Ротационный вискозиметр: достоинства и недостатки

Важную роль в стабильном развитии и безопасной деятельности всех отраслей промышленности играет качество функционирования таких технологических объектов, как машины, станки, механизмы, транспортные средства, работа которых связана с применением жидких сред. К данным жидкостям можно отнести топливо, масла, растворители, горюче-смазочные материалы, эмульсии, различные моющие средства и тормозные жидкости [1, с. 255]. Их качество характеризуется различными реологическими параметрами. Поскольку состояние данных жидких сред влияет на безопасную жизнедеятельность людей, а также работу машин и аппаратов, они подлежат контролю.

Одним из исследуемых параметров является вязкость жидкости [2, с. 15]. На сегодняшний день вискозиметры используются в нефтяной промышленности, в военной и гражданской авиации, в пищевой, фармакологической отраслях, строительстве, медицине и в автомобильном транспорте.

Среди разнообразных видов вискозиметров большую популярность имеют ротационные. Принцип работы данного средства измерения заключается в оценке величины момента торможения, который создается исследуемой жидкостью, помещенной между двумя соосными телами, один из которых вращается [3, с. 12].

Принцип ротационной вискозиметрии заключается в следующем: контролируемой жидкостью заполняется пространство между двумя соосными телами. Одно из тел находится в неподвижном состоянии, другое, называемое ротором, вращается с постоянной скоростью. Вязкость жидкости определяется по крутящему моменту при круговом сдвиговом течении материала с постоянной скоростью в тонком кольцевом слое [4, с. 17]. Современный рынок вискозиметров представлен большой номенклатурой приборов различного строения, функционала и принципа действия.

По форме измерительной поверхности существуют ротационные приборы со следующими системами: коаксиальные цилиндры, сферы или полусферы; два конуса, две плоскопараллельные пластины, два плоских кольца или два конических кольца; цилиндр – диск; цилиндр – полусфера; конус – диск; цилиндр – конус; цилиндр – конус – диск (рисунок). Форма ротора зависит от вида исследуемого материала (ньютоновской или неньютоновской) и диапазона измеряемых значений вязкости [5, с. 41].

Рисунок. Схема измерительных поверхностей ротационных вискозиметров:

а) коаксиальные цилиндры; б) две полусферы; в) два конуса; г) две плоскопараллельные пластины; д) два плоских кольца; е) цилиндр – диск; ж) цилиндр – полусфера; з) конус – диск; и) цилиндр – конус; к) два конических кольца; л) цилиндр – конус – диск

По сравнению с другими типами вискозиметров ротационные обладают рядом преимуществ, особенно при испытании материалов с большой вязкостью. Данные приборы удобны в применении, надежны в эксплуатации, позволяют производить количественную оценку показателей режима деформации, регулировать изменения условий, при которых проводятся испытания. Также они могут использоваться как для экспресс-измерений, так и для непрерывного измерения вязкости с целью регулирования технологического процесса [6].

Ротационные вискозиметры обеспечивают однородное поле напряжений сдвига в жидкости и позволяют измерять вязкость с высокой точностью. Существуют приборы с высокой точностью измерений во взрывобезопасном исполнении, пригодные для контроля вязкости различных агрессивных жидкостей.

Они применяются не только для измерения в большом диапазоне вязкости жидкостей, но и для исследования реологических свойств веществ. Ещё одним важным преимуществом является использование ротационных вискозиметров для непрерывных измерений.

При испытании пластоэластических (упруго - вязких) свойств каучуков и резиновых смесей ротационные вискозиметры позволяют проводить количественную оценку показателей нестационарного режима деформации, например, мгновенно-упругого модуля сдвига, периода релаксации и др. При исследовании сохраняется сходство условий деформирования в рабочем зазоре ротационного вискозиметра с условиями механической обработки материала в рабочей зоне резиносмесителя закрытого типа, также имеется возможность варьирования условий испытания, автоматического управления и регистрации результатов [7, с. 446].

Несмотря на простоту приборов ротационного типа существует ряд различных эффектов, снижающих точность измерений [8, с. 40].

Одним из условий точности измерений в ротационных вискозиметрах является ламинарность деформируемого потока, характеризующаяся числом Рейнольдса (Re). Оно представляет собой безразмерный критерий, превышение которого вызывает турбулизацию потока, то есть образуются нелинейные фрактальные волны.

Поскольку в ротационном вискозиметре исследуемый материалом находится в зазоре прибора, во время проверки выделяется тепло и изменяется температура измеряемой среды, что в свою очередь вызывает изменение вязкости.

К. Вейссенбергом было обнаружено, что при течении упругих жидкостей в условиях простого сдвига возникают как касательные, так и   нормальные напряжения, ортогональные напряжению сдвига. Упругая жидкость, у которой деформационное состояние характеризуется осевой симметрией, стягивается нормальными напряжениями, противодействующими силам тяжести и центробежным силам и выдавливается из зазора вискозиметра [9, с. 214].

При течении упругих жидкостей в капиллярах с высокими скоростями струя жидкости начинает деформироваться и на ней появляются различные возмущения. При очень высоких скоростях деформации струя материала иногда даже распадается на отдельные зерна. Также могут возникать спонтанные колебания измеряемого параметра.

В ротационных вискозиметрах крутящий момент передается на измерительный элемент не только через боковые (рабочие) поверхности, но и от днищ цилиндров. Поскольку математическое описание полей напряжений и скоростей сдвига, возникающих в зазорах, образованных днищами цилиндров, очень сложно, то расчетные формулы для ротационных приборов выводятся без учета влияния концевых эффектов, что вносит определенные погрешности в измерения.

Ротационная вискозиметрия является одним из надежных способов исследования различных технологических жидкостей, играющих большую роль во многих отраслях промышленности. Существующая номенклатура приборов позволяет сделать выбор с учетом особенностей места эксплуатации, температурных режимов и периодичности исследования. В работе представлены наиболее существенные достоинства и недостатки вискозиметров ротационного типа.