Принцип работы вискозиметра

Приборы для измерения вязкости называют вискозиметрами. Существует большое число конструкций вискозиметров. В данной лабораторной работе используется вискозиметр SVM 3000/G2 Вискозиметр Штабингера (рис.5). Вискозиметр SVM 3000 предназначен только для анализа маслянистых веществ (минеральных масел, растительных масел, горюче-смазочных материалов). Измерение образцов других жидкостей, особенно водных растворов, может привести к получению ошибочных результатов и ускоренному износу подшипников внешнего ротора.

Этот новый принцип измерения устраняет традиционные барьеры между капиллярной и ротационной вискозиметрией.

Цилиндр (внешний ротор), заполненный образцом жидкости, вращается с постоянной скоростью. В этом цилиндре вращается полый измерительный титановый ротор. Благодаря своей малой плотности, измерительный ротор центрируется в более тяжелой жидкости под действием выталкивающей силы. Между цилиндром и ротором образуется измерительный зазор. В осевом направлении ротор удерживается встроенным постоянным магнитом. Вращающееся магнитное поле формирует сигнал скорости и возбуждает вихревые токи в наружном медном корпусе.

 

Рисунок 5 - Общий вид вискозиметра Штабингера SVM 3000/G2

 

Скорость вращения ротора принимает равновесное состояние между зависимым от вязкости вращающим моментом, который пропорционален разности скорости между внешним цилиндром и внутренним ротором, и тормозному моменту, вызванному вихревыми токами, которые пропорциональны скорости вращения внутреннего ротора.

Таким образом, измерение вязкости может быть сведено к однократному измерению скорости. Благодаря полному отсутствию трения в подшипнике плавающего ротора, линейности тормозящего момента вихревых токов и высокоточному цифровому измерению скорости для всего диапазона измерения может быть использована одна и та же геометрия измерительной ячейки.

Совместимость с использовавшимися ранее методами измерения обеспечивает возможность автоматического пересчета результатов измерения из динамической вязкости в кинематическую. Необходимое измерение плотности образца выполняется с помощью встроенной измерительной ячейки, в которой используется проверенный принцип колеблющейся U-образной трубки (тот же принцип используется в плотномерах серии DMA).

Встроенный термостат с соединенными последовательно термоэлектрическими элементами и платиновым термометром сопротивления вкупе с небольшой тепловой массой измерительной ячейки обеспечивают возможность быстрого изменения и точного регулирования температуры измерения. Это позволяет очень быстро снимать зависимости вязкости от температуры. Прибор имеет стандартный режим расчета индекса вязкости согласно ASTM D2270 и ISO 2909 SVM 3000 10.

Прибор работает в следующих 6 режимах:

- M1 - SINGLE POINT (Единая точка),

- M2 - VISCOSITY INDEX (Индекс вязкости),

- M3 - TEMP. RANGE SCAN (диапазон сканирование температуры),

- M4 - TEMP. RANGE SCAN (диапазон сканирование температуры),

- M5 - MANUAL CONTROL (Ручное управление),

- M6 - RAW VALUES (необработанные значения), которые позволяют определять основные параметры:

- eta - (η) динамическая вязкость,

- ny - (ν)кинематическаявязкость,

- rho(r) - плотность (измеренное значение),

- rho - 15°C расчетное значение плотности при 15°C,

- VI - индекс вязкости,

- D - скорость сдвига,

- tau - напряжение при сдвиге,

- Q - 1 коэффициент скорости ротора -1,

- P - период колебаний,

- raw - "неоткорректированное" значение плотности (без коррекции
повязкости).

После включения прибор переходит в состояние FILLING (заполнение), вид дисплея в этом состоянии показан на 6 рисунке. После самопроверки и запуска, SVM 3000 переходит в первое измерительное окно, указывая на готовность к измерению. В первый раз прибор включается в режиме измерения M1-SINGLE POINT. При следующих включениях прибор включается в режиме измерения, который использовался перед выключением прибора.

 

Рис.6 - Вид дисплея при первом включений вискозиметра

Штабингера SVM 3000/G2

 

По умолчанию, в качестве измеряемых переменных выбраны eta (η - динамическая вязкость), ny (ν - кинематическая вязкость) и rho (ρ - плотность), температура измерения установлена на 40°C. Кроме этого, отображается время измерения. Измеряемые переменные, присутствующие в трех первых строках окна, результаты измерения вместе с наименованием или номером образца, датой и временем отображаются на дисплее в программируемом формате и могут быть сохранены во встроенной памяти данных. Данные также могут быть выведены на принтер или в компьютер через последовательный интерфейс (рисунок 7).

Рис.7- Первое измерительное окно вискозиметра Штабингера SVM 3000/G2

 

Для перехода во второе информационное окно трижды нажмите клавишу

INFO. Для перехода в третье информационное окно нажмите клавишу INFO

четыре раза. В этом окне отображаются сведения о дате последней поверки

и настройки прибора.

 

Порядок выполнения работы

Установите желаемую температуру измерения и удостоверьтесь, что измерительные ячейки чистые и сухие. Наберите в шприц не менее 3 мл образца. Если Вы располагаете достаточным количеством, заполните шприц полностью. Введите не менее 2 мл нефти в измерительные ячейки и не оставьте шприц в заливочном кронштейне. Запустите процесс измерения и дождитесь достоверного результата. Запишите измеренное значение. Введите в ячейку еще 1 мл нефти и, не удаляя шприц из заливочного кронштейна, повторите измерение.

Если отклонение между двумя последовательными результатами измерений выходят за пределы допустимых значений стабильности, введите большее количество образца из шприца и повторите измерение. Повторяйте измерение, пока значения не окажутся в допустимых пределах. Отбракуйте все предыдущие результаты и зафиксируйте последний результат как достоверный. Если шприц опустел до того, как получен достоверный результат измерения, промойте и высушите измерительные ячейки и повторите всю процедуру измерения заново.

Если невозможно получить достоверные результаты измерения за соответствующее число измерений, возьмите среднее значение и среднеквадратичное отклонение (k = 2, доверительный уровень 95 %) и сделайте пометку, что был превышен предел стабильности.

Для образцов, которые не перечислены в таблице 3, пользователь должен сам определить количество повторений, проведя серию измерений для этих образцов (X.... Среднее число сравненных результатов измерения).

 

Пример вычисления. Измеренное значение составило 5 мПа·c при 100°C для динамической вязкости. Следовательно, X = 5. Таким образом, допустимое отклонение стабильности составит: абсолютное значение: 0.0003516 (5 + 5) = ±0.003516 мПа·c [6].

 

Таблица 3- Расчет вязкости нефти по результатам измерений

Стабильность (95 %)	15 °C	40 °C	100 °C
Сырая нефть - динамическая вязкость	Не применимо	0,00101 X (0,10 %)	0,0003516 (X+5)
Сырая нефть - кинематическая вязкость	Не применимо	0,00094 X (0.09 %)	0,0003473 (X+5)
Сырая нефть - плотность	0,00046 г/см³	0,00030 г/см³	0,00033 г/см ³
Сырая нефть- динамическая вязкость	Не применимо	0,00540 X (0,54 %)	0,002563 (X+5)
Сырая нефть- кинематическая вязкость	Не применимо	0,00584 X (0,58 %)	0,002889 (X+5)
Сырая нефть - плотность	0,00177 г/см³	0,00147 г/см³	0,00131 г/см ³