Ротационный вискозиметр – измеряем вязкость правильно!

Для измерения вязкости различных жидкостей используется вискозиметр ротационный и другие приборы для оценки проницаемости среды. Измерениям подлежит как динамическая, так и кинематическая вязкость различных текущих веществ и даже газов.

Разновидности вискозиметров

Для вискозиметрии используются следующие виды приборов:

1. Капиллярные устройства. Обычно снабжены высокоточным таймером, принцип работы связан с фиксацией времени протекания жидкости через тонкую трубку известного диаметра. Рядом располагается широкая трубка, по которой жидкость перемещается без капиллярного эффекта. Как правило, вытекание по обеим трубкам происходит под действием силы тяжести (то есть выпускные патрубки располагается внизу емкости), но возможно и искусственное нагнетание давления. Измеренная капиллярными вискозиметрами вязкость точно пропорциональна разнице скорости истечения среды по капилляру и широкому патрубку. Данные приборы сравнительно просты, но громоздки. Их с успехом применяют для замеров коэффициентов вязкости от 8-10 мкПа∙с (что соответствует газам) до 10-12 кПа∙с (текучие жидкости). Для вязких жидкостей и смесей с комками капиллярное измерение не годится – краска или густая известковая побелка попросту не вытекут через тонкую трубку. Наиболее известный прибор капиллярного типа – вискозиметр Уббелоде.
2. Механические вискозиметры. Представляют целый набор оригинальных и даже остроумных устройств с различным принципом работы. Например, измерители пузырькового типа функционируют на основе всплывающих в жидкости пузырьков газа, причем замерам подлежит не только время "всплытия", но и траектория движения. Интересны приборы с вибрирующим зондом – подбирая колебания лопастей зонда, можно ввести их в резонанс с собственной частотой среды. Тем самым снимаются значения как вязкости, так и плотности жидкости. Механическое оборудование пузырькового и резонансного типа для измерения вязкости применяется в точных лабораторных исследованиях и в быту практически не встречается. Более простые и доступные устройства для оценки вязкости работают на основе принципа, изобретенного еще великим Галилеем. Внутри емкости с жидкостью имеется своеобразная кабинка-лифт, в которую помещен обычный шарик. При отвесном падении этого шарика время его погружения до контактной площадки можно вычислить с высокой точностью, что равноценно измерению вязкости среды. Наиболее известным "шариковым" прибором является вискозиметр Гепплера.

Однако наибольшее распространение за счет малой погрешности, компактности, универсальности и бюджетной доступности получил ротационный прибор. Принцип его действия и популярные модификации этого прибора опишем отдельно.

Ротационный вискозиметр – принцип работы и разновидности прибора

В приборах ротационного типа имеется два тела вращения – корпус в виде цилиндра и встроенный в него конус или сфера. Внутренняя часть прибора (сфера или конус) движется с известной скоростью, для чего служит электропривод. Пространство между двумя телами вращения заполняется исследуемой жидкостью. Существует четкая зависимость между сопротивлением измеряемой среды и достигаемой скоростью углового вращения, эта зависимость фиксируется приборами и может сразу же выводиться на контрольную панель.

Именно так устроен наиболее простой ротационный вискозиметр Брукфильда. Его ротор сопряжен с асинхронным электродвигателем, закрепленным на станине снаружи. Конструктивное решение схоже с обыкновенной самодельной бетономешалкой – причем вполне допустимо измерять ротационными приборами вязкость таких тяжелых и густых субстанций, как цементный раствор или густая побелка. Известны вискозиметры с различными телами для внутреннего вращения. Ими могут служить не только классические конусы и сферы, но и диски, пластины и цилиндры.

Величина оставляемого зазора между телом вращения и неподвижной стенкой варьируется в пределах нескольких миллиметров для ощутимой силы трения между жидкостью и корпусом. Точно градуированный электродвигатель вращает внутренний ротор, специальные датчики измеряют силу сопротивления этому вращению. Как правило, фиксирующая аппаратура размещается на внутренней стороне неподвижного корпуса. Чем больше датчиков, тем точнее прибор и выше его стоимость.

Диапазон измерений у ротационных вискозиметров начинается от тысяч [Па*сек] и достигает миллионов [Па*сек]. Важным параметром является допустимая скорость вращения ротора – она может быть ничтожно малой, от 1 полного оборота за две минуты, и достигать двойного умножения частоты стандартной электросети (то есть 100 оборотов в минуту). Если верхний предел в 100 Герц реализуется достаточно просто, то миниатюрная скорость углового вращения свойственна вискозиметрам высокого класса точности и весьма ощутимой стоимости.

Из недостатков ротационных конструкций можно отметить неизбежный износ вращающихся частей, который накладывает отпечаток на корректность снимаемых показаний.

Именно поэтому приборы с медленным вращением ценятся выше – они медленнее изнашиваются и дольше служат по назначению без замены роторов и осей. Кроме того, приводимая в движение жидкость в зазоре должна обладать ламинарным течением. Когда ее течение становится турбулентным (опять же, при высоких скоростях вращения внутреннего конуса или сферы), фиксируемые показатели вязкости будут совершенно неточными.

Как корректируется измеренная вязкость?

Мало выяснить вязкость жидкости посредством ротационного, механического или капиллярного вискозиметра. Данная характеристика субстанции вполне подлежит корректировке, что известно любому отделочнику или ремонтнику. Излишне жидкий раствор для штукатурки "течет" и не держится на вертикальных поверхностях, а слишком "крутой" не сможет проникнуть в глубокие трещины и выбоины.

Если штукатур устраняет такие проблемы самостоятельно и без всяких приборов (попросту добавляя в раствор цемент, гипс или алебастр), то для модификации показателей вязкости красок, лаков, грунтовок, трансмиссионных и гидравлических масел ремонтных жидкостей используются иные методы:

• Полибутен – классическая присадка для уменьшения густоты, сейчас почти не используется;
• Полиметилакрилатные добавки эффективно препятствуют образованию кристаллов воска, поэтому их применяют для достаточной текучести масел и смазок, в том числе в условиях низких температур;
• Олефиновые полимеры используются в формулах моторных масел, выгодны низкой стоимостью и совместимостью с высокими температурами;
• Стирольные эфиры актуальны для трансмиссионных масел, в том числе для энергосберегающих двигателей внутреннего сгорания и автоматических коробок передач;
• Стирол-диеновые полимеры отличаются максимальной широтой температурного диапазона – их присутствие позволяет составу не застывать в мороз и не разжижаться в жару.

Разумеется, все перечисленные модификаторы применяются для корректировки вязкости в заводских условиях, при наличии лабораторных комплексов и испытательных стендов в химико-лакокрасочном производстве. Однако само наличие в составе приобретаемой продукции модификаторов вязкости может быть действенной подсказкой при разбавлении ценной акриловой краски или дорогостоящего лака. В других же случаях собственноручного ремонта лучше не играть в "юного химика" и купить новую банку масла или гидравлической жидкости вместо экспериментов со старой упаковкой. Токсичность и взрывоопасность таких "игр" могут быть куда реалистичнее, чем виртуальная экономия.