КАПИЛЛЯРНЫЙ ВИСКОЗИМЕТР

Изобретение относится к технике измерения вязкости жидкостей, в частности с помощью капиллярных вискозиметров.

Известно устройство измерения вязкости жидкостей, содержащее герметично закрытую пробирку, в которой помешается исследуемая жидкость. Вязкость определяют по интегральной скорости неустановившегося течения исследуемой жидкости на ограниченном участке наклонной поверхности [1]. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения за счет отсутствия устройства, которое обеспечивает заданный угла наклона и сложности определения интегральной скорости.

Известен также стандартный капиллярный вискозиметр Оствальда [2] наиболее близкий к заявленному изобретению по технической сущности. Его действие основано на использовании формулы Пуазейля. Вязкость определяется по результату измерения времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений. Это простая капиллярная конструкция позволяет измерить вязкость только при одном напряжении сдвига, создаваемом силой тяжести, действующей на пробу.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что капиллярный вискозиметр включает основание, рабочий капилляр и опору рабочего капилляра. Новым является то, что опора рабочего капилляра присоединена к основанию посредством поворотного устройства, позволяющего устанавливать заданный угол наклона рабочего капилляра относительно горизонта в пределах от -90° до +90°. Другим отличием капиллярного вискозиметра является то, что в него включено устройство измерения угла наклона рабочего капилляра относительно горизонта. Еще одним отличием капиллярного вискозиметра является то, что поворотное устройство включает сервопривод вращения. Также поворотное устройство может включать привод вращения на базе шагового двигателя. Кроме того, капиллярный вискозиметр включает в себя устройство измерения скорости перемещения жидкости в рабочем капилляре. Устройство измерения скорости перемещения жидкости в рабочем капилляре может содержать как минимум один датчик скорости.

На фиг.1 изображен капиллярный вискозиметр, две проекции.

На фиг.2 приведены гистограммы вязкости крови при двух значениях угла наклона рабочего капилляра.

На фиг.3 приведен график вязкости крови в функции синуса угла наклона рабочего капилляра (α от 10° до 50°).

Капиллярный вискозиметр (фиг.1) включает основание 1, рабочий капилляр 2, установленный на опоре рабочего капилляра 3, опора рабочего капилляра присоединена к основанию посредством поворотного устройства 4, включающего устройство измерения угла наклона рабочего капилляра относительно горизонта (на фиг.1 не показано). Также капиллярный вискозиметр включает устройство измерения скорости перемещения жидкости в капилляре 5 (на фиг.1 показан один датчик, установленный посередине рабочего капилляра).

Работа капиллярного вискозиметра осуществляется следующим образом. В установленный горизонтально рабочий капилляр 2 помещают, например капельницей, заданный объем исследуемой жидкости, например 50 мкл. Затем включают привод поворотного устройства 4 и поворачивают опору рабочего капилляра вместе с рабочим капилляром на заданный угол α. На фиг.1 это положение опоры рабочего капилляра вместе с рабочим капилляром показано пунктиром. На жидкость начнет действовать сдвигающая сила, величина которой определяется выражением F=mg·sinα.

где m - масса помещенной в рабочий капилляр жидкости, g - гравитационная постоянная. Под действием этой силы жидкость перемещается в рабочем капилляре 2 вначале с ускорением, а при достижении равенства силы вязкого трения сдвигающей силе скорость движения жидкости станет постоянной и это значение будет зафиксировано при прохождении жидкостью устройства измерения скорости перемещения жидкости в капилляре 5. При достижении жидкостью противоположного конца измерительной части рабочего капилляра посредством поворотного устройства 4 приводят опору рабочего капилляра вместе с рабочим капилляром в исходное положение.

Далее измерение может быть произведено в обратном направлении. Вместо одного датчика, установленного посредине рабочего капилляра, можно установить два датчика в разных концах рабочего капилляра в точках конечного перемещения жидкости в капилляре.

Такое построение капиллярного вискозиметра позволяет быстро изменять режимы измерения за счет использования разных углов наклона рабочего капилляра и обеспечивать измерение вязкости как ньютоновских жидкостей, так и неньютоновских жидкостей.

Пример

Измерение вязкости крови как неньютоновской жидкости (регистрация при низких и высоких скоростях сдвигового течения)

Кровь относится к так называемым аномальным - неньютоновским жидкостям, ее вязкость изменяется при разных скоростях сдвига (ϒ):

1) при высоких скоростях сдвигового течения, ϒ>50 с^-1 невысокая и всего в 3 раза превышает вязкость воды. Это зона ньютоновского поведения крови.

2) При скорости сдвига менее 20 с^-1 вязкость крови существенно возрастает, а при ϒ<1,0 с^-1 может в десятки раз превышать вязкость воды.

При наклоне рабочего капилляра на угол α=10⁰ была зафиксирована величина вязкости, соответствующая ее неньютоновскому значению, около 8,0 мПа·с. При угле наклона рабочего капилляра на угол а=45° зафиксирована величина вязкости, соответствующая ее ньютоновскому варианту - менее 3,5 мПа·с (фиг.2).

Из классической реологии известно [3], что чаще всего встречаются неньютоновские жидкости степенного закона.

При изменении углов наклона можно задать течение измеряемой жидкости (крови) с разными скоростями сдвига: от относительно высоких (ньютоновское поведение образца крови, скорости сдвига выше, чем 50 с^-1) до относительно низких (менее 20 с^-1).

На фиг.3 приведена зависимость вязкости крови в функции синуса угла наклона рабочего капилляра (а от 10° до 50°), полученная авторами разработанным капиллярным вискозиметром. Из полученной зависимости видно, что исследуемый образец крови характеризуется моделью неньютоновской жидкости степенного закона вида: y=ах^-n с точностью более 99%.

Источники информации

1. А.с. СССР №122635, класс 42l,7₀₂, от 07.08.1958.

2. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, с.34-37.

3. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. - М.: Мир, 1964. - 216 с.