Схема и принцип работы ротационного вискозиметра. Сущность методики определения показателей реологических свойств БР с помощью ВСН - 3.
Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей используют капиллярные и ротационные вискозиметры, последние из которых используются гораздо чаще.
Основу ротационного вискозиметра (pиc. 4.9) составляют два вертикально расположенных соосных цилиндра, в зазор между которыми заливается исследуемая промывочная жидкость.
Внешний цилиндр (гильза) 1 может вращаться с различными частотами. При вращении гильзы между концентрическими слоями промывочной жидкости, находящейся в кольцевом зазоре вискозиметра, возникают касательные напряжения сдвига и обусловленный ими крутящий момент, который передается внутреннему цилиндру (измерительному элементу) 2. В результате последний поворачивается вокруг своей оси до тех пор, пока момент, развиваемый касательными напряжениями сдвига, не станет равным моменту закручивания пружины 3. Угол поворота измерительного элемента, пропорциональный величине касательных напряжений сдвига, фиксируется по шкале прибора 4.
Устройство ротационного вискозиметра и порядок работы с ним рассмотрим на примере отечественного прибора ВСН-3 (рис. 4.10), состоящего из сборного корпуса, измерительной системы, привода и пробоотборника для измеряемой жидкости.
Корпус состоит из кожуха 2, оснований 17, 19, верхней платы 9, нижней платы 1 и крышек 12 и 27. На платах смонтированы все механизмы вискозиметра.
Измерительная система крепится к верхней плате 9 и состоит из измерительного элемента 3, закрепленного на оси 7, которая установлена на двух керновых опорах 4 и 11. Для регулирования осевого зазора подпятник опоры 11 закреплен в винте, перемещающемся во втулке 10. На втулке 10 смонтированы подшипники 22.
На наружных обоймах этих подшипников посажена шпиндель-шестерня 8, передающая вращение гильзе 5. На верхней части оси 7 установлена втулка 23, на которой закреплены шкала и один конец измерительной пружины 21. Другой конец пружины закреплен в винте 20, который перемещается в кронштейне 18.
| Рис. 4.9. Общая схема ротационного вискозиметра |
Привод вискозиметра имеет пять частот вращения: 0,2; 200; 300; 400 и 600 мин-1 и состоит из электродвигателя 28, двухскоростного двигателя 13, муфт обгона 16, 24, блока шестерни 15, шестерен 6, 8, 14, 25, 26, 29, 30, 32 и вала 31.
Рис. 4.10. Ротационный вискозиметр ВСН-3
|
Техническая характеристика ВСН-3
Пределы измерения касательных напряжений сдвига, Па:
для пружины № 1 0–45;
для пружины № 2 0–90.
Диапазон измерений динамической вязкости ньютоновских жидкостей (при 200 мин-1), Па×с:
для пружины № 1 0,001–0,2;
для пружины № 2 0,001–0,4;
Частота вращения гильзы, мин-1 0,2; 200; 300; 400; 600;
Максимальный угол поворота измерительного элемента, град 270;
Наружный диаметр измерительного элемента, мм 39,62;
Высота измерительного элемента, мм 60;
Внутренний диаметр гильзы, мм 44;
Потребляемая мощность, В×А 65.
Питание от сети переменного тока напряжением 220 В при частоте 50 Гц;
Пределы термостатирования исследуемой жидкости, °С 20–60;
Габаритные размеры, мм 278 х 192 х 525;
Масса, кг 19;
Реометрические измерения на ротационном вискозиметре BCH-3 сводятся к последовательной установке фиксированных частот вращения гильзы ni (600, 400, 300 и 200 мин-1) и определению при этом устойчивых показаний углов поворота шкалы ji.
Реометрию промывочных жидкостей с помощью ВСН-3 необходимо проводить в следующем порядке:
1. Установить ВСН-3 на столе, не подвергающемся вибрациям и тряске.
2. Проверить «нуль» шкалы прибора. При несовпадении «нуля» шкалы с визирной линией на смотровом стекле, установить «нуль» шкалы, руководствуясь при этом инструкцией по эксплуатации ВСН-3.
3. Поставить тумблер в положение «откл» и включить вилку прибора в сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
4. Надеть гильзу на шпиндель-шестерню, налить в стакан до риски испытуемую промывочную жидкость и установить стакан на телескопический столик.
5. Измерить температуру испытуемой промывочной жидкости с точностью до ближайшего деления термометра.
При проведении реометрии без предварительного термостатирования промывочной жидкости ее температура должна составлять 21±3 °С.
6. В тех случаях, когда температура промывочной жидкости не соответствует указанной в п. 5 или требуется оценить ее реологические свойства при повышенной температуре (максимум до 60 °С), необходимо подсоединить стакан к термостату резиновыми шлангами и выдержать испытуемую промывочную жидкость до достижения заданной температуры.
7. Поднять телескопический столик и зафиксировать его в верхнем положении поворотом по часовой стрелке.
8. Установить переключатель частот вращения гильзы в положение 600 мин-1, тумблер – в положение «вкл» и перемешать испытуемую промывочную жидкость в течение 5 минут с целью разрушения в ней тиксотропной структуры.
9. Дождаться устойчивого, не изменяющегося при вращающейся гильзе в течение 1 минуты, положения шкалы прибора и взять отсчет с точностью до 1/2 деления шкалы. Повторить измерения 1–2 раза при той же частоте вращения гильзы.
10. Провести измерения согласно п. 9 при частотах вращения гильзы равных 400, 300, 200 мин-1.
П р и м е ч а н и я :
1. Измерения от момента окончания перемешивания промывочной жидкости по п. 8 и до момента снятия последнего повторного отсчета при частоте вращения гильзы равной 200 мин-1 должны проводиться непрерывно с минимально возможной продолжительностью для того, чтобы исключить тиксотропное схватывание и потерю устойчивости промывочной жидкости под действием центробежных и гравитационных сил.
2. При зашкаливании прибора, оснащенного пружиной № 1, на частоте вращения гильзы равной 600 мин-1, необходимо продолжить измерения, перейдя на частоту 400 мин-1, а при зашкаливании прибора и на этой частоте – проводить измерения на всех частотах, используя пружину № 2.
3. При значениях угла поворота шкалы прибора, оснащенного пружиной № 1, составляющих менее 10 градусов на частоте вращения гильзы равной 200 мин-1, результаты измерений на этой частоте в последующие расчеты не включать, а в той же ситуации на частоте 300 мин-1 – использовать для измерений на всех частотах нестандартную пружину меньшей жесткости.
Это требование обусловлено тем, что работа в диапазоне углов поворота шкалы ВСН-3 от 0 до 10 градусов приводит к большим погрешностям оценки показателей реологических свойств.
4. Во всех случаях реометрию на ВСН-3 необходимо проводить не менее чем при трех различных частотах вращения гильзы.
По окончании реометрии производится расчет касательных напряжений и скоростей сдвига при всех использованных в процессе измерений частотах вращения гильзы.
Для перевода показаний, снимаемых по шкале BCH-3, в термины касательных напряжений сдвига зафиксированные значения углов поворота шкалы умножаются на паспортную константу «К» прибора
ti = «K» ji, (4.37)
где t i – касательное напряжение сдвига при i-й частоте вращения гильзы, Па; j i – средний (по 2–3 параллельным измерениям) угол поворота шкалы прибора при той же частоте вращения гильзы, град; «К» – константа прибора, Па/град.
Скорость сдвига в кольцевом зазоре вискозиметра при i-й частоте вращения гильзы приближенно может быть найдена по формуле
gi = p n / 15 [1 – (r/ R)2], (4.38)
где gi – скорость сдвига в с-1 при частоте вращения гильзы ni в мин -1; r – радиус измерительного элемента, мм; R– внутренний радиус гильзы, мм.
Величины r и R определяются по данным технической характеристики прибора или более точно путем непосредственного измерения штангенциркулем с ценой деления 0,02 мм.
Значения констант «К» для пружин № 1 и № 2, входящих в комплект прибора ВСН-3, приводятся в руководстве по его эксплуатации.
Константа «К» с достаточно высокой точностью может быть определена расчетным путем по формуле
«К» = (d4 Е) / [23040 r2 h (Dн - d) i], (4.39)
где Dн – наружный диаметр пружины, м; i – число рабочих витков пружины; Е – модуль упругости (для пружинных сталей Е = 2,1×1011 Па); d – диаметр проволоки, м; r – радиус измерительного элемента, м; h – высота измерительного элемента, м. (расставить).
Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что реологическое поведение промывочных жидкостей существенно зависит от температуры и давления.
Так, по мере увеличения температуры в глинистых суспензиях происходит следующее:
– снижается вязкость дисперсионной среды (воды), что приводит к обратимому снижению пластической вязкости;
– уменьшается толщина сольватной (гидратной) оболочки глинистых частиц, что облегчает их коагуляцию и флокуляцию, которые, в свою очередь, ведут к обратимому повышению динамического и статического напряжения сдвига (при очень высоких температурах структурные изменения могут стать необратимыми);
– ослабевают связи между элементарными чешуйками глины; при этом увеличивается степень ее диспергирования (термическая пептизация) и, как следствие этого, происходит необратимое повышение пластической вязкости и динамического напряжения сдвига;
– необратимо изменяются свойства реагентов вплоть до химических превращений, модификации строения или расщепления макромолекул, что обычно ведет к повышению вязкости.
Характер и степень изменения вязкости под действием температуры определяется минералогическим составом и концентрацией глины, содержанием в промывочной жидкости инертных твердых частиц, наличием в ней химических реагентов и их химическим составом, темпом и длительностью нагрева, давлением, скоростью сдвига и другими факторами. Что же касается давления, то его влияние на вязкость промывочных жидкостей на водной основе мало и связано, главным образом, с увеличением плотности дисперсионной среды в результате сжатия. Так, сжатие воды по мере роста давления от атмосферного до давления равного 70 МПа увеличивает ее вязкость примерно на 10 %.