Кіріспе
Сұйықтық ағынын өлшеуге арналған ғылыми аспап (реология) Реометр - сіркелі сұйықтықтың (сүт, суспензия немесе шламор) қолданылған күштерге жауап ретінде ағып кетуін өлшеуге арналған зертханалық құрылғы. Ол тұтқырлықтың бір мәнін анықтауға болмайтын және сондықтан тұтқырлық өлшегішке қарағанда көбірек параметрлерді орнатуды және өлшеуді қажет ететін сұйықтықтар үшін қолданылады. Ол сұйықтықтың реологиясын өлшеуге арналған. Реометрлердің екі түрлі түрі бар. Қолданылатын қисайту кернеуін немесе қисайту тартылуын басқаратын реометрлер айналымдық немесе қисайту реометрлері деп аталады, ал экстенсивті кернеуді немесе экстенсивті тартылыс қолданатын реометрлер экстенсивті реометрлер болып табылады. Ротациялық немесе қисайту реометрлері әдетте өздігінен кернеуді бақылайтын аспап ретінде (қолданушы анықтаған қисайту кернеуін бақылап, қолданады, содан кейін ол алынған қисайту кернеуін өлшеуге болады) немесе өздігінен кернеуді бақылайтын аспап ретінде (қолданушы анықтаған қисайту кернеуін бақылап, қолданады және алынған қисайту кернеуін өлшеуге болады) жобаланады.
A rheometer is a laboratory device used to measure the way in which a viscous fluid (a liquid, suspension or slurry) flows in response to applied forces. It is used for those fluids which cannot be defined by a single value of viscosity and therefore require more parameters to be set and measured than is the case for a viscometer. It measures the rheology of the fluid. There are two distinctively different types of rheometers. Rheometers that control the applied shear stress or shear strain are called rotational or shear rheometers, whereas rheometers that apply extensional stress or extensional strain are extensional rheometers. Rotational or shear type rheometers are usually designed as either a native strain controlled instrument (control and apply a user defined shear strain which can then measure the resulting shear stress) or a native stress controlled instrument (control and apply a user defined shear stress and measure the resulting shear strain).
Мағынасы мен шығу тегі
Реометр сөзінің грекше аты бар, ол негізгі ағынды өлшейтін құрылғыны білдіреді. 19 ғасырда бұл сөз гальванометр мен амперметрмен алмастырылғанға дейін электр тоғын өлшейтін құрылғыларда кеңінен қолданылған. Ол сондай-ақ сұйықтықтардың ағынын өлшеу үшін, медициналық тәжірибеде (қан ағыны) және азаматтық инженерлік (су ағыны) үшін пайдаланылды. Кейбір аймақтарда соңғысы 20 ғасырдың екінші жартысына дейін қолданылды. Реология термині пайда болғаннан кейін бұл сөз ағыстың мөлшерін емес, сипатын өлшейтін аспаптарға қолданыла бастады, ал басқа мағыналар ескірген. Реометрдің принципі мен жұмыс істеу әдісі бірнеше мәтіндерде сипатталған.
Сызықтық қию
Сызықтық қисайту реометрінің бір мысалы - Goodyear сызықтық тері реометрі, ол косметикалық крем формулаларын сынау үшін және медициналық зерттеу мақсатында ұлпаның иілгіш қасиеттерін өлшеу үшін қолданылады. Құрылғы сыналатын тіннің бетіне сызықтық зондты бекіту арқылы жұмыс істейді, бақыланатын циклдік күш қолданылады және алынған қию күші жүктемелі элементпен өлшенеді. Көшіру LVDT арқылы өлшенеді. Осылайша негізгі стресс-түйін параметрлері жинақталып, талданғаннан кейін сыналатын тіннің динамикалық серпіліс жылдамдығы анықталады.
Құбыр немесе капилляр
Сұйықтық ламинарлы ағынды жағдайда тұрақты қималы және дәл белгілі өлшемді түтік арқылы өткізіледі. Ағындылық жылдамдығы немесе қысымның төмендеуі белгіленеді, ал екіншісі өлшенеді. Өлшемін білгеннен кейін ағынды жылдамдықты қисайту жылдамдығының мәніне, ал қысымды құлдырауды қисайту кернеуінің мәніне айналдыруға болады. Қысымды немесе ағысты өзгертіп, ағыс қисығын анықтауға болады. Реометриялық сипаттау үшін салыстырмалы түрде аз мөлшерде сұйықтық бар болған кезде, бақыланатын ағындық жылдамдық үшін қысымның төмендеуін өлшеу үшін кіріктірілген қысым сенсорлары бар микрофлюидтық реометрді пайдалануға болады. Капиллярлық реометрлер терапиялық ақуыз ерітінділерін сипаттау үшін өте тиімді, өйткені ол шприцпен қолдануға қабілеттілігін анықтайды. Сонымен қатар, реометрия мен ерітінді тұрақтылығы, сондай-ақ термодинамикалық өзара іс-қимылдар арасында кері байланыс бар.
Динамикалық қисаю реометрі
Әдетте DSR деп аталатын динамикалық қисайту реометрі ғылыми-зерттеу және әзірлеуде, сондай-ақ көптеген материалдарды өндірудегі сапаны бақылауда қолданылады. Динамикалық қисайту реометрлері 1993 жылдан бері қолданылып келеді, ол Superpave асфальт байлаушы материалдардың жоғары температурадағы реологиялық қасиеттерін қатаю және қатты күйде сипаттау және түсіну үшін пайдаланылды және химияны қалыптастыру және осы материалдардың соңғы пайдалану өнімділігін болжау үшін маңызды.
Айналатын цилиндр
Сұйықтық бір цилиндрдің екінші цилиндрдің ішіндегі сақинасына орналастырылады. Цилиндрлердің бірі белгіленген жылдамдықпен айналады. Бұл аннулдың ішіндегі қиып алу жылдамдығын анықтайды. Сұйықтық екінші цилиндрді айналдыра сүйреуге бейімделеді және оның цилиндрге әсер ететін күші (торек) өлшенеді, оны қию кернеуіне айналдыруға болады. Бұның бір нұсқасы - Фанн V G вискометр, ол екі жылдамдықта (300 және 600 айналымда) жұмыс істейді, сондықтан тек екі нүкте береді. Бұл мұнай өнеркәсібінде бұрғылау сұйықтықтарының ағыс сипатын анықтау үшін бұрын кеңінен қолданылған Бингхам пластикалық моделін анықтау үшін жеткілікті. Соңғы жылдары 600, 300, 200, 100, 6 және 3 айналымда айналатын реометрлер кең таралған. Бұл Гершель-Булкли сияқты күрделі сұйықтықтарды пайдалануды қамтамасыз етеді. Кейбір модельдер жылдамдықты үнемі бағдарламалық түрде арттырып және азайтуға мүмкіндік береді, бұл уақытқа тәуелді қасиеттерді өлшеуге мүмкіндік береді.
Конус және пластина
Сұйықтық көлденең тақтаға қойылады және оған терең емес конус салынады. Конус пен пластинканың аралығы 1°2 градус шамасында, бірақ жүргізілетін сынақтардың түріне байланысты өзгеруі мүмкін. Әдетте тақта айналады және конустағы айналым күші өлшенеді. Бұл аспаптың белгілі нұсқасы - Вайсенберг реогониометрі, онда конустың қозғалысына торсиялық бар деп аталатын иілгіш металл бөлшегі қарсы тұрады. Торсиялық штанганың белгілі реакциясы мен бұрылу дәрежесі қисайту кернеуін береді, ал айналу жылдамдығы мен конус өлшемдері қисайту жылдамдығын береді. Принцип бойынша Вейссенберг реогониометрі - бұл дәл орнатылған жағдайда өлшеудің абсолютті әдісі. Осы принцип бойынша жұмыс істейтін басқа аспаптарды пайдалану оңайырақ болуы мүмкін, бірақ белгілі сұйықтықпен калибрлеуді қажет етеді. Конус және пластинкалы реометрлер, сондай-ақ, эластикалық қасиеттерді өлшеу үшін тербелістік режимде немесе айналмалы және тербелістік режимдерді біріктіре отырып жұмыс істей алады.
Экстенциялық реометрдің түрлері
Экстенсиондық реометрлерді әзірлеу экстенсиондық ағыны біртекті болуына байланысты қиындықтарға байланысты қисайту реометрлеріне қарағанда баяу жүргізілді. Біріншіден, сынақ сұйықтығының немесе балқытудың қатты интерфейстермен өзара әрекеттесуі шырышты ағыстың компонентіне әкеледі, бұл нәтижелерге қауіп төндіреді. Екіншіден, барлық материал элементтерінің штаммдық тарихы бақылауға және белгілі болуға тиіс. Үшіншіден, шикілеу жылдамдығы мен шикілеу деңгейі полимерлік тізбектерді қалыпты айналу радиусынан тыс созу үшін жеткілікті жоғары болуы керек, бұл үлкен деформация жылдамдықтары мен үлкен жол қашықтығын талап ететін аспаптарды қажет етеді. Коммерциялық экстенциялық реометрлер олардың тұтқырлық диапазондарына қолданылуына қарай бөлінген. Сiлiктiлiгi шамамен 0,01 - 1 Па. с. аралығында (полимерлiк ерiтiндiлердiң көпшiлiгi) материалдарды капиллярлық бөлiну реометрлерi, қарама-қарсы ағыс құрылғылары немесе ығысу ағыны жүйелерiмен сипаттау ең жақсы. Қиындықты өлшегіштерде 1 - 1000 Па. с аралығындағы тұтқырлық диапазоны бар материалдар қолданылады. Жоғары тұтқырлығы 1000 Па.с. жоғары материалдар, мысалы полимерлі еріген заттар, тұрақты ұзындығы бар құрылғылармен жақсы сипатталады. Экстенсиондық реометрия әдетте созылу деформациясына ұшыраған материалдарда жүргізіледі. Бұл түрдегі деформация өңдеу кезінде, мысалы, инъекциялық қалыптау, талшықты илеу, экструзия, үрлеу және қаптау ағыны кезінде пайда болуы мүмкін. Ол сондай-ақ пайдалану кезінде, мысалы, жабысқақ заттардың ыдырауынан, қол сабындарын сорғылаудан және сұйық тамақ өнімдерін өңдеуден пайда болуы мүмкін. Төмендегі кестеде қазіргі және бұрын сатылған экстенсивті реометрлердің тізімі көрсетілген.
Саудада қолданылатын экстенсивті реометрлер
Құрал атауы Сiңiмдiлiк диапазоны [Pa. s] Ағынның түрі Өндіруші Қазіргі уақытта сатылатын реотендер >100 Желдің оралуы Goettfert CaBER 0,01 10 Капиллярдың ыдырауы Термо ғылыми Sentmanat экстенсивті реометр >10000 Тұрақты ұзындығы X кеңейту аспаптары FiSER 11000 Филамент созылуы Кембридж полимерлік тобыVADER>100 Бақыланатын филамент созылуыRheo Филамент Бұрын сатылатын RFX 0,01 1 Қарсы Jet Rheometric Scientific RME >10000 ұзындығы Тұрақты Реометриялық ғылыми MXR2 >10000 Тұрақты ұзындығы Магнит жобалары
Реотендер
Rheotens - полимерлік балқымаларға арналған талшықты оралатын реометр. Материалды жоғары ағыстағы түтікшеден сорғылап, дөңгелектер тізбегі ұзын жіпке айналдырады. Дөңгелектердің біріне орнатылған күш трансформаторы алынған экстенсиялық күшті өлшейді. Сұйықтық үстірт түтік арқылы тасымалданатын кезде пайда болатын алдын ала қиюдың салдарынан шынайы экстенсиондық тұтқырлықты алу қиын. Алайда, Rheotens материалдардың гомологты жиынтығының экстенциялық ағыс қасиеттерін салыстыру үшін пайдалы.
КАБЕР
КАБЕР - бұл капиллярлық бөліну реометрі. Бірнеше пластиналар арасында аз мөлшерде материал орналастырылады, олар жылдамда белгілі бір деңгейге дейін созылады. Орта нүкте диаметрі уақыт функциясы ретінде бақыланады, өйткені сұйықтық сүт өңі беткі кернеу, ауырлық және вискоэластикалық күштің біріктірілген күшімен бұзылады. Экстенциялық тұтқырлықты деформация мен деформация жылдамдығының функциясы ретінде деректерден алуға болады. Бұл жүйе төмен тұтқырлықтағы сұйықтықтар, сиялар, бояулар, желімдер және биологиялық сұйықтықтар үшін пайдалы.
Физер
FiSER (филаментті созылатын экстенсионды реометр) Сридар және басқалардың жұмыстарына негізделген. және Анна және басқалар. Бұл аспапта сызықтық моторлар жиынтығы уақыт пен орынның функциясы ретінде күш пен диаметрді өлшегенде, сұйықтық сүретті экспоненциалды түрде өсетін жылдамдықпен ажыратады. Экспоненциалды түрде өсіп келе жатқан жылдамдықпен деформациялану арқылы үлгілерде тұрақты шиелену жылдамдығына қол жеткізуге болады (соңғы пластинаның ағыны шектеулі). Бұл жүйе деформацияға тәуелді экстенциялық тұтқырлықты, сондай-ақ ағыны тоқтағаннан кейін кернеудің ыдырауын бақылай алады. Қиындықтарды созу реометриясының әртүрлі қолданылулары туралы толық баяндаманы MIT веб-сайтынан табуға болады.
Сентман
Sentmanat экстенсиондық реометр (SER) - бұл шын мәнінде қисайту реометрлеріне орнатылатын құрылғы. Полимер пленкасы екі айналатын барабанға оралады, олар полимер пленкасына тұрақты немесе өзгермелі шиналы жылдамдықпен экстенциялық деформация жасайды. Кернеу барабандардың әсер ету моментінен анықталады.
Акустикалық реометр
Акустикалық реометрлер пьезоэлектрлік кристалды қолданады, ол сұйықтыққа бірінен соң бірі кеңейіп, жиырылатын толқындарды оңай жібере алады. Бұл байланыссыз әдіс тербелісті экстенциялық кернеуді қолданады. Акустикалық реометрлер мегагерц диапазонындағы жиіліктер жиынтығы үшін ультрадыбыстың дыбыс жылдамдығын және әлсіреуін өлшейді. Дыбыс жылдамдығы - жүйелік серпімділіктің өлшемі. Оны сұйықтық қысылмалылығына айналдыруға болады. Атенуация - бұл тұтқыр қасиеттердің өлшемі. Оны тұтқыр бойлық модульге айналдыруға болады. Ньютондық сұйықтық жағдайында аттенюация көлемдік тұтқырлық туралы ақпарат береді. Реометрдің бұл түрі басқаларына қарағанда әлдеқайда жоғары жиілікте жұмыс істейді. Бұл кез келген басқа реометрге қарағанда әлдеқайда қысқа демалу уақыттары бар әсерлерді зерттеуге жарамды.
Төмен түсетін тақта
Қиындықты созу реометрінің қарапайым нұсқасы, құлау пластинасы реометр сұйықтықты екі қатты беттің арасында сэндвичтей етеді. Жоғарғы пластина бекітіледі, ал төменгі пластина тартылыс әсерінен сұйықтықтың жолын тартып, құлайды.
Капиллярлық/сығу ағыны
Басқа жүйелер сұйықтықтың тесіктен өтуін, капиллярдан кеңейуін немесе беттен вакуум арқылы бағанаға сіңіруін қамтиды. Қысымды капиллярлы реометр сұйық тамақты жылумен өңдеуді жобалау үшін пайдаланылуы мүмкін. Бұл аспаптар сұйық тағамдарды шамадан тыс және аз өңдеуді болдырмауға көмектеседі, өйткені жоғары температураға экстраполяция қажет болмайды.