Кіріспе

Сұйықтың тұтқырлығын өлшеуге арналған ғылыми құрал. Вискометр (немесе тұтқырлық өлшегіш) – сұйықтың тұтқырлығын өлшеуге қолданылатын құрал. Ағын жағдайларына байланысты тұтқырлығы өзгеретін сұйықтықтар үшін реометр деп аталатын құрал пайдаланылады. Осылайша, реометрді вискометрдің ерекше түрі деп санауға болады. Вискометрлер тек тұрақты тұтқырлықты, яғни ағын жағдайларына байланысты өзгермейтін тұтқырлықты ғана өлшеуге қабілетті. Әдетте, сұйықтық қозғалмай тұрып, оның ішінде бір зат қозғалады немесе зат қозғалмай тұрып, сұйықтық оның үстінен ағып өтеді. Сұйықтық пен беткейдің салыстырмалы қозғалысынан туындайтын кедергі – бұл тұтқырлықтың өлшемі. Ағын жағдайлары ламинарлық болуы үшін Рейнольдс санының жеткілікті түрде кішкентай мәні болуы керек. 20°C температурада судың динамикалық тұтқырлығы (кинематикалық тұтқырлық × тығыздық) 1,0038 мПа·с, ал кинематикалық тұтқырлығы (ағын уақыты × коэффициентінің көбейтіндісі) 1,0022 мм²/с құрайды. Бұл мәндер кейбір вискометрлерді калибрлеу үшін қолданылады.

U-түтікпен жасалған тұтқырлық өлшегіштер

Бұл құрылғылар сондай-ақ Вильгельм Оствальд есімімен аталған шыны капиллярлы вискометрлер немесе Оствальд вискометрлері деп аталады. Тағы бір нұсқасы – Ubbelohde вискометрі, ол бақыланатын температуралы ваннада тік ұсталатын U пішіндес шыны түтікпен құралған. U пішінінің бір жағында дәл, тар өтімді тік бөлім (капилляр) орналасқан. Оның үстінде бір балға, ал екінші жағында төменде тағы бір балға бар. Қолдану кезінде сұйықтық сору арқылы жоғарғы балғаға тартылып, содан кейін капилляр арқылы төменгі балғаға ағып түседі. Екі белгі (біреуі жоғарғы балғаның үстінде, екіншісі төменінде) белгілі бір көлемді көрсетеді. Сұйықтың деңгейінің осы белгілер арасында өтуіне кеткен уақыт кинематикалық тұтқырлыққа пропорционалды. Калибрлеуді белгілі қасиеттері бар сұйықтық арқылы жасауға болады. Көптеген коммерциялық құрылғылар түрлендіру коэффициентімен жабдықталған. Сынақ сұйығының белгілі диаметрдегі капилляр арқылы екі белгіленген нүкте арасында өтуіне қажетті уақыт өлшенеді. Вискометрдің коэффициентіне алынған уақытты көбейту арқылы кинематикалық тұтқырлық анықталады. Мұндай вискометрлер тікелей ағынды немесе кері ағынды деп жіктелуі мүмкін. Кері ағынды вискометрлерде резервуар белгілердің үстінде, ал тікелей ағынды вискометрлерде резервуар белгілердің астында орналасқан. Мұндай жіктемелердің болуы, мөлдір емес немесе түсті сұйықтықтарды өлшеу кезінде деңгейді анықтауға мүмкіндік береді, әйтпесе сұйықтық белгілерді жауып, деңгейдің белгіден өту уақытын өлшеуді қиындатады. Бұл вискометрге бірнеше белгі жиынтығын орнатуға да мүмкіндік береді, нәтижесінде екі уақыт алынып, дәл нәтижелерді қамтамасыз ету үшін кейіннен анықтамалық есептеулер жасауға болады. Бір вискометрде бір рет екі уақытты өлшеу тек сынақ үлгісі Ньютондық қасиеттерге ие болған жағдайда ғана мүмкін. Әйтпесе, қозғалтқыш күшінің өзгеруі, ол өз кезегінде серпімді деформация жылдамдығын өзгертеді, екі балға үшін де әртүрлі тұтқырлықты тудырады.

Құлап бара жатқан поршеньді тұтқырлық өлшегіш

Ол сондай-ақ, өнертабының авторы Остин Норкросс атымен Норкросс тұтқырлық өлшегіші деп аталады. Бұл берік және сезімтал өнеркәсіптік құрылғыдағы тұтқырлықты өлшеу принципі поршень мен цилиндр жиынтығына негізделген. Поршень ауа көтергіш механизмымен мерзімік түрде көтеріледі, өлшенетін материалды поршень мен цилиндр қабырғасы арасындағы аралық арқылы тартып, көтерілген кезде поршень астындағы кеңістікке жинақтайды. Содан кейін жиынтық әдетте бірнеше секундқа ұсталып, гравитация күшімен төмен түсіріледі, сынама кірген жолмен шығарылып, өлшенген сұйықтықта серпіліс әсерін тудырады, бұл тұтқырлық өлшегішті ерекше сезімтал және белгілі бір тиксотроптық сұйықтықтарды өлшеуге қолайлы етеді. Түсу уақыты тұтқырлықтың өлшемі болып табылады, ал поршень мен цилиндрдің ішкі беті арасындағы аралық өлшеу тесігін құрайды. Тұтқырлықты басқару құрылғысы түсу уақытын (түсу уақыты секундтары тұтқырлықтың өлшемі) өлшейді және нәтижесінде алынған тұтқырлық мәнін көрсетеді. Басқару құрылғысы түсу уақытын куб-секундтарға (эфлюкс кубі ретінде белгілі), Сейболттың әмбебап секундына (SUS) немесе сантипуазға калибрлей алады. Қарапайымдылығы, қайталанатын нәтижелері, аз күтімді қажет етуі және ұзақ қызмет ету мерзіміне байланысты өнеркәсіптік қолданыста кең таралған. Бұл өлшеу әсері ағындылық немесе сыртқы дірілдерге тәуелді емес. Жұмыс принципін көптеген әртүрлі жағдайларға бейімдеуге болады, бұл оны процестерді басқару ортасы үшін өте қолайлы етеді.

Осцилляциялық поршеньдік тұтқырлық өлшегіш

Кейде электромагниттік вискометр немесе EMV вискометр деп аталатын бұл құрал 1986 жылы Кембридж вискозиті (бұрынғы Кембридж қолданбалы жүйелері) компаниясында ойлап табылды. Датқыш (төмендегі суретті қараңыз) өлшеу камерасынан және магниттік күш әсер ететін поршеньнен тұрады. Өлшеулерді жүргізу үшін алдымен үлгі термиялық бақылаудағы өлшеу камерасына енгізіледі, онда поршень орналасқан. Электроника поршеньді магнит өрісімен басқарылатын өлшеу камерасы ішінде тербеліс қозғалысына келтіреді. Поршеньнің қозғалысы сұйықтыққа (немесе газға) серпімді кернеу тудырады, ал тұтқырлық поршеньнің қозғалыс уақытын өлшеу арқылы анықталады. Поршень мен өлшеу камерасы арасындағы сақина тәрізді кеңістік, электромагниттік өрістің күші және поршеньнің жүріп өткен қашықтығы сияқты конструкциялық параметрлер Нютонның тұтқырлық заңына сәйкес тұтқырлықты есептеу үшін қолданылады. Тербелісті поршеньді вискометр технологиясы зертхана жағдайында кішкентай және микроүлгілердің тұтқырлығын тексеруге бейімделген. Бұдан өзге, ол зертханалық және өндірістік ортада жоғары қысымдағы және жоғары температурадағы тұтқырлықты өлшеуге де қолданылады. Тұтқырлық сенсорлары өнеркәсіптік қолдану саласында кеңінен қолданылады, мысалы, компрессорлар мен қозғалтқыштарда қолданылатын кішкентай вискометрлер, бояу процестеріндегі ағынды вискометрлер, мұнай өңдеу зауыттарындағы желілік вискометрлер және тағы да жүздеген қолданыстарда қолданылады. Қазіргі заманғы электрониканың жоғары сезімталдығы газдың тұтқырлығын зерттейтін академиялық зертханаларда тербелісті поршеньді вискометрлердің танымалдығын арттыруға мүмкіндік берді.

Дәнекерлеулік тұтқырлық өлшегіштер

Дірілдемелі тұтқырлық өлшегіштер 1950 жылдарға дейін Бендикс аспаптарына дейін жетеді, олар тұтқырлығы анықталуға тиіс сұйықтыққа батырылған дірілдемелі электромеханикалық резонатордың демпферлеуін өлшеу арқылы жұмыс істейтін классқа жатады. Резонатор әдетте бұрылыс немесе көлденең бағытта дірілдейді (қантильверлік сәуле немесе камертон ретінде). Тұтқырлық жоғары болған сайын, резонаторға түсетін демпферлеу де күшейеді. Резонатордың демпферлеуін бірнеше әдіспен өлшеуге болады:

Осцилляторды тұрақты амплитудада дірілдетіп ұстау үшін қажетті қуатты өлшеу. Тұтқырлық жоғары болған сайын, діріл амплитудасын сақтау үшін соғұрлым көп қуат қажет болады. Қоздыру тоқтатылғаннан кейін дірілдің өшу уақытын өлшеу. Тұтқырлық жоғары болған сайын, сигнал соғұрлым жылдам өшеді. Резонатордың жиілігін қоздыру және жауап толқын формалары арасындағы фазалық бұрышқа байланысты өлшеу. Тұтқырлық жоғары болған сайын, берілген фазалық өзгеріс үшін жиілік өзгерісі соғұрлым үлкен болады. Дірілдемелі аспаптарда анықталған серпімді өріс болмайды, сондықтан олар ағысы бұрыннан белгісіз сұйықтықтардың тұтқырлығын өлшеуге қолайлы емес. Дірілдемелі тұтқырлық өлшегіштер – процестік жағдайда тұтқырлықты өлшеуге арналған берік өнеркәсіптік жүйелер. Сенсордың белсенді бөлігі – дірілдемелі таяқ. Діріл амплитудасы таяққа батырылған сұйықтықтың тұтқырлығына қарай өзгереді. Бұл тұтқырлық өлшегіштер тосқауыл сұйықтығын және жоғары тұтқырлықты сұйықтықтарды, соның ішінде талшықтыларды (1000 Па·с-қа дейін) өлшеуге жарамды. Қазіргі уақытта әлемнің көптеген салалары осы тұтқырлық өлшегіштерді сұйықтықтардың кең ауқымының тұтқырлығын өлшеуге арналған ең тиімді жүйе деп санайды; керісінше, айналмалы тұтқырлық өлшегіштерге көбірек күтім қажет, олар тосқауыл сұйықтығын өлшеуге қабілетсіз және қарқынды пайдаланғаннан кейін жиі калибрлеуді қажет етеді. Дірілдемелі вискометрлерде қозғалмалы бөліктері мен нашар бөліктері жоқ, ал сезімтал бөлігі әдетте кішкентай. Тіпті өте жеңіл немесе қышқыл сұйықтықтарды қорғаныш қабатын жағу арқылы, мысалы, эмаль немесе сенсор материалдарын 316L тот баспайтын болат сияқты материалға ауыстыру арқылы өлшеуге болады. Дірілдемелі тұтқырлық өлшегіштер – резервуарлар мен құбырлардағы процестік сұйықтықтың тұтқырлығын бақылауға арналған ең көп қолданылатын желілік аспап.

Кварцты тұтқырлық өлшегіш

Кварцты вискометр – бұл вибрациялық вискометрдің ерекше түрі. Осы құралда тербелісті кварц кристалы сұйықтыққа енгізіледі және тербеліс мінез-құлқына тигізетін әсер тұтқырлықты анықтайды. Кварцты вискозиметрия принципі В. П. Мейсонның идеяларына негізделген. Негізгі концепция – тұтқырлықты анықтау үшін пьезоэлектрлік кристалды пайдалану. Осцилляторға қолданылатын жоғары жиілікті электр өрісі сенсордың қозғалысын тудырады, нәтижесінде сұйықтықта серпілу пайда болады. Сенсордың қозғалысына сұйықтықтың сыртқы күштері (серпілу стресі) әсер етеді, бұл сенсордың электрлік жауабына өзгеріс енгізеді. Кварц кристаллын пайдаланып тұтқырлықты анықтаудың алғы шарты ретіндегі калибрлеу процедурасы B. Бодке қатысты, ол тербеліс жүйесінің электрлік және механикалық беріліс мінез-құлқының толыққанды талдауын жүргізуге мүмкіндік берді. Осы калибрлеудің негізінде кварцты вискозиметр жасалды, ол тоқтаған және ағып тұрған сұйықтықтардың тұтқырлығын үздіксіз анықтауға мүмкіндік береді.

Крепс вискометрі

Кресптік вискометр сұйықтықтың тұтқырлығын өлшеу үшін цифрлық график пен кішкентай бүйірлік шпинделін пайдаланады. Ол негізінен бояу өнеркәсібінде қолданылады.

Түрлі вискометр түрлері

Басқа тұтқырлық өлшегіш түрлері доптарды немесе басқа заттарды пайдаланады. Ньютондық емес сұйықтықтарды сипаттайтын вискометрлерді әдетте реометрлер немесе пластометрлер деп атайды. Кейбір құралдар, мысалы капиллярлық немесе VROC® вискометрі, Ньютондық және Ньютондық емес сұйықтықтарды өлшеуге мүмкіндік береді. I. C. I "Оскар" вискометрінде, сұйықтыққа толы герметикалық банка бұрылу осі бойынша тербеліске ұшыратылды және нақты өлшеу техникаларын қолдану арқылы үлгідегі тұтқырлықты және серпімділікті өлшеуге болатын. Марш фуннель вискометрі, белгілі бір көлемдегі сұйықтықтың конус түбінен қысқа түтікше арқылы ағуға кеткен уақыты (эффлюкс уақыты) бойынша тұтқырлықты өлшейді. Бұл Ford, Zahn және Shell сияқты ағын тостағандарына (efflux тостағандарына) ұқсас, олар конустың әртүрлі пішіндерін және әртүрлі соплардың мөлшерін қолданады. Өлшемдер ISO 2431, ASTM D1200 10 немесе DIN 53411 стандарттарына сәйкес жүргізілуі мүмкін. Иілгіш жапырақ реометрі қозғалмалы немесе бекітілген жапырақтың иілгіштігіне байланысты ағын өрісіндегі шағын өзгерістерді пайдаланып, төмен тұтқырлықтағы сұйықтықтарды өлшеудің дәлдігін арттырады (кейде қанат немесе бір жақты бекітілген консоль деп аталады).