Введение

Вискометр (также называемый вискозиметром) — это прибор, используемый для измерения вязкости жидкости. Для жидкостей, вязкость которых изменяется в зависимости от условий течения, используется прибор, называемый реометром. Таким образом, реометр можно рассматривать как особый тип вискометра. Вискометры могут измерять только постоянную вязкость, то есть вязкость, не изменяющуюся с условиями течения. Как правило, либо жидкость остается неподвижной, а объект перемещается сквозь нее, либо объект неподвижен, а жидкость течет мимо него. Сопротивление, возникающее при относительном движении жидкости и поверхности, является мерой вязкости. Условия течения должны обеспечивать достаточно низкое значение числа Рейнольдса для поддержания ламинарного потока. При 20°C динамическая вязкость (кинематическая вязкость × плотность) воды составляет 1,0038 мПа·с, а ее кинематическая вязкость (произведение времени течения × коэффициент) — 1,0022 мм²/с. Эти значения используются для калибровки определенных типов вискометров.

Вискометры в U-трубке

Эти устройства также известны как стеклянные капиллярные вязкомеры или вязкомеры Оствальда, названные в честь Вильгельма Оствальда. Другой вариант – вязкомер Уббелоде, который состоит из U-образной стеклянной трубки, удерживаемой вертикально в термостатированной бане. В одной из ветвей U-образной трубки находится вертикальный участок с прецизионным узким каналом (капилляром). Над ним расположена расширительная емкость, а ниже – другая расширительная емкость во второй ветви. При использовании жидкость всасывается в верхнюю емкость, а затем под действием силы тяжести протекает вниз через капилляр в нижнюю емкость. Две метки (одна выше и одна ниже верхней емкости) обозначают известный объем. Время, за которое уровень жидкости проходит между этими метками, пропорционально кинематической вязкости. Калибровку можно проводить с использованием жидкости с известными свойствами. Большинство коммерческих приборов поставляются с коэффициентом пересчета. Измеряется время, необходимое для прохождения исследуемой жидкости через капилляр известного диаметра с определенным коэффициентом между двумя метками. Умножив затраченное время на коэффициент вязкомера, получают кинематическую вязкость. Такие вязкомеры можно классифицировать как прямоточные или обратноточные. В обратноточных вязкомерах резервуар расположен выше меток, а в прямоточных – ниже. Такая классификация позволяет определять уровень даже при измерении непрозрачных или окрашивающих жидкостей, иначе жидкость перекроет метки, и станет невозможно определить время прохождения уровня через метку. Это также позволяет вязкомеру иметь более одного набора меток, что дает возможность получить два значения времени и, следовательно, выполнить последующий расчет воспроизводимости для обеспечения точных результатов. Использование двух измерений времени в одном вязкомере за один цикл возможно только в том случае, если исследуемый образец обладает ньютоновскими свойствами. В противном случае изменение гидростатического давления, которое, в свою очередь, изменяет скорость сдвига, приведет к разной вязкости для двух емкостей.

Вискометр с падающим поршнем

Также известный как вязкомер Норкросса в честь его изобретателя, Остина Норкросса. Принцип измерения вязкости в этом прочном и чувствительном промышленном приборе основан на поршневой цилиндрической сборке. Поршень периодически поднимается пневматическим механизмом, втягивая измеряемый материал через зазор между поршнем и стенкой цилиндра в пространство, образующееся под поршнем при его подъеме. Затем сборка обычно удерживается в течение нескольких секунд, после чего ей дают упасть под действием силы тяжести, выталкивая образец тем же путем, по которому он поступил, что создает сдвиговое воздействие на измеряемую жидкость. Это делает данный вязкомер особенно чувствительным и подходящим для измерения определенных тиксотропных жидкостей. Время падения является мерой вязкости, при этом зазор между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра формирует измерительное отверстие. Контроллер вязкости измеряет время падения (время падения в секундах является мерой вязкости) и отображает полученное значение вязкости. Контроллер может пересчитывать время падения в условные секунды по типу стакана (известные как секунды по стакану), секунды Сейболта (SUS) или сантипуазы. Широкое промышленное применение обусловлено простотой, воспроизводимостью, низкими требованиями к обслуживанию и долговечностью. На данный тип измерений не влияют скорость потока или внешние вибрации. Принцип работы может быть адаптирован к различным условиям, что делает его идеальным для систем управления технологическими процессами.

Вискометр с колебательным поршнем

Иногда называемый электромагнитным вискометром или EMV-вискометром, был изобретен в компании Cambridge Viscosity (ранее Cambridge Applied Systems) в 1986 году. Датчик (см. рисунок ниже) состоит из измерительной камеры и поршня, на который воздействует магнитное поле. Измерения проводятся путем введения образца сначала в температурно-контролируемую измерительную камеру, где находится поршень. Электроника приводит поршень в колебательное движение внутри измерительной камеры с помощью управляемого магнитного поля. При движении поршня на жидкость (или газ) воздействует напряжение сдвига, а вязкость определяется путем измерения времени прохождения поршня. Параметры конструкции, такие как кольцевой зазор между поршнем и измерительной камерой, сила электромагнитного поля и расстояние перемещения поршня, используются для расчета вязкости в соответствии с законом вязкости Ньютона. Технология осциллирующего поршневого вискометра была адаптирована для измерения вязкости малых и микрообразцов в лабораторных условиях. Она также была адаптирована для измерения вязкости при высоком давлении и высокой температуре как в лабораторных, так и в производственных условиях. Датчики вязкости были адаптированы для широкого спектра промышленных применений, таких как компактные вискометры для использования в компрессорах и двигателях, проточные вискометры для процессов окунающего нанесения покрытий, встроенные вискометры для использования на нефтеперерабатывающих заводах и сотни других применений. Повышение чувствительности благодаря современной электронике стимулирует рост популярности осциллирующих поршневых вискометров в академических лабораториях, изучающих вязкость газов.

Виброизмерители

Вибрационные вискометры берут свое начало с прибора Bendix 1950-х годов, относящегося к классу приборов, работающих путем измерения демпфирования колеблющегося электромеханического резонатора, погруженного в жидкость, вязкость которой необходимо определить. Резонатор обычно колеблется в режиме кручения или поперечно (в виде консольной балки или камертона). Чем выше вязкость, тем сильнее демпфирование, воздействующее на резонатор. Демпфирование резонатора может быть измерено одним из нескольких способов:

Измерение мощности, необходимой для поддержания постоянной амплитуды колебаний осциллятора. Чем выше вязкость, тем больше энергии требуется для поддержания амплитуды колебаний. Измерение времени затухания колебаний после отключения возбуждения. Чем выше вязкость, тем быстрее затухает сигнал. Измерение частоты резонатора в зависимости от фазового угла между возбуждающим и ответным сигналами. Чем выше вязкость, тем больше изменение частоты при заданном изменении фазы. Вибрационный прибор также страдает от отсутствия четко определенного поля сдвига, что делает его непригодным для измерения вязкости жидкостей, поведение потока которых неизвестно заранее. Вибрационные вязкомеры – это надежные промышленные системы, используемые для измерения вязкости непосредственно в процессе. Активная часть датчика – вибрирующий стержень. Амплитуда вибрации изменяется в зависимости от вязкости жидкости, в которую погружен стержень. Эти вискозиметры подходят для измерения забивающихся жидкостей и жидкостей с высокой вязкостью, включая содержащие волокна (до 1000 Па·с). В настоящее время многие отрасли промышленности во всем мире считают эти вискометры наиболее эффективной системой для измерения вязкости широкого спектра жидкостей; в отличие от них, ротационные вискометры требуют большего обслуживания, не способны измерять забивающиеся жидкости и нуждаются в частой калибровке после интенсивного использования. Вибрационные вискометры не имеют движущихся частей и слабых мест, а чувствительная часть обычно небольшая. Даже сильно щелочные или кислые жидкости можно измерять, добавляя защитное покрытие, например эмаль, или заменяя материал датчика на материал, такой как нержавеющая сталь 316L. Вибрационные вискометры являются наиболее широко используемыми встроенными приборами для мониторинга вязкости технологической жидкости в резервуарах и трубопроводах.

Кварцевый вязкомер

Кварцевый вязкометр – это особый тип вибрационного вязкометра. В нем колеблющийся кварцевый кристалл погружается в жидкость, и специфическое влияние на характеристики колебаний определяет вязкость. Принцип кварцевой вискозиметрии основан на идее У. П. Мейсона. Основная концепция заключается в использовании пьезоэлектрического кристалла для определения вязкости. Высокочастотное электрическое поле, приложенное к осциллятору, вызывает движение сенсора и обуславливает сдвиг жидкости. Движение сенсора, в свою очередь, подвержено воздействию внешних сил (напряжения сдвига) со стороны жидкости, что влияет на электрический отклик сенсора. Процедура калибровки, являющаяся обязательным условием определения вязкости с помощью кварцевого кристалла, восходит к Б. Боде, который выполнил детальный анализ электрических и механических характеристик колебательной системы. На основе этой калибровки был разработан кварцевый вязкометр, позволяющий непрерывно измерять вязкость жидкостей как в состоянии покоя, так и при течении.

Вискометр Кребса

Вискометр Кребса использует цифровой график и небольшой боковой шпиндель для измерения вязкости жидкости. Он преимущественно применяется в лакокрасочной промышленности.

Различные вискометры

Другие вискометры используют шары или другие объекты. Вискометры, способные характеризовать неньютоновские жидкости, обычно называют реометрами или пластометрами. Некоторые приборы, такие как капиллярные или VROC® вискометры, могут измерять как ньютоновские, так и неньютоновские жидкости. В вискометре I.C.I. "Oscar" герметичная банка с жидкостью колебалась по кругу, и благодаря сложным методам измерения стало возможным измерить как вязкость, так и эластичность образца. Вязкость в вискометре Марша измеряется по времени (времени истечения), необходимому для истечения известного объема жидкости из основания конуса через короткую трубку. Это принципиально похоже на чашки для определения расхода (efflux чашки), такие как чашки Ford, Zahn и Shell, которые используют различные формы конуса и различные размеры отверстий. Измерения могут проводиться в соответствии с ISO 2431, ASTM D1200 или DIN 53411. Реометр с гибким лезвием повышает точность измерений жидкостей с низкой вязкостью, используя незначительные изменения в поле течения благодаря гибкости движущегося или неподвижного лезвия (иногда называемого крылом или консольным односторонним захватом).