Спосіб визначення реологічних характеристик консистентних рідин

Спосіб визначення реологічних характеристик консистентних рідин шляхом створення деформа 3 78094 4 джуваної рідини. ру то що) та сталості пружних параметрів нитки У такому способі при коливанні чутливого підвісу посудини. Окрім цього, для вимірювань за елементу в рідині по поверхні контакту досліджудопомогою такого способу необхідно використовуваної рідини із циліндром виникають зсувні напрувати значний об'єм рідини, що у випадку зміни ження. Ця особливість є недоліком застосовувановластивостей рідини в ході вимірювання (наприго способу, оскільки рідини мають низьку міцність клад, при фазовому переході) може значною міна зсув. Внаслідок цього згодом напруження морою змінювати момент інерції системи і, як насліжуть відірвати рідину від поверхні чутливого еледок, спотворювати результати вимірювань. мента, спотворюючи тим самим значення вимірюКрім зазначених недоліків, в способі-прототипі ваного зсувного модуля рідини. при коливанні циліндричної посудини з рідким меВідомий спосіб вимірювання внутрішнього теталом по поверхні контакту досліджуваної рідини ртя та зсувного модуля матеріалів [А.С. СССР із циліндричною посудиною виникають зсувні на№562751. ΜПК2 G01N11/16, бюл. №23, 1977]. пруження. Оскільки рідини мають низьку міцність У такому способі до досліджуваного зразка на зсув, внаслідок цього згодом напруження моприкладають задану сталу силу розтягу, при цьому жуть відірвати рідину від поверхні циліндричної здійснюють скручування зразка та вимірюють амппосудини, спотворюючи тим самим значення вимілітуду його коливань. Після цього проводиться рюваного зсувного модуля рідини. Ця особливість розрахунок механічних характеристик матеріалу є головним недоліком способу-прототипу. зразка згідно з існуючими методиками. Наприклад, В основу винаходу поставлено задачу створидійсну та уявн у частину комплексного зсувного ти такий спосіб визначення реологічних характемодуля, тангенс кута механічних втрат і логарифристик консистентних рідин, який би здійснювався мічний декремент затухання розраховують за вибез відриву шарів рідини від поверхні циліндричної міряними значеннями періоду коливань зразка та посудини при виникаючих напруженнях, запобігазначенню швидкості затухання коливань. При виючи тим самим спотворенню значення вимірювамірюванні внутрішнього тертя та зсувного модуля ного параметру, наприклад в'язкості або зсувного в'язких рідин у якості досліджуваного зразка викомодуля рідини, а саме підвищення точності виміристовують інертну основу, наприклад, нитку з рювання цих параметрів. твердого матеріалу, вкриту досліджуваною ріНа відміну від способу-прототипу, запропонодиною. ваний спосіб ґрунтується на вивченні коливань Недоліком такого способу є неможливість вициліндричної посудини, заповненої досліджуваною мірювання зсувного модуля рідин з низькою в'язкірідиною, при закручуванні одного з її кінців. Оскістю або рідин, які швидко випаровуються у навкольки при цьому другий її кінець нерухомо закріплишнє середовище, оскільки в обох випадках шар лено, то при коливаннях маятника досліджувана досліджуваної рідини, нанесений на інертну оснорідина піддається деформації скручування. При ву з часом змінюватиме свої характеристики (товцьому дотичні напруження по поверхні контакту щину, загальну масу нанесеної рідини тощо). рідини із стінкою циліндра відсутні. Відповідно зниНайбільш близьким до запропонованого за сукає небезпека відриву рідини від стінки циліндра, купністю ознак і технічному результату є спосіб що підвищує надійність вимірювання зсувного мовимірювання коефіцієнта в'язкості рідини (протодуля. Вимірюючи параметри затухання коливань тип) [Соловьев А.Н., Ми хайлов Л.Ε., Похвалов маятника, можна визначити, наприклад, значення Ю.Ε., Томашевич Г.П. "Вискозиметр для легкоплазсувного модуля рідини. вких металлов", журн. "Передовой научноРеалізація способу пояснюється прикладом технический и производственный опыт", М., 1957 визначення зсувного модуля 6-% розчину желатиг., тема 39, №П-57-96/7, с.3-17]. ну в воді з використанням пристрою, схема якого У цьому способі виготовляють циліндричну показана на Фіг. Пристрій містить 1 - циліндрична посудину (тигель) із сталі, заливають в цю посудипосудина з еластичного матеріалу зовнішнім діану розплавлений метал та для вимірювання його метром 5мм, внутрішнім діаметром 4,5мм., яка в'язкості підвішують циліндричну посудину з рідзакріплюється до нижнього затискача 3 та до верким металом за допомогою стрижня та пружної хнього затискача 5, 3 - нижній елемент кріплення, металевої нитки до нерухомої основи крутильного до якого приєднується затискач 2, 4 - нижня часмаятника. Після цього за допомогою електромагнітина основи, до якого приєднується елемент кріптів збуджують затухаючі крутильні коливання полення 3, 6 - верхній елемент кріплення, до якого судини з розплавленим металом і таким чином приєднується верхній затискач 5, 7 - металевий створюють деформацію зсуву рідини. Вимірюючи стрижень, 8 - металеве коромисло, що закріплено швидкість затухання коливань заповненої рідким на стрижні 7,9- електромагніти, 10 - пружна нитка , металом посудини та порівнюючи її із визначеною нижній кінець якої прикріплено до стрижня 7, 11 таким же чином швидкістю затухання коливань важель, до кінця якого приєднаний другий кінець пустої посудини, за допомогою розрахунків за віпружної нитки, 12 - металева опора, на якій встадомими формулами оцінюють в'язкість рідкого новлено важіль 11 і яка приєднана до основи 4, 13 металу. - вантаж, підвішений до другого кінця важеля 11, Недоліком такого способу є суттєва залеж14 - дзеркало, приєднане до стрижня 7, 15 - дженість точності одержуваних результатів від точносрело світла, промінь від якого спрямовують на ті дотримання заданих параметрів при виготовдзеркало 14, 16 - шкала, на яку потрапляє відбиленні посудини для розплавленого металу тий промінь світла, 17 - дзеркало, що нерухомо (чистоти внутрішньої поверхні, сталого вздовж кріпиться навпроти дзеркала 14. посудини з високою точністю внутрішнього діаметСпочатку з еластичного матеріалу, наприклад 5 78094 6 з поліетилену, виготовляють циліндричну посудиде ω' - циклічна частота коливань; n - кількість ну 1, наприклад у вигляді вертикальної трубки доповних коливань; t - час здійснення кількості коливжиною 30мм, зовнішнім діаметром 5мм, внутрівань відповідно для порожньої посудини та посушнім діаметром 4,5мм, щільно закритої знизу дини, заповненої досліджуваною рідиною, визнаметалевою пробкою. чають циклічну частоту ω' коливань. За формулою Подальші дії з визначення зсувного модуля a ln l досліджуваної консистентної рідини, якою запов(2) an нена циліндрична посудина, наприклад розчину ω''= t желатину у воді, здійснюють в три етапи: на перде ω" - коефіцієнт затухання коливань; аl - амшому - визначають окремо жорсткість пустої циліплітуда першого коливання; аn -амплітуда останндричної посудини 1 з еластичного матеріалу, на нього коливання, і - час здійснення відповідної другому - жорсткість посудини 1, заповненої докількості коливань,знаходять коефіцієнт затухання сліджуваною рідиною, на третьому - знаходять ω" коливань. полярний момент інерції та модуль зсуву досліПісля цього за формулами джуваної рідини. q'=I0×((ω') 2-( ω'') 2) (3) На першому етапі циліндричну посудину 1 з Та еластичного матеріалу закривають зверху метаq"=2×ω'×ω''×I0 (4) левою пробкою. Нижній кінець циліндричної посуде ω' - циклічна частота коливань; ω" - коефідини 1 за допомогою затискача 2 і елемента кріпцієнт затухання коливань; І0 -момент інерції систелення 3 нерухомо приєднують до нижньої частини ми, визначають дійсну q' та уявну q" частину жорсоснови 4 пристрою, а верхній кінець посудини 1 за ткості q* циліндричної посудини 1 з еластичного допомогою затискача 5 та елемента кріплення 6 матеріалу. прикріплюють до нижнього кінця металевого стриМомент інерції І0 системи визначається в осжня 7, на якому закріплюють металеве коромисло новному моментом інерції тягарців, закріплених на 8 з двома тягарцями, поряд з яким встановлюють коромислі 8. два електромагніти 9. Верхній кінець стрижня 7 за На другому етапі циліндричну посудину 1 з допомогою пружної нитки 10 підвішують до одного еластичного матеріалу від'єднують від затискачів 2 з кінців важеля 11, встановленого на опорі 12, зата 5, виймають з верхнього кінця посудини метакріпленої зверху на верхній частині основи 4 прилеву пробку та заповнюють досліджувану консисстрою. До іншого кінця важеля підвішують вантаж тентну рідину в порожнину циліндричної посудини 13, який створює задану силу натягу пружної ни1 з еластичного матеріалу. Верхній кінець посудитки 10. ни знову закривають металевою пробкою і викоДо стрижня 7 прикріплюють дзеркало 14, на нують ту саму послідовність дій, що і на першому яке спрямовують від джерела 15 промінь світла етапі. При цьому замінюють у формулах (3) та (4) (на кресленні промінь показано лініями зі стрілкавеличини q' та q" на Q' та Q" відповідно, в резульми). Навпроти дзеркала 15 прикріплюють нерухотаті чого за формулами (3) та (4) одержують дійсмо інше дзеркало 17. Кут встановлення дзеркала ну Q' і уявн у Q" частин у жорсткості Q* циліндрич14 на стрижні 7 вибирають таким, щоб відбитий ної посудини 1 з еластичного матеріалу, дзеркалом 17 промінь світла потрапляв на серезаповненої досліджуваною консистентною рідину шкали 16. диною. Після цього підключають до електричного На третьому етапі знаходять дійсну s' та уявну струму електромагніти 9, які притягують до себе s" частину жорсткості s* досліджуваної рідини за металеве коромисло 8 та здійснюють, завдяки формулами: цьому, поворот стрижня 7 та прикріпленого до s'=Q'-q' (5) нього затискача 5 циліндричної посудини 1 з еласта тичного матеріалу. Внаслідок цього створюють s"=Q"-q'' (6) закручування верхньої частини циліндричної посуде q', q" - відповідно дійсна і уявна частина дини 1 навколо Π вертикальної вісі відносно її нижорсткості q* незаповненої циліндричної посудини жньої частини та забезпечують таким чином де1, визначеної на першому етапі; Q', Q" - відповідно формацію зсуву еластичного матеріалу дійсна і уявна частина жорсткості Q* циліндричної циліндричної посудини 1. Після здійснення стрижпосудини 1, заповненої досліджуваною консистеннем 7 повороту на заданий кут електромагніти тною рідиною 2, визначеної на другому етапі. відключають. Внаслідок дії моменту пружних сил з Далі знаходять значення полярного моменту боку пружної нитки 10 та з боку циліндричної поінерції Іp перерізу циліндричної області, зайнятої судини 1 коромисло 8 та стрижень 7 повертаються рідиною за формулою у початкове положення й починають здійснювати вільні затухаючі коливання. p × R4 (7) lp= За відхиленням променя світла, відбитого від 2 дзеркала 17, на шкалі 16 визначають амплітуду а 1 де R - внутрішній радіус посудини 1. Після першого коливання та амплітуду останнього колицього за формулами вання an. s×l ' За допомогою секундоміра визначають час t G'= (8) Ip здійснення зазначеної кількості коливань. За цими даними за формулою та n (1) ω'=2p× t 7 78094 8 комплексного модуля зсуву G*'. s' '×l G''= (9) У таблиці наведені одержані експериментальIp но при вимірюванні зсувного модуля розчину жеде Iр - полярний момент інерції стовпа дослілатину значення амплітуди а} першого коливання джуваної рідини ;l - робоча довжина циліндричної та амплітуди аn останнього коливання; часу t здійпосудини 1 (відстань між торцями металевих проснення системою відповідної кількості повних кобок посудини, які контактують з рідиною 1) ; s' s" ливань; циклічної частоти ω' коливань; коефіцієнта відповідно дійсна і уявна частина жорсткості s* затухання ω" коливань та значення дійсної q' та стовпа досліджуваної рідини, знаходять значення уявної q" частини жорсткості q* окремо для незаG' і G" відповідно дійсної та уявної частини зсувноповненої та заповненої розчином желатину цилінго модуля G* стовпа досліджуваної рідини, а на їх дричної посудини. основі одержують значення складових G' та G" Таблиця n Незаповнена посудина Заповнена досл. рідин. a1, М an, М t, c ω', c-1 ω'', c-1 q', Н×м q'', Η·м Q', Н ×м 6 4 0,115 0,07 0,005 0,005 14,70 6,84 2,563 3,672 0,213 0,284 0.229 При цьому як для незаповненої, так і для заповненої посудини значення моменту інерції I0 системи складало І0=3,51×102кг/м 2, робоча довжина циліндричної посудини l=25мм, значення полярного моменту інерції Ір=40,237´10-12кг/м 2. Дійсна частина s' жорсткості s* стовпа розчину желатину склала s'=0,242Н×м, уявна частина склала s"=0,035Н×м. Відповідно дійсна частина G' зсувного модуля G* розчину желатину склала G'=1,501´108Н/м 2, уявна частина склала G"=0,022´108Н/м 2. Отримане значення модуля зсуву для розчину желатину на декілька порядків перевищує значення, які наводяться в літературі [Paul D., Journ. Appl. Polym. Sci., 11, 439 (1967)], де вимірювання провадилось традиційними методами, які перераховувались раніше. При використанні цих методів відбувається відрив консистентної рідини від стінок чутливого елементу, тому фактично вимірюється не модуль зсуву рідини, а модуль зсуву по Комп’ютерна в ерстка В.Сердюк 0,038 0,471 Q", Н ×м 0,073 верхневого шару, який утворився після відриву. В нашому випадку відриву не відбувається, то ж вимірюється модуль зсуву досліджуваної рідини. Запропонований спосіб у порівнянні з прототипом дозволяє підвищити точність визначення модуля зсуву консистентних рідин. На відміну від способупрототипу, запропонований спосіб ґрунтується на вивченні коливань циліндричної посудини з еластичного матеріалу, заповненої досліджуваною рідиною, при закручуванні одного з її кінців. Оскільки при цьому другий її кінець нерухомо закріплюють, то при коливаннях маятника досліджувана рідина в циліндричній посудині з еластичного матеріалу піддається деформації скручування. При цьому дотичні напруження по поверхні контакту досліджуваної рідини із стінкою циліндричної посудини відсутні. Відповідно зникає небезпека відриву рідини від стінки циліндричної посудини, що підвищує точність вимірювання зсувного модуля. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601