Способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей

Способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СДВИГОВОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, основанный на измерении затухания механических колебаний на границе жидкости и твердого тела, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых жидкостей , измеряют затухание акустических колебаний в системе жидкостьсосуд ,, затем в системе жидкость-сосуд с акустически мягкими стенками, сравнивают эти величины и по разности затуханий судят о величине динамической сдвиговой вязкости. V)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,,51, G 01 N 11/16; в 06 в 1/06

1 .ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Р:::

М ASТОРОНОМО CIHSSTSSACTSV

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЦ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3392236/18-25 (22) 26.02.82 (46) 30.07.83. Бюл. и 28 (72) С.А. Кукорина, В.С. Манучаров и И.Г. Михайлов (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им A.A. Жданова (53) 532 137(088.8) (56) 1. Григорьев С.Б, и др. Измерение динамических сдвиговых свойств жидкостей. "Акустический фурнал", 1974, 20,1,44-48.

2. Авторское свидетельство СССР

N 568870, кл. 6 01 и 11/16,- 1977;

3. Авторское свидетельство СССР

М 206146, кл. G 01 К 11/16, 1966 (прототип).

„„SU„„103236S А (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СДВИГОВОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, основанный на измерении затухания механических колебаний на границе жидкости и твердого тела, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

- расширения диапазона исследуемых жид костей, измеряют затухание акустических .колебаний в системе жидкостьсосуд, затем в системе жидкость-сосуд с акустически мягкими стенками, сравнивают эти величины и по разности затуханий судят о величине динамической сдвиговой вязкости.

1032368

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано при изучении вязкоупругих . свойств жидкостей, в том числе гидравлических и смазочных жидкостей, 5 растворов полимеров и т.д.

Известен способ измерения динами" ческой сдвиговой вязкости, основанный на измерении импеданса исследуемой жидкости путем измерения комплекс-10 ного коэффициента отражения сдвиговой волны от границы раздела твердого тела и жидкости Pl).

Указанным способом .можно измерять вязкость только на частотах выше 310 ИГц, в то время.как в большом количестве жидкостей область релаксации сдвиговой вязкости находится на более низких частотах.

Известен- способ измерения вяэ- 20 кости по затуханию вращательных или иных колебаний тел, помещенных в исследуемую среду. Такой способ используется при измерениях на частотах ниже 10 кГц (2). 25

Наиболее близким к предлагаемому. является способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей, основанный на измерении затухания меха нических колебаний на границе жид- кости и твердого тела. В этом спасо. бе.измеряют коэффициент затухания (и скорость) акустических сигналов в волноводе, соприкасающемся с исследуемой жидкостью и создающем в ней чисто сдвиговые напряжения (3).

К недостаткам. известного способа относится узкий диапазон исследуемых вязкостей жидкостей, так как он может быть применен толька для измерений в жидкостях с высокой вязкостью.

Затухание акустических сигналов в волноводе, обусловленное погружением в жидкость с малой вязкостью, очень мало и не может быть измерено на фо- 45 не затухания, обусловленного поглощением звука в материале стержня и. излучением в жидкость(в действительности волновод не может создавать в жидкости только сдвиговые йапряжения, всегда присутствует продольная составляющая), Цель изобретения - расширение диапазона исследуемых жидкостей в сторону малых вязкостей.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей, основанному на измерении эатуханйя механических колебаний на границе жидкости и твердого тела, измеряют затухание акустических колебаний в системе жидкость-сосуд, затем в системе жидкость-сосуд с акустически мягкими стенками, сравнивают эти величины и по разности затуханий судят о величине. динамической сдвиговой вязкости.

Существенное отличие предлагаемого способа от известного. состоит в том, что механические колебания возбуждают- . ся не в твердом теле (волноводе), а в исследуемой жидкости, и эти колебания не поперечные,.а продольные.

Вблизи стенок сосуда вследствие существования тангенциальных составляющих скорости возникает трение жидкости о стенки сосуда и из-эа этого происходит затухание колебаний, зависящее от величины динамической сдвиговой вязкости жидкости. Чтобы найти это затухание в чистом виде, необходимо измерить затухание, связанное с г1оглощением колебаний в жидкости.. Для этого производят измерения в сосуде с акустически мягкими стенками и по разнице затухания в двух сосудах судят о величине динамической сдвиговой вязкости.

На чертеже представлена блок-схема установки для реализации предлагаемого способа.

Генератор 1 радиоимпульсав возбуждает пьезопреобразователь 2, возбужf дающий акустические колеьания в системе исследуемая жидкость - экспериментальный сосуд 3. Эти колебания затухают по закону

А= АЕ, . (1) где A - амплитуда колебаний в момент времени

А — амплитуда колебаний в момент времени t = 0;

{ - временной коэффициент затухания.

Акустические колебания преобразуются преобразователем 4 в электрические, они усиливаются приемником 5,затем через логарифматор 6 поступают на осциллограф 7.

На экране осциллографа наблюдается . огибающая логарифмированного сигнала, представляющая собой прямую линию, наклон которой определяет коэффициент затухания .

Стенки экспериментального сосуда должны иметь достаточно большую жесткость, которая определяется значе

3 1032 ниями величины и „, отражающими степень взаимодействия акустического поля в жидкости со стенками: „= V /V2

3g = Я. /1 и 5 где V - колебательная скорость частиц жидкости;

V и Ч - нормальная и тангенции альная составляющие скорости на границе со- 10 ответственно.

Для абсолютно акустических жестких стенок выполняются соотношения: », = О, . $g = 2/3; для абсолютно акустически мягких: Д,= 1/3; = О ° 15

Требование достаточно большой акус. тической жесткости означает, что долж. но выполняться условием 0,1. Коэффициент затухания Р может быть представлен в виде 20 (= ьо + Р++ и 1 и-., 1 где -. поглощение звука в жидкости;.

- затухание вследствие трения между жидкостью и стенками сосуда; поглощение звука в стенках сосуда; затухание вследствие излуче ния звука в окружающую среду °

Для отдельных вкладов можно записать выражения:

368 = О, так как Ц . = 0;.величина Pg.. пренебрежимо мала вследствие малого объема стенок, а величина P z может быть легко вычислена по формуле (4), поскольку известно значение ®,= 1/3..

Если стенки измерительного сосуда абсолютно акустически жесткие, то выполняются соотношения Q О и p11< == О, так как Щ = О. В этом случае величина р находится сразу по формуле

jb Р-Ро

Поскольку значение 7q известно,(Д =

= 2/3), по формуле (2) можно определить значение динамической сдвиговой вязкости т((т), Если стенки не являют. ся абсолютйо жесткими, т.е. ф„Ф О; Ф 2/3, необходима предварительная тарировка измерительного сосуда для определения величин ф; и Д .

Величину ф"„ можно рассчитать по . формуле (4), определив 11 по разности между значениями Jb при атмосферном давлении и при давлении, равном нулю, Величина определяется путем измерения величины f3 для жидкости с известным значением 1 (Г), например такой„ для которой величина Ц (т) уже на частотах пОрядка 10 ИГц равна предельному низкочастотному "статическому" значению, измеряемому обычными вискозиметрами, напрймер капиллярны" ми.

Пример, Измерение динамической сдвиговой вязкости соевого масла на частоте 300 кГц. и = и A <(r)i p„H) 40 где g (f) - динамическая сдвиговая вязкость

- частота колебаний; ,ц. - отношение площади поверх ности сосуда к объему, 45 жидкости; и m - плотность и масса жидкос. ти (индекс О относится к жидкости, 1 - к стенкам сосуда); 50

Z(p) " акустическое сопротивление воздуха при давлении р, Для того, чтобы определить величину (о, необходимо произвести измере- 55 ния затухания в сосуде с акустически мягкими стенками (например из тонкой резины или полиэтилена), где величина

Измерения проводят в сосуде из плавленного кварца объемом 300 мл с толщиной стенок 1 мм. Получено значение равное 320 c= . Затем в сосуд заливают воду и измеряют зависимость коэффициента Р от давления р.

Экстраполяция линейной зависимости р от р на давление р = О дает значение

19,0 с, для атмосферного

-1 давления рс1 25,5 с ", Отсюда ф от с (25,5-19,О), с

11

Р 0 формулу (11) можно записать в виде

9о и и» - 2.<р),Ь ()

Для используемого сосуда и данных условий эксперимента величины, входящие в выражения (3) и (5 ), имеют следующие значения: yn0=- 300 г; Ng. . = 116 г; p = 1,02 г/см ;,ц = 0,7 см>

180 с "; Zpот — - 112 гlсм +ñ. От(Составитель 8. Крутин

Редактор А. Лежнина Техред М.Тепер

Корректор fl Бокшан

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР.по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб,, д. 4/5

Заказ 5393/48

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 10 сюда п = 0,22. Формула (3) при этом значении 3 дает и = 9,5 с

Величина Рр для воды на 300. кГц равна 3,5 с " . Таким образом, имеются все необходимые данные для определения 5a. Pt = 1 -1о" Рв- 5Hz= (25,5-3.56, 0-6, 5) с =9, 5 с . Пддст авив получен ное значение в формулу (4),можно определить коэффициент gg/у = О, 36.

Таким образом, для данного сосуда на данной частоте получены коэффициенты п и у, т.е. проведена калибровка экспериментального сосуда. Далее про водят измерения затухания акустических колебаний в. соевом масле, залитом в сосуд с акустически мягкими стенками (сосуд из резины толщиной

15 мкм). В этом случае = О, а величина „ + 5в может быть опредерена путем измерения затухания в любой жидкости с известным и малым поглощением (s данном случае в воде) .

Для соевого масла в резиновом сосуде получены значения: = 125 с -"; и+ = 15 с-"; . 0- — p -(+р )

= 110 с-".

Таким образом, для соевого масла в кварцевом сосуде P< = (320-1106,5-6,0) с " = 200 с . Отсюда из вы32368 б ражения (2)для динамической сдвиговой вязкости (300 кГц) = 0,65 П. Это значение с погрешностью менее 54 согласуется со значением статической вязкости соевого масла (0) = 0,63 П а из данных измерений на более высоких частотах следует, что даже на частоте .,10 МГц динамическая сдвиговая вязкость равна статической, следо.

10 вательно, это равенство должно соблюдаться и на частоте 300 кГц.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в рас15 ширении количества исследуемых объектов. Способ-прототип распространяется только на высоковязкие жидкости (S больше 10 П), в которых затухание сдвиговых волн на границе может

20 быть измерено с достаточно высокой точностью, предлагаемый способ дает возможность измерять вязкости в диапазоне от 10 сП до 100 П.

25 Кроме того, изобретение позволит измерять динамическую сдвиговую вязкост ь с помощью существующих установок для измерения поглощения звука в жидкостях реверберационным методом.