Способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей

 

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.