Способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБУ 1 ИН 2368 А 11/16 эш 6 В 1/06 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ВТОРСК аеидитии КОЙ СДВ основанн механиче жидкости ч а ю щ расширен костей, ческих .к сосуд, з суд с ак сравнива ти затух ческой с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАЦ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ленинградский ордена Ленинаи ордена Трудового Красного Знаменигосударственный университетим А.А, Жданова(56) 1, Григорьев С.Б, и др, Измерение динамических сдвиговых свойствжидкостей. "Акустический фурнал",1974, 20,1,44-48.2. Авторское свидетельство СССРй 568870, кл. 6 01 й 11/16, 1977;3. Авторское свидетельство СССРй 206146, кл, С 01 К 11/16, 1966(прототип),СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕС- ИГОВОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ, ый на измерении затухания ских колебаний на границеи твердого тела, о т л и " и й с я тем, что, с целью ия диапазона исследуемых жид измеряют затухание акустиолебаний в системе жидкость- атем в системе жидкость-соустически мягкими стенками, ют эти величины и по разносаний судят о величине динамидвиговой вязкости.40 Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано при изучении вязкоупругих .свойств жидкостей, в том числе гидравлических и смазочных жидкостей, 5растворов полимеров и т,д,Известен способ измерения динами"ческой сдвиговой вязкости, основанный на измерении импеданса исследуемой жидкости путем измерения комплекс ного коэффициента отражения сдвиговойволны от границы раздела твердоготела и жидкости 1 11.Указанным способом .можно измерятьвязкость только на частотах выше 3- 1510 ИГц, в то время,как в большом количестве жидкостей область релаксации сдвиговой вязкости находится наболее низких частотах.Известен. способ измерения вяэкости по затуханию вращательных илииных колебаний тел, помещенных в исследуемую среду. Такой способ используется при измерениях на частотахниже 10 кГц 1.2 .25Наиболее близким к предлагаемому.является способ измерения динамической сдвиговой вязкости жидкостей, основанный на измерении затухания механических колебаний на границе жид-кости и твердого тела. В этом способе.измеряют коэффициент затухания(и скорость) акустических сигналовв волноводе, соприкасающемся с исследуемой жидкостью и создающем вней чисто сдвиговые напряжения3 1.К недостаткам, известного способаотносится узкийдиапазон исследуемыхвязкостей жидкостей, так как он может быть применен только для измере"ний в жидкостях с высокой вязкостью.Затухание акустических сигналов вволноводе, обусловленное погружениемв жидкость с малой вязкостью, оченьмало и не может быть измерено на фоне затухания, обусловленного поглощением звука в материале стержня и.излучением в жидкость(в действительности волновод не может создавать вжидкости только сдвиговые йапряжения,всегда присутствует продольная составляющая)вЦель 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 границежидкости и твердого тела, измеряют затухание акустических колебаний в системе жидкость-сосуд, затем в системежидкость-сосуд с акустически мягкимистенками, сравнивают эти величиныи по разности затуханий судят о величине. динамической сдвиговой вязкости.Существенное отличие предлагаемогоспособа от известного. состоит в том,что механические колебания возбуждают.- .ся не в твердом теле (волноводе), ав 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 этогопроисходит затухание колебаний, зависящее от величины динамической сдвиговой вязкости жидкости, Чтобы найтиэто затухание в чистом виде, необходимо измерить затухание, связанное споглощением колебаний в жидкости Дляэтого производят измерения в сосудес акустически мягкими стенками и поразнице затухания в двух сосудах судят о величине динамической сдвиговойвязкости.Яа чертеже представлена блок-схемаустановки для реализации предлагаемогоспособа,Генератор 1 радиоимпульсов возбуждает пьезопреобразователь 2, возбуждающий акустические колеьания в системе исследуемая жидкость - экспериментальный сосуд 3. Эти колебания затухают по законуА= АЕ, . (1)где Р - амплитуда колебаний в момент времениА о - амплитуда колебаний в моментвремени 1 = 0;временной коэффициент затухания.Акустические колебания преобразуются преобразователем.4 в электрические, они усиливаются приемником 5,затем через логарифматор 6 поступаютна осциллограф 7,На экране осциллографа наблюдается огибающая логарифмированного сигнала, представляющая собой прямую линию, наклон которой определяет коэф" фициент затухания .Стенки экспериментального сосуда должны иметь достаточно большую жесткость, которая определяется значе3 1032 ниями величины у и ; отражающими степень взаимодействия акустического поля в жидкости со стенками: = Ч/Ч 2 3. = Я/Чи 5 где Ч - колебательная скоростьчастиц жидкости; Ч и Ч - нормальная и тангенции альная составляющие скорости на границе со О ответственно. Дпя абсолютно акустических жестких стенок выполняются соотношения: у, = О, .= 2/3; для абсолютно акустически мягких: Д, = 1/3; Ц = О. 15Требование достаточно большой акус .тической жесткости означает, что долж. но выполняться условием 7 0,1, КоэфФициент затуханияможет быть представлен в виде 20РЧо + 9 и+В и;где 15 -. поглощение звука в жидкости;. - затухание вследствие трения между жидкостью и стенками сосуда; поглощение звука в стенках сосуда; затухание вследствие излуче- ния звука в окружающую средуДля отдельных вкладов можно записать выражения: т /ГД= О, так как= 0; величина 5 Ипренебрежимо мала вследствие малогообъема стенок, а величина и можетбыть легко вычислена по формуле (4),поскольку известно значение ,= 1/3Если стенки измерительного сосудаабсолютно акустически жесткие, товыполняются соотношения Ъ = 0 и ф 11 == О, так как Щ = О, В этом случае величина р находится сразу по формуле,=р-оПоскольку значение Т известно,(3 = 2/3), по Формуле (2) можно определить значение динамической сдвиговой вязкости т( (т), Если стенки не являют ся абсолютйо жесткими, т.е.Ф 0;Ф 2/3, необходима предварительная тарировка измерительного сосуда для определения величин ф и.Величину Я можно рассчитать по, Формуле (4), определивЬ 11 по разности между значениями Ь при атмосферном давлении и при давлении, равном нулю,Величинаопределяется путем измерения величины 15 для жидкости с известным значением 11(Г), например такой для которой вейичина Ц (т) уже на частотах пОрядка 10 ИГц равна предельному низкочастотному "статическому" значению, измеряемому обычными вискозиметрами, напрймер капиллярны" ми.П р и м е р, Измерение динамической сдвиговой вязкости соевого масла на частоте 300 кГц,УоИ 2(р)Рзуемого соскспериментаражения (3)чения: п 0 =1, 02 г/см ;2.т= М 2(р) да и данвеличины, и (5), имею 300 г; Ф. ,ц =0,7 см /смс. ОтДля испольных условий эвходящие в выследующие зна=пзбг;11= 180 с "; Дпя тоУ 0, неия затух ягкими с езины ил ь величи"измерестическиз тонкойвеличина- отношение площади поверхности сосуда к объему. 45жидкости;- плотность и масса жидкос.ти (индекс 0 относитсяк жидкости, 1 - к стенкам сосуда);50 " акустическое сопротивление воздуха при давлении р,о, чтобы определитбходимо произвестиния в сосуде с акуенками (например иполиэтилена) где Измерения проводят в сосуде из плавленного кварца объемом 300 мл с толщиной стенок 1 мм. Получено значениеравное 320 с=1. Затем в сосуд заливают воду и измеряют зависимость коэффициентаот давления р. Экстраполяция линейной зависимости р от р на давление р = 0 дает значение р 0= 19,0 с, для атмосферного давления рс 125,5 с , Отсюдаф -Р -- (тД,О). с-И 1р=оформулу (4) можно записать в видеСоставитель 8. КрутинРедактор А, Лежнина Техред М.Тепер Корректор Л Бокшан т т т т тТираж 873 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Рауаская наб д. 4/5 Заказ 5393/48 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 3 10сюда п = 0,22. Формула (3) при этомзначении Э дает= 9,5 с-,Величина Р 0 для воды на 300. кГцравна 3,5 с " . Таким образом, имеютсявсе необходимые данные для определения.6 ь. Я =Во,"Ъ- Ри= (25,5-3.5.6,0-6,5)с =9,5 с ,Подставив полученное значение в формулу (4),можноопределить коэффициент ф/у= 0,36.Таким образом, для данного сосуда наданной частоте получены коэффициентып и у, т,е, проведена калибровкаэкспериментального сосуда. Далее проводят измерения затухания акустичес"ких колебаний в. соевом масле, залитом в сосуд с акустически мягкимистенками (сосуд из резины толщиной15 мкм), В этом случае= О, а величина+ 5 может быть опредерена путем измерения затухания в любойжидкости с известным и малым поглощением (в данном случае в воде).Для соевого масла в резиновом сосуде получены значения: Р = 125 с -";: 110 с-",Таким образом, для соевого маслав кварцевом сосуде= (320 т 110 т6,5 т 6,0) с " = 200 с-. Отсюда из вы 32368 бражения ( 2)для динамической сдвиговойвязкости(300 кГц) = 0,65 П, Этозначение с погрешностью менее 54 согласуется со значением статическойвязкости соевого масла(0) = 0,63 Па из данных измерений на более высоких частотах следует, что даже начастоте .,10 ИГц 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 рас ширении количества исследуемых объекттов. Способтпрототип распространяетсятолько на высоковязкие жидкостибольше 10 П), в которых затухание сдвиговых волн на границе может 20 быть измерено с достаточно высокойточностью, предлагаемый способ даетвозможность измерять вязкости в диапазоне от 10 сП до 100 П. 25 Кроме того, изобретение позволитизмерять динамическую сдвиговую вязкость с помощью существующих установок для измерения поглощения звука в жидкостях реверберационным методом.