Вязкость (внутреннее трение) – свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:
где F – тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга; S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг; dv/dn – градиент скорости v течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п. Коэффициент пропорциональности η называют динамической вязкостью.
Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие кинематической вязкости: ν = η / ρ.
Единица динамической вязкости с СИ – [Па·с], в системе СГС – [П] (пуаз); единица кинематической вязкости в СИ – [м2 /с], в системе СГС – [ст] (стокс).
Средства измерений вязкости называют вискозиметрами, которые классифицируют по используемому принципу измерений.
Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения). Принцип действия основан на законе ламинарного течения жидкости через капилляр (закон Пуазейля):
где Q – объемный расход жидкости; d и l – внутренний диаметр и длина капилляра; р1 , р2 – давления до и после капилляра по потоку.
Следовательно, для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлений на капилляре.
На рис. показана схема капиллярного вискозиметра, в котором для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос 1, приводимый в движение синхронным двигателем 2.
Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем – в капилляр 4, размеры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значений вязкости. Перепад давлений на капилляре, который пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости, измеряется дифманометром 5. Температура в термостате поддерживается постоянной в диапазоне от 50 до 100°С.
Диапазоны измерений от (0–2) 10-3 Па·с до (0-1000) 10-3 Па·с. Классы точности вискозиметра 1,5 – 2,5 (в зависимости от диапазона измерений).
Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры). Принцип действия основан на измерении скорости (или времени) равномерного движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости:
где v – скорость равномерного падения шарика; ρш – плотность материала шарика, r – радиус шарика.
Обычно измерение скорости сводится к измерению отрезка времени η, за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постоянный отрезок пути между двумя принятыми отметками.
На рис. показана схема шарикового вискозиметра циклического действия.
Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик падает вниз под действием силы тяжести. С помощью дифференциальных трансформаторов 3 и 2 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. Вторичный прибор 10 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость. Класс точности вискозиметра 2%.
Ротационные вискозиметры. Принцип действия основан на зависимости крутящего момента или скорости вращения ротора (цилиндра, диска и т. п.) погруженного в измеряемую среду от вязкости. В общем случае момент описывается выражением:
где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; ω – угловая скорость вращения ротора.
Вискозиметры бывают с постоянной скоростью и постоянным моментом.
В автоматических анализаторах в качестве роторов обычно используются шар, диск, цилиндр. Особенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон измеряемых значений вязкости (0,01 – 1000 Па·с). Классы точности ротационных вискозиметров 1 – 2,5%.
