Введение

Научный прибор, используемый для измерения потока жидкости (реология) Реометр - это лабораторное устройство, используемое для измерения того, как вязкая жидкость (жидкость, суспензия или настойка) течет в ответ на воздействие сил. Он используется для тех жидкостей, которые не могут быть определены одним значением вязкости и поэтому требуют установки и измерения большего количества параметров, чем в случае с вискометром. Он измеряет реологию жидкости. Существует два совершенно разных типа реометров. Реометры, которые контролируют применяемое сдвижное напряжение или сдвижное напряжение, называются ротационными или сдвижными реометрами, тогда как реометры, которые применяют экстенсионное напряжение или экстенсионное напряжение, являются экстенсионными реометрами. Ротационные или реометры сдвигового типа обычно проектируются как инструмент, контролируемый исходной нагрузкой (контролируют и применяют пользовательский сдвижной нагрузки, который затем может измерять полученный сдвижной напряжение) или как инструмент, контролируемый исходной нагрузкой (контролируют и применяют пользовательский сдвижной напряжения и измеряют полученный сдвижной напряжение).

Значение и происхождение

Слово "реометр" происходит от греческого и означает устройство для измерения основного потока. В XIX веке оно обычно использовалось для устройств для измерения электрического тока, пока слово не было заменено гальванометром и амперметром. Он также использовался для измерения потока жидкостей, в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). В некоторых районах последнее использование сохранялось до второй половины 20-го века. После создания термина реология слово стало применяться к приборам для измерения характера, а не количества потока, а другие значения устарели. Принцип работы реометров описан в нескольких текстах.

Линейная сдвига

Одним из примеров линейного реометра сдвига является линейный реометр кожи Goodyear, который используется для тестирования косметических кремов и в медицинских исследованиях для количественного определения эластичных свойств тканей. Устройство работает путем прикрепления линейного зонда к поверхности испытываемой ткани, применяется контролируемая циклическая сила, а полученная сила сдвига измеряется с помощью нагрузочной ячейки. Смещение измеряется с помощью LVDT. Таким образом, основные параметры напряжения и натяжения фиксируются и анализируются для вычисления динамической скорости пружины испытываемой ткани.

Трубопроводная или капиллярная

Жидкость проталкивается через трубку постоянного поперечного сечения и точно известных размеров в условиях ламинарного потока. Либо скорость потока, либо падение давления фиксируются, а другое измеряется. Зная размеры, скорость потока может быть преобразована в значение скорости сдвига, а падение давления - в значение напряжения сдвига. Изменение давления или потока позволяет определить кривую потока. Когда для реометрической характеристики доступно относительно небольшое количество жидкости, для измерения падения давления при контролируемом расходе можно использовать микрофлюидный реометр с встроенными датчиками давления. Капилярные реометры особенно полезны для характеристики терапевтических растворов белка, поскольку они определяют способность к шприцеванию. Кроме того, существует обратная связь между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.

Реометр динамического сдвига

Динамический реометр сдвига, обычно известный как DSR, используется для исследований и разработок, а также для контроля качества при производстве широкого спектра материалов. Динамические реометры сдвига используются с 1993 года, когда Superpave использовался для характеристики и понимания реологических свойств асфальтовых связующих веществ при высоких температурах как в расплавленном, так и в твердом состоянии, и имеет основополагающее значение для формулирования химии и прогнозирования конечных характеристик использования этих материалов.

Ротационный цилиндр

Жидкость помещается в кольцевой части одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается с заданной скоростью. Это определяет скорость сдвига внутри кольца. Жидкость имеет тенденцию тянуть другой цилиндр вокруг, и сила, которую она оказывает на этот цилиндр (мотор), измеряется, что может быть преобразовано в сдвижное напряжение. Одной из версий этого является вискометр Fann V G, который работает на двух скоростях (300 и 600 оборотов в минуту) и, следовательно, дает только две точки на кривой потока. Этого достаточно для определения модели пластиковой конструкции Бингема, которая когда-то широко использовалась в нефтяной промышленности для определения характеристики потока буровых жидкостей. В последние годы реометры, которые вращаются со скоростью 600, 300, 200, 100, 6 и 3 оборотов в минуту, стали более распространенными. Это позволяет использовать более сложные модели жидкостей, такие как Herschel Bulkley. Некоторые модели позволяют непрерывно увеличивать и уменьшать скорость запрограммированным образом, что позволяет измерять свойства, зависящие от времени.

Конус и пластина

Жидкость помещают на горизонтальную пластину и помещают в нее мелкий конус. Угол между поверхностью конуса и пластиной составляет около 1 2 градусов, но может варьироваться в зависимости от типа проводимых испытаний. Обычно пластинку поворачивают, а крутящий момент на конусе измеряют. Известным вариантом этого инструмента является реогониометр Вайссенберга, в котором движению конуса противостоит тонкий кусок металла, который крутится, известный как торсионный прут. Известный ответ торсионной стержни и степень поворота дают нагрузку на сдвиг, а скорость вращения и размеры конуса дают скорость сдвига. В принципе, реогониометр Вайссенберга является абсолютным методом измерения при условии его точной настройки. Другие приборы, работающие по этому принципу, могут быть проще использовать, но требуют калибровки с известной жидкостью. Реометры конуса и пластины также могут работать в колебательном режиме для измерения эластичных свойств или в комбинированных режимах вращения и колебания.

Типы экстенсионных реометров

Развитие экстенсионных реометров происходило медленнее, чем реометров сдвига, из-за проблем, связанных с созданием однородного экстенсионного потока. Во-первых, взаимодействие испытуемой жидкости или расплава с твердыми поверхностями приведет к компоненту сдвижного потока, который поставит под угрозу результаты. Во-вторых, необходимо контролировать и знать историю деформации всех элементов материала. В-третьих, скорость и уровень деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растянуть полимерные цепи за пределы их обычного радиуса вращения, что требует инструментации с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием. Коммерчески доступные экстенсионные реометры были разделены в соответствии с их применимостью к диапазонам вязкости. Материалы с диапазоном вязкости от приблизительно 0,01 до 1 Па. с. (большинство полимерных растворов) лучше всего характеризуются реометрами распада капилляров, противоположными струйными устройствами или системами сжатия потока. В реометрах для растяжения нитей используются материалы с диапазоном вязкости приблизительно от 1 до 1000 Па. с. Материалы с высокой вязкостью > 1000 Па.с., такие как полимерные расплавы, лучше всего характеризуются устройствами постоянной длины. Экстенсионная реометрия обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации при натяжении. Этот тип деформации может возникать во время обработки, например, при литьевой формовании, пряди волокна, экструзии, литьевой формовании и потоках покрытия. Это также может произойти во время использования, например, при декохезии клеев, откачке мыла для рук и обработке жидких пищевых продуктов. Перечень экстенсионных реометров, доступных в настоящее время и ранее, приведен в таблице ниже.

Реометры экстенсионные, имеющиеся в продаже

Наименование инструмента Диапазон вязкости [Pa. s] Тип потока Производитель В настоящее время продается Ревтоны >100 Фиброволокно, спиннинг Goettfert CaBER 0,01 10 Капилляры распадаются Термонаучный Сентманентский экстенсионный реометр >10000 Постоянная длина X Расширение инструментов FiSER 11000 Филамент, растягивающийся Cambridge Polymer GroupVADER>100 Контролируемое растяжение филаментаRheo Филамент Раньше продавался RFX 0,01 1 Противоположный струя Ревметрический научный RME >10000 Постоянная длина Ревметрический научный MXR2 >10000 Постоянная длина Магнитные проекты

Реотены

Rheotens - это реометр для пряжи волокон, подходящий для полимерных расплавов. Материал закачивается из трубки, которая находится вверх по течению, а набор колес удлиняет нить. Передатчик силы, установленный на одном из колес, измеряет полученную силу протяжения. Из-за предварительного сдвига, вызванного транспортировкой жидкости через трубку вверх по течению, истинную экстенсионную вязкость трудно получить. Однако, Ревтоны полезны для сравнения свойств расширения потока гомологичного набора материалов.

КАБЕР

CaBER - это реометр распада капилляров. Небольшое количество материала помещается между пластинами, которые быстро растягиваются до определенного уровня напряжения. Диаметр средней точки контролируется в зависимости от времени, когда жидкая нить сжимается и ломается под воздействием поверхностного напряжения, гравитации и вязкоэластичности. Экстенсионная вязкость может быть получена из данных как функция деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернил, красок, клеев и биологических жидкостей.

Физер

FiSER (филаментный растягивающий экстенсионный реометр) основан на работах Сридхара и др. и Анна и другие. В этом инструменте набор линейных двигателей разъединяет жидкостную нить с экспоненциально возрастающей скоростью, измеряя силу и диаметр в зависимости от времени и положения. При деформации с экспоненциально возрастающей скоростью можно достичь постоянной скорости деформации образцов (за исключением ограничений потока на концевой пластине). Эта система может контролировать экстенсионную вязкость, зависящую от напряжения, а также распад напряжения после прекращения потока. Подробный обзор различных применений реометрии растяжения нитей можно найти на веб-сайте MIT.

Сэнтман

Расширенный реометр Sentmanat (SER) - это фактически прибор, который может быть установлен на реометрах сдвига. Полимерная пленка накручивается на два вращающихся барабана, которые применяют постоянную или переменную деформацию на полимерной пленке. Напряжение определяется от крутящего момента, оказываемого барабанами.

Акустический реометр

Акустические реометры используют пьезоэлектрический кристалл, который может легко запускать последовательную волну расширений и сжатий в жидкости. Этот метод без контакта применяет колебательное расширение напряжения. Акустические реометры измеряют скорость звука и ослабление ультразвука для множества частот в диапазоне мегагерц. Скорость звука - это мера эластичности системы. Его можно преобразовать в сжимаемость жидкости. Ослабление - это мера вязких свойств. Его можно преобразовать в вязкий продольный модуль. В случае с ньютоновской жидкостью ослабление дает информацию о объемной вязкости. Этот тип реометра работает на гораздо более высоких частотах, чем другие. Он подходит для изучения эффектов с гораздо более короткими временем релаксации, чем любой другой реометр.

Падающая пластина

Проще версия риометра натяжения нитей, падающая плита риометра сэндвичей жидкости между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина закреплена, а нижняя пластина падает под влиянием гравитации, вытягивая струну жидкости.

Капилляры/сокращение потока

Другие системы включают в себя жидкость, проходящую через отверстие, расширяющуюся из капилляра или всасываемую из поверхности в колонку вакуумом. Капилярный реометр под давлением может использоваться для разработки термической обработки жидкой пищи. Эти приборы могут помочь предотвратить переработку жидких продуктов питания, поскольку экстраполяция на высокие температуры не будет необходима.