Методи, прибори й засоби для вимірювання в'язкості

Цей термін насправді в метрології зайнятий, і калібруванням відповідно до стандартів називають трохи іншу процедуру.

Калібрування міри або набору мерло - перевірка сукупності однозначних мір або багатозначної міри на різних оцінках шкали. Інакше кажучи, калібрування - це перевірка міри за допомогою сукупних вимірів. Іноді термін «калібрування» уживають як синонім перевірки, однак калібруванням можна називати тільки таку перевірку, при якій рівняються кілька мір або ділення шкали між собою в різних сполученнях.

2. Виміри механічних величин

2.1 Лінійні виміри

У технологічних лінійних вимірах найбільше часто затребуваними є наступні:

а) Товщини листових матеріалів;

б) Товщини плівок (фарба, волога, метал);

в) Глибина травлення й гравіювання;

г) Шорсткості поверхні;

д) Тиску;

е) В'язкості ;

ж) Твердості;

з) Рівня рідин.

Традиційні виміри переміщень являють собою добре відомі лінійки, ноніуси й мікрометричні гвинти. Лінійки виготовляються або у вигляді жорсткої конструкції, або у вигляді гнучкої стрічки (рулетки). Виміри проводяться безпосереднім порівнянням розміру предмета з діленнями шкали лінійки. Ноніус являє собою додаткову шкалу, нанесену на рухливу каретку, що переміщається вільно уздовж лінійки. Шкали ноніуса нанесені таким чином, що дев'ять ділень лінійки розділені на десять рівних частин.

Якщо проводити виміру, то є можливість визначити розміри з точністю до 1/10 частки ділення основної лінійки. Для цього досить визначити, яке ділення ноніуса збігаєтеся цілим діленням основної шкали. Якщо, наприклад, з діленням основної шкали збігається перше ділення ноніуса, то це означає, що вимірювана довжина на 1/10 частину ділення основної шкали більш того значення, у якого розташовується нульове ділення ноніуса. Якщо збігається друге ділення, то розмір на 2/10 більше, і т.д.

Найчастіше використовується так званий прямий ноніус, у якого ціни ділення на 1/10 частину менше ціни ділення основної шкали. Іноді застосовують зворотний ноніус, у якого ціна ділення на 1/10 більше ціни ділення основної шкали, тобто 11 ділень діляться на 10 частин. Користуватися ним треба також, як і прямим ноніусом, тобто цілу частина вимірюваної величини зчитувати з меншого значення основної шкали, між якими зупинився нуль ноніуса, а десяті частки визначати по збігу ділення шкали ноніуса з діленням основної шкали.

У деяких вимірювальних інструментах, найчастіше в кутомірних, застосовується круговий ноніус. Принципово він нічим не відрізняється від лінійного ноніуса, тільки ділення на ньому нанесені на невелику дугову лінійку (алиаду), що вільно переміщається уздовж основної шкали (лімба).

Мікрометричний гвинт дає можливість відраховувати більше дрібні частки ділення основної шкали, чим ноніус. Мікрометричний гвинт являє собою ретельно виготовлений гвинт із кроком в 0,5 або в 1,0 мм. Голівка гвинта являє собою лімб, або барабан з діленнями, що дозволяє робити звіти або 1/50, або 1/100 обороту. Таким чином, затискаючи об'єкт вимірів між упорами мікрометричного гвинта, можна виміряти розміри об'єкта з точністю до 1/100 мм і вище, якщо взяти до уваги можливість оцінки частки ділення.

Ноніусом оснащені широко застосовувані у вимірювальній практиці інструменти, називані штангенциркулями.

Мікрометри виготовляють у вигляді скоби із цифрами, один із яких переміщається мікрометричним гвинтом.

Вимірювальні пристрої для лінійних вимірів на якій-небудь поверхні роблять у вигляді індикаторних пристроїв, тобто рухливих штоків із зубчастим колесом. Так зроблені глибиноміри, товщиноміри, ростоміри. Шток як би «обмацує» поверхня й, передаючи переміщення зубчастому колесу, реєструє профіль поверхні.

Товщину листових матеріалів вимірюють також по поглинанню світлового або активного випромінювання. Іноді для виміру товщини використовують ємнісні або індуктивні датчики.

Товщини плівок вимірюють оптичними методами по відбиттю або поглинанню світла.

Велика кількість вимірів ведеться лупами або вимірювальними мікроскопами. Принцип виміру складається у вимірі координати якої-небудь крапки, шляхом візування її в мікроскоп. Довжину об'єкта знаходять по різниці відліку крайніх крапок об'єкта. Невеликі переміщення можна виміряти окуляр-мікрометром - окуляром, постаченим візирною сіткою, розташованої у фокусі окуляра. Візирна сітка може переміщатися в поле зору окуляра мікрометричним гвинтом.

Переміщаючи сітку гвинтом, наводять мітки на крайні крапки об'єкта, і розміри визначають як різницю .

Підвищити точність виміру довжин можна шляхом компарування (порівняння) довжин об'єкта й стандартної шкали. Якщо ця шкала виконана у вигляді лінійки, то компарируються відлік по цій лінійці. Для підвищення точності в длиномірах - компараторах відлік виробляється з використанням лінійки, ноніуса й мікрометричного гвинта. Виробляється це в такий спосіб: в один з мікроскопів візується крапка об'єкта, координати якої потрібно визначити. В інший мікроскоп - вимірювальний - візуються ділення шкали, нанесеної на скло. Вимірювальний мікроскоп дозволяє візувати принаймні два ділення на скляній шкалі. Відлік знімається з лінійки, ноніуса й мікрометричного гвинта.

У сучасних компараторах довжин виміри проводяться порівнянням розмірів об'єкта з розміром вимірювальних дифракційних ґрат. Принцип роботи такого відлікового пристрою ілюструється.

Вимірювальні ґрати являють собою пару ґрат, одна й з яких може бути відбивної. За прозорими ґратами розташовується джерело світла й пристрій, що фото реєструють, наприклад фотодіод. Переміщаючи один із ґрат, потрібно реєструвати число минаючих у фокусі об'єктива максимумів або мінімумів. Порівнюючи це число для крайніх крапок об'єкта, легко знайти його розміри, якщо відомо крок ґрат.

Вимірювальні ґрати в цей час витісняють візуальні компаратори. Причин цьому можна назвати трохи. Сама головна - процес виміру легко автоматизувати, тобто немає потреби користуватися зоровою трубою, що для масових вимірів утомливо. Друга причина - висока точність виміру, обумовлений тільки періодом ґрати. При цьому висока точність виходить як для малих переміщень, так і для більших (порядку 1 м і більше). Ще одна приваблива риса вимірювальних ґрат - можливість створення реверсивних механізмів і підключення комп'ютерів.

Вимірювальні ґрати в лінійних вимірах використовуються як універсальні міри, тобто носії розміру фізичної величини. Більшість мерла в лінійних вимірах підрозділяються на штрихові й кінцеві міри. Штрихові міри - це відрізки довжини між якими-небудь штрихами на лінійках, ноніусах і мікрометричних гвинтах. На відміну від них кінцеві міри - це стрижні, плитки, щупи, скоби точно відомого розміру. Існують також кінцеві міри різних класів точності - від плиток Йогансона, службовців для перевірки мікрометрів, до грубих щупів, широко використовуваних у машинобудуванні й у загальній техніці.

3. Виміри в'язкості

В'язкість - характеристика сил внутрішнього тертя. Сила тертя залежно від в'язкості, рідини або газу виражається формулою:

(1)

де F - сила опору переміщенню шарів середовища, що спрямоване убік убування швидкості (знак мінус у формулі); S - площа дії сили й градієнт швидкості. Одиниця в'язкості в системі СВ - Паскаль секунда. У системі CGS одиниця в'язкості - Пуаз:

(2)

3.1 Віскозиметри

Прилади для виміру в'язкості називаються віскозиметрами. У віскозиметрах використовуються два різних принципи:

по швидкості витікання рідини з малого отвору або з капіляра;

по швидкості падіння кульки в грузлої рідини.

Перший принцип заснований на формулі Пуазейля, що дає залежність між об'ємом рідини, що випливає із трубки радіусом R і довжиною I:

(1)

де P1 і P2 - тиск на торцях трубки; R - радіус трубки; I - довжина; t - час витікання.

Другий принцип виміру в'язкості заснований на вимірі швидкості падіння кулі в грузлому середовищу (формула Стокса):

(2)

де v - швидкість падіння кулі в рідині; ? - щільність матеріалу кулі; ?' - щільність рідини; r - радіус кулі.

Одним із широко використовуваних приладів для виміру в'язкості є віскозиметр Енглера, у якому виміряється час витікання 200 р. рідини в порівнянні згодом витікання 200 г води через той же отвір. В'язкість вимірюють у градусах Енглера, що відповідає відношенню часу витікання рідини вчасно витікання води за тих самих умов. Співвідношення між Пуазами й градусами Енглера дається формулою:

(3)

де р - щільність рідини в г/см3.

В'язкість, позначена у формулі (3) і певна через силу опору руху називається ще динамічною в'язкістю. Існує поняття кінематичної в'язкості - це в'язкість, віднесена до одиничної щільності, тобто:

(4)

Виміряється кінематична в'язкість в одиницях L2T-1 , тобто M2 /сек у системі СВ. Та ж одиниця в Сгс-Системі називається стоксом, тобто

(5)

Існує ще поняття ударної в'язкості, обумовленої, як робота для зламу твердого тіла, віднесена до одиниці поперечного перерізу зламу.

(6)

Зворотна в'язкості величина називається плинністю:

(7)

Іноді в техніку користуються поняттям питомої в'язкості, тобто відношенням в'язкості рідини до в'язкості води:

(8)

Віскозиметри Брукфильда підрозділяються на три основних типи: аналогові (із круговою шкалою), цифрові й програмувальні. Основне розходження між ними полягає в способі відображення результатів. В аналогових віскозиметрів результат зчитується по покажчику на круговій шкалі, а в цифрових виводиться на дисплей. Крім того, цифрові віскозиметри обладнані аналоговим виходом 0-10 мВ, до якого можна підключити різні зовнішні пристрої, такі як дисплей, контролер або самопис.

Внутрішній пристрій аналогових і цифрових віскозиметрів практично однаково й також однакова методика використання. Обидва типи представлені однаковим рядом моделей, можуть працювати з однаковими аксесуарами й у цілому взаємозамінні (однакові моделі).

Аналогові віскозиметри найдешевші. Вони ідеально підходять для застосувань, де треба швидко виміряти в'язкість, але немає необхідності в постійному записі або у вимірі характеристик. Хоча віскозиметр може працювати безупинно, знімати показання можна тільки дискретно, коли покажчик проходить під оглядовим склом або коли покажчик зафіксований і віскозиметр зупинений.

Тривалі виміри вимагають постійної уваги оператора, крім того, що швидко протікають процеси легше зафіксувати при постійному моніторингу. У таких ситуаціях краще використовувати цифрові віскозиметри, які безупинно вимірюють і показують в'язкість. Такі прилади можна залишити без спостереження, а можливість настроїти частоту запису показань (модель DV-II+) дозволяє зареєструвати найшвидші процеси. Деякі користувачі віддаю перевагу цифровим віскозиметрам, оскільки з ними відпадає необхідність інтерполяції даних, чого іноді неможливо уникнути при роботі з аналоговим устаткуванням. Точність виміру для обох типів однакова.

Цифрові віскозиметри (за винятком моделі DV-E) можна також використовувати з геометрією конус/плита.

Стандартні моделі віскозиметрів мають множина модифікацій, наприклад моделі із проміжним крутний моментом пружини. Щоб підібрати модель, оптимальну для Ваших задач, найкраще одержати консультацію в місцевого представника Брукфильда.

Деякі моделі розроблені спеціально для специфічних застосувань і не сумісні із традиційними віскозиметрами. Так модель KU-1 дозволяє вимірювати в'язкість в одиницях Кребса й призначена для лакофарбової індустрії. Модель САР-1000 дозволяє працювати з дуже високими швидкостями зрушення (10000, 12000 з-1) при дослідженні смол, полімерів і фарб.

3.2 Реометри

Досить істотною перевагою реометра DV-III+ є можливість двостороннього зв'язку з персональним комп'ютером. Це дозволяє легко програмувати й управляти складними процедурами виміру. Також можна зберігати всі результати й, при необхідності, перетворювати їх у формат Excel або іншого табличного процесора. Можна одержати результати у вигляді графіків, що особливо корисно при інтерпретації кривої плину. Графіки випробування різних зразків можна порівнювати, накладаючи один на одного.

Реометр R/S відрізняється від інших моделей тим, що контрольованим параметром є не швидкість обертання шпинделя, а напруга зрушення. Серед інших переваг цього підходу можна виділити широкий діапазон вимірюваної в'язкості, можливість виміру границі текучості й можливість роботи з високов'язкими гелями. Як DV-III+, так і R/S дозволяють одержати детальну інформацію про поводження матеріалів і можуть працювати незалежно або під керуванням персонального комп'ютера.

Реометр САР-2000 із системою конус/плита забезпечує широкий діапазон швидкостей зрушення. Він спеціально сконструйований для використання у важких заводських умовах і може працювати незалежно або під керуванням персонального комп'ютера.

Реометр PVS забезпечує вимір під тиском і звичайно використовується для дослідження бурових розчинів і флюїдів для розриву шару в нафтогазовій індустрії.

Відносно новий реометр YR-1 є недорогим рішенням для виміру границі текучості з метою контролю якості.

3.3 Геометрія шпинделів

Всі віскозиметри й реометри Брукфильда поставляються з набором шпинделів, придатним для більшості стандартних застосувань. Однак нерідкі ситуації, коли необхідно використовувати спеціалізовані шпинделі. Брукфильд надає широкий вибір шпинделів і аксесуарів для різних цілей, більшість із них описано в даному розділі. Всі шпинделі виконані з нержавіючої сталі марки 300 і не мають потреби в обслуговуванні. За замовленням поставляються шпинделі для спеціальних застосувань, наприклад для особливо агресивних середовищ.

1. Дискові шпинделі

Дискові шпинделі входять у стандартний комплект поставки віскозиметрів LV (шпинделі №2 і №3) і RV/HA/HB (шпинделі з №2 по №6) і призначені для звичайних вимірів в'язкості в посудинах ємністю від 600 мол і вище. Вона забезпечують точний і відтворений вимір гаданої в'язкості більшості флюїдів. 2. Циліндричні шпинделі. Циліндричні шпинделі (№1 і №4 для серії LV, №7 для серій RV/HA/HB) мають певну геометрію, що дозволяє крім в'язкості розрахувати також швидкість зрушення й напруга зрушення. У всіх інших аспектах вони ідентичні дисковим шпинделям. Завдяки певній геометрії циліндричні шпинделі частково придатні для виміру не-ньютоновських рідин. Доступні також циліндричні еквіваленти дискових шпинделів №12 і №3 серії LV. 3. Коаксіальні циліндри.

Геометрія коаксіальних циліндрів забезпечує їхнє застосування для тих задач, де обов'язково потрібно знати швидкість зрушення й напругу зрушення. Різні аксесуари Брукфильда мають коаксіальну геометрію, крім того кожний з них забезпечує унікальні можливості для конкретних застосувань. Це наступні аксесуари:

адаптер для малих зразків SS;

адаптер для низької в'язкості UL;

адаптер для контролю температури Thermosel;

адаптер DIN;

спіральний адаптер.

4. Конус/плита.

Геометрія конус/плита дозволяє вимірювати абсолютну в'язкість при певних з високою точністю швидкості зрушення й напрузі зрушення. Необхідний об'єм зразка дуже малий і контроль температури здійснюється дуже просто. Дана геометрія ідеально придатна для вивчення характеристик не-ньютоновських рідин і може бути використана разом з віскозиметром Cone/Plate, реометром САР 2000 і реометром R/S . 5. Т-Образні шпинделі.

Як правило ці шпинделі використовуються спільно зі стійкою спірального руху (вони входять у комплект поставок даного адаптера) і дозволяють працювати з не текучими або слабко поточними матеріалами, такими як пасти, креми й гелі. Результати виміру є "гаданими", оскільки особлива геометрія шпинделів не дозволяє визначити швидкість зрушення або напруга зрушення.

6. Лопатеві шпинделі

Лопатевої шпінель, занурений у досліджуваний матеріал, захоплює при обертанні частина проби й створює "циліндр", дозволяючи розрахувати швидкість зрушення й напруга зрушення. Даний шпиндель дозволяє робити дослідження не текучих і слабко текучих матеріалів і розраховувати для них границя текучості. Лопатеві шпинделі можна використовувати разом з більшістю моделей віскозиметрів Брукфильда.

3.4 Контроль температури

Для одержання точних і відтворених результатів настійно рекомендується контролювати температуру в процесі виміру. 1. Рідинні термостати.

Термостати можна використовувати для контролю температури при проведенні типових реологічних вимірів. Пропонується два основних типи термостатів: тільки із прокачуванням і з резервуаром і прокачуванням.

Страницы: 1, 2, 3