Вискозиметр устанавливают вертикально в жидкостный термостат, так, чтобы уровень воды находился на несколько сантиметров выше расширения (8).
2. При температуре измерения выдерживают прибор не менее 15 минут, после чего засасывают (грушей) при закрытой трубке (3) жидкость выше отметки M1 примерно до половины резервуара (8) и перекрывают кран, соединенный с трубкой (2).
3. Если вязкость жидкости менее 500-1000 сантистоксов, открывают кран на трубке (2) и освобождают зажим на трубке (3).
4. При более вязких жидкостях сначала открывают трубку (3), затем трубку (2).
5. Далее измеряют время понижения уровня в трубке (2) от отметки M1 до отметки M2 .
6. Необходимо при этом обращать внимание на то, чтобы к моменту подхода уровня жидкости к отметке M1 в расширении (6) образовался висячий уровень, а в капилляре не было бы пузырьков воздуха.
7. Вязкость вычисляют по формуле (8) по среднему (из нескольких измерений) времени истечения жидкости:
8. (8)
9. где – кинематическая вязкость жидкости в сантистоксах, – время истечения жидкости в секундах, g– ускорение силы тяжести в месте измерения в см/c2.
10. Расчеты по формуле (8) будут достаточно точными, так как диаметр капилляра вискозиметра 0,43 мм.

Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами.

Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточна высока, возникает трудность в подборе материала вискозиметра, который может как изменить форму (изменение диаметра капилляра вискозиметра недопустимо), так и вступить во взаимодействие с вязкой жидкостью, что плохо отразится на точности данных измерения вязкости.

Капиллярные вискозиметры имеют размер капилляра от 0,3 до 0,7 мм, что позволяет измерять вязкость в широком диапазоне. При выборе вискозиметра следует иметь в виду, что время вытекания жидкости должно составлять от 1 до 3 мин. В противном случае точность определения вязкости будет низкой.

Относительная погрешность образцовых капиллярных вискозиметров ±0,1—0,3%, рабочих приборов ±0,5—2,5%.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

Визкозиметр для опреденеия вязкости жидкости: принцип работы, типы и особенности лабораторного вискозиметра

Вискозиметром определяют важное свойство жидкости – её вязкость. Такой показатель при некоторых процессах характеризует качество продуктов. Применение вискозиметра актуально в таких сферах:

• в медицине для определения вязкости человеческой крови;
• в фармакологии для анализа состояния, структуры жидких медикаментозных препаратов – сиропов, суспензий;
• в косметологии для изучения свойств гелей, сывороток, кремов, лосьонов и прочих косметических средств;
• в нефтяной промышленности для контроля качества продуктов переработки – трансмиссионных или моторных масел, бензинового и дизельного топлива;
• в пищевых производствах для проверки качества готовых йогуртов, кисломолочных и молочных продуктов, напитков типа соков, морсов, коктейлей;
• в химической промышленности для выяснения вязкости веществ или соединений, находящихся в текучей, жидкой форме;
• в строительстве при изготовлении герметиков, красок, лаков, шпаклёвок, праймеров;
• в лабораториях, отделах контроля качества, НИИ для исследования структуры жидкостей, гомогенных смесей.

Измерение вязкости вискозиметром необходимо почти при любых процессах, в которых задействованы жидкие, полужидкие, текучие вещества и смеси.

Виды вязкости

Вязкостью называют способность веществ в жидкой форме сопротивляться течению сверху вниз под собственным весом благодаря молекулярному взаимодействию. Есть два вида данной характеристики:

• Динамическая. Это густота в стандартных условиях, без внешнего давления и при температурах окружающей среды от +18 градусов Цельсия до +22. Значение понижается при увеличении температурных показателей и возрастает по мере повышения давления. Измерения проводятся в рамках Международной системы единиц (СИ) в паскаль-секундах (сокращённо Па·c).
• Кинетическая (кинематическая). Это вязкость, которая определяется при изменении внешних условий – под давлением, при увеличении температуры. Единица измерения – либо квадратный метр в секунду (м2/с), либо Стокс (Ст). Кинетическую вязкость проверяют, чтобы понять, как жидкое вещество будет вести себя при различных условиях использования.

Типы вискозиметров

Есть разные типы вискозиметров. По областям использования они делятся на:

• лабораторные, используемые в специализированных лабораториях;
• мобильные, которые подходят для домашних или походных условий;
• медицинские, применяемые для диагностики;
• промышленные, которые используются при различных производствах.

По диапазону температур измеряемых материалов приборы классифицируются на высокотемпературные и низкотемпературные. Первые производятся из термостойких материалов, их можно использовать при температурных значениях от -60 до +2000℃. Вторые работают при обычных условиях.

По анализируемым веществам вискозиметры делятся на специализированные и универсальные. Первыми измеряют вязкость определённых составов, например, только нефтепродуктов. Вторые же подходят для разных жидкостей.

Если изучать вискозиметр, принцип работы прибора может быть разным. И по такому параметру всё измерительное оборудование делится на несколько видов.

Ротационные

Если рассматривать ротационный вискозиметр, принцип работы такого оборудования следующий. В конструкции предусмотрено два имеющих общую ось и вращающихся цилиндра, полусферических резервуара или конуса.

Наружная ёмкость заполняется исследуемой жидкостью. Внутренний шпиндель принудительно вращается. По скорости его вращения (количеству сделанных за единицу времени оборотов) и определяется степень вязкости.

Полученное значение в Па·c отображается на электронном дисплее.

Плюсы ротационных приборов:

• непрерывный анализ состояния газов, жидких составов;
• достаточно широкий диапазон оцениваемых значений (обычно он расширяется за счёт наличия нескольких вращающихся деталей в комплекте);
• возможность оценки ротационным вискозиметром жидкостей разных температур – в пределах -60-+2000℃.
• оценка вязкости неньютоновских и ньютоновских жидкостей.

Минусы:

• невысокая чувствительность,
• низкая точность при некоторых условиях (с вероятной погрешностью до 4%).

Капиллярные (Оствальда)

Плюсы капиллярных моделей:

• несложная конструкция;
• высокая чувствительность;
• достоверность измерений;

минусы:

• невозможность измерять вязкость непрерывно;
• хрупкость, крупные габариты капиллярного оборудования;
• неширокий диапазон измеряемых значений.

Вибрационные

Определение вязкости с помощью вискозиметра вибрационного типа основано на показателях резонансной частоты колебаний, которые вынужденно осуществляет зонд, погружаемый в исследуемую среду.

Такой параметр напрямую зависит от вязкости жидкого вещества. Замеры проводятся электронным модулем, передаются на дисплей.

Такие приборы часто встраиваются в производственные линии на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Достоинства:

• лабораторная точность;
• возможность оценивать вязкость в процессе протекающих в материалах химических реакций;
• устойчивость к низким температурам, нагревам.

Недостатки:

• сложная конструкция;
• высокая стоимость.

Ультразвуковые

Определение вязкости вискозиметром основано на свойствах ультразвуковых волн. В конструкции предусмотрен датчик (зонд), который с помощью кабеля соединяется с электронным основным блоком. Пластина или стержень зонда создаёт короткие импульсы. По затуханию амплитуды, которое пропорционально вязкости жидкой измеряемой среды, оценивается конечное значение.

Плюсы:

• точные измерения;
• быстрое получение результатов;
• допустимость работы в разных средах: вакууме, химикатах, инертной атмосфере.

Минусы:

• не самый широкий диапазон;
• несовместимость с высокотемпературными материалами.

Вискозиметр Гепплера с падающим шариком

Это трубка из стекла, которая заполняется оцениваемым веществом. Степень вязкости анализируют по скорости падения шарика, который внутри жидкости перемещается сверху вниз под силой своей тяжести. В трубке есть отметки, и по ним оценивается быстрота перемещения предмета.

Преимущества:

• несложная конструкция;
• доступная стоимость;
• удобство исследований негустых, прозрачных веществ.

Недостатки:

• сложности при измерении непрозрачных, чрезмерно вязких материалов;
• невозможность осуществлять мониторинг постоянно.

Пузырьковый вискозиметр

Анализ проводится по траектории и скорости всплытия в жидкости пузырька газа. Такое оборудование часто используют в лабораториях, отделах контроля качества на предприятиях химической промышленности.

Достоинства:

• совместимость приборов с самыми вязкими материалами;
• достоверные результаты.

Недостатки:

• сложная конфигурация устройств;
• высокая цена.

Чашечный вискозиметр

Измерения основаны на капиллярном способе. Конструкция – воронка либо чаша с узким нижним отверстием. По времени, за которое жидкое содержимое вытекает через такое отверстие, определяется вязкость. Приборы обычно используют при производстве лаков и красок, в том числе в краскопультах.

Достоинства:

• невысокая стоимость;
• простота конструкции.

Недостатки:

• невозможность непрерывного анализа.

Вискозиметр Суттарда

В конструкции предусмотрен цилиндр из металла (латуни или меди) с диаметром 5 см. Ёмкость находится на стеклянном, пластиковом либо металлическом основании в форме квадрата со шкалой.

Результаты оценивают по диаметру и времени растекания вещества, перемещающегося из цилиндра на основание.

Сфера применения – проверка свойств и структуры строительных, отделочных материалов типа герметиков, штукатурок, шпаклёвок, клеев, паст.

Положительные стороны:

• простое строение прибора;
• возможность смастерить вискозиметр в домашних условиях.

Отрицательные стороны:

• не очень точные измерения.

Вискозиметр Брукфильда

Измерения проводятся по крутящему моменту, который требуется для вращательного движения шпинделя в заполненном анализируемой жидкостью резервуаре. Такой вид измерительных приборов – самый популярный. Он включен в большинство общепринятых стандартов.

Плюсы:

• универсальное использование;
• точные, достоверные результаты.

Минусы:

• довольно быстрый износ узлов с вращающимися элементами.

Калибровка вискозиметров

Если регулярно использовать вискозиметр, определение им вязкости не будет достоверным без периодических калибровок. Такие процедуры позволяют анализировать точность показаний и их соответствие требованиям.

В основе калибровки – выяснение временного периода протекания через оборудование эталонной жидкости или калибровочного масла. При проверке нужно учитывать и корректировать температуру состава и окружающей среды. Для корректировки температурного значения следует применять коэффициент, который указан в сертификате. Таким документом обязательно должен быть снабжён любой калибровочный раствор.

Особенности ухода за прибором

Использование вискозиметра требует определённого ухода за прибором. Он включает такие действия:

• Очистка деталей прибора, контактирующих с жидкостями, от их остатков. Следы можно удалять водой, моющими специализированными средствами или растворителями, в зависимости от изучаемых материалов.
• Осмотры с целью выявления дефектов – сколов, трещин и других повреждений.
• Регулярные калибровки для постоянного поддержания достоверности результатов.
• Проверки электронных частей конструкции: панели управления, нагревателей, дисплея, датчиков.

Как выбрать вискозиметр

Так как есть разные виды вискозиметров и модели, важно подобрать подходящий прибор. При выборе обращайте внимание на:

• Характеристики вискозиметра. Это диапазон значений, температуры среды, погрешность (возможные отклонения).
• Свойства жидкостей: густота, прозрачность.
• Условия измерений жидкостей: температура материала и окружающей среды, оказываемое давление.
• Сфера применения: в быту, в промышленности, в исследованиях, медицине или других областях.
• Удобство, сложность эксплуатации. Электронные приборы использовать проще, а результаты измерений точнее.

Вискозиметры точно измеряют вязкость разных жидкостей. Такие приборы применяются в разных сферах. В нашем интернет-магазине можно купить вискозиметры и прочие измерительные устройства. Предлагаем широкий ассортимент моделей высокого качества по доступным ценам. Обращайтесь к нам!