К вопросу разработки стенда для экспериментальных исследований свойств жидких суспензий
ART 970922
Л.
С. ПышнаяБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Пышная
Л.
С.,
Николаев
В.
С.,
Булаев
И.
А.,
Коновалов
В.
В. К вопросу разработки стенда для экспериментальных исследований свойств жидких суспензий // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
2976–2980. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970922.htm.
Аннотация. В статье дан анализ конструкций ротационных вискозиметров. Выявлены недостатки конструктивной схемы и принципов работы вискозиметра. Рассмотрены возможности разработки вискозиметра для оценки реологических свойств неньютоновских жидкостей в целях оперативного контроля качества жидкого продукта. Определено направление в совершенствовании конструкции вискозиметра, которое использует принцип преобразования абсолютной величины силы, зависящей от параметра напряжений сдвига в исследуемом деформируемом материале во времени.
Текст статьи
Пышная Любовь Сергеевна, магистр ФГОУ ВО ПензГТУ», г. Пензаdinozavr468@mail.ru
Булаев Игорь Александровичмагистр ФГОУ ВО ПензГТУ», г. Пензаig.batkovich@yandex.ru
Николаев Владимир Семеновичдоцент кафедры ПП» ФГОУ ВО ПензГТУ»,г. Пензаmycolo@rambler.ru
Коновалов Владимир Викторович, д.т.н., профессор ФГОУ ВО ПензГТУ», г. Пензаkonovalovpenza@rambler.ru
К вопросу разработки стенда для экспериментальных исследований свойств жидких суспензий
Аннотация. В статье дан анализ конструкций ротационных вискозиметров. Выявлены недостатки конструктивной схемы и принципов работы вискозиметра. Рассмотрены возможности разработки вискозиметра для оценки реологических свойств неньютоновских жидкостей в целях оперативного контроля качества жидкого продукта. Определено направление в совершенствовании конструкции вискозиметра, которое использует принцип преобразования абсолютной величины силы,зависящей от параметранапряжений сдвига в исследуемом деформируемом материале во времени.Ключевые слова:вискозиметр, жидкая суспензия, вязкость, функциональные параметры.
В различных технических системах широко применяются неньютоновские жидкости, сложные реологические свойства которых, например, масел и других нефтепродуктов, существенны для условий эксплуатации систем. В технологических же процессах пищевых производств реологические свойства сырья и полуфабрикатов определяют качество пищевых изделий [2, 6]. Знание реологических свойств жидких и вязкоупругих материалов, например,параметра вязкости продукта, является основополагающим фактором, обеспечивающим технологические производственные процессы. Обеспечиваемый процессом измерения параметр вязкости должен быть представлен в виде конкретнойфизической величины. Для измерения параметра вязкости, наиболее соответствуют ротационные вискозиметры, что позволяют провести экспресс лабораторный анализ. В настоящее время известно достаточное множество приборных систем,реализующих принцип ротационного измерения вязкости, некоторыеиз них представлены в патентах [3, 4, 5]. Известные ротационные приборы различаются конструкциейэлементов измерительной ротационной системы и способом измерения противодействующего момента. Здесь выделяют четыре основных типа измерительных ротационных систем[2], а именно:
система типа цилиндрцилиндр,
система типа дискдиск;
система типа дискконус;
система, использующая тело вращения ротор, погруженное в жидкость неограниченного объема.При контакте дискдиск обеспечивается постоянный зазор между телами вращения, однако радиус мест трения изменяется, что накладывает дополнительную погрешность. Для тел дискконус изменяется и зазор,и радиус. Это крайне нежелательно. При размещении ротора в неограниченном объеме возле ротора происходит,нагрев жидкости от трения, а в силу циркуляции будет ее пульсирующее замещение из основного объема. В результате будут наблюдаться пульсации значений. Поэтому, согласно рядов авторов [6], наиболее эффективно использовать систему типа цилиндрцилиндр.Вискозиметр ротационного типа [3].Его состав показан на рисунке 1. оснащен измерительным устройством, которое состоит из наружного и внутреннего измерительного цилиндра, привода и датчика угла поворота. Наружный измерительный цилиндр имеет отверстия в стенках и днище, которые объединены между собой концентрическими металлическими трубочками посредством дугообразного двухпозиционного металлического капилляра, гибкого соединительного шланга и штуцера с объемным насосом. Реализуемая в вискозиметре техническая задача измерения величины вязкости материала в потоке ограничивается измерением угла поворота измерительного цилиндра. Это несколько снижает точность измерений и экспрессность информации о реологических свойствах исследуемого материала и стабильности показаний. Одним из факторов снижения точности будет образование вороночного эффекта.
Рис. 1.Устройство для измерения вязкости материала:1 –плита, 2 –стойка, 3 –панель, 4 основание, 5 наружный измерительный цилиндр, 6 –внутренний измерительный цилиндр, 7 –приводной вал, 8 –электродвигатель, 9 –датчик угла поворота, 10 –металлические трубочки, 11 –двухпозиционный металлический капилляр, 12 –соединительный шланг, 13 –штуцер, 14 –термостатическая ячейка с объемным насосом
Для решения технической задачи устранения вороночного эффекта на результаты измерений применяют кольцевой полусферический желоб [4], расположенный между коаксиальными цилиндрами, показанный на рисунке 2. Диаметр кольцевого полусферического желоба принимается равным величине зазора между цилиндрами.
Рис. 2.Устройство для измерения вязкости: 1 –внутренний цилиндр, 2 –наружный цилиндр, 3 –полусферический желоб
Решение технической задачи повышения диапазонов измерения реализовано в ротационном вискозиметре [5], где силоизмеритель в виде двух цилиндрических пружин различной жесткости оснащен переключателем пружин с электромагнитным приводом и связан с датчиком угла поворота. Факторами, ограничивающими применяемость вискозиметра, является сложность узла переключения диапазонов измерения. Узел силоизмерения чрезмерно чувствителен к изменениям температуры вследствие теплового дрейфа измерительных пружин. В силу этого,настройка нуля прибора производится при обеих включенных пружинах. Это ведет к возникновению погрешности в измерениях. Она может быть пропорциональна величине теплового дрейфа отключаемой пружины и вызывает дрейф нуля. Особенно это сказывается при измерении высоковязких жидкостей.Из проведенного краткого анализа существующих конструкций вискозиметров следует то, что вискозиметры в основном рассчитаны на конкретные виды продуктов и материалы, что ограничивает их функциональность и применяемость. Одним из перспективных направленийсовершенствования вискозиметров неньютоновских жидкостей может заключаться в использовании электронных систем преобразования информационного сигнала, например,тензометрического типа. Построение структурно логической схемы данноготипа преобразователя будет основываться на применении его к режимам работы вискозиметра.Обобщенная структурная схема тензорезисторного датчика, основанана регистрации преобразования сил деформаций продукта, представлена на рисунке 3. Измеряемый продукт,расположенный между коаксиальными пластинами, преобразуется в усилие его сдвига , которое преобразуется в деформацию упругого элемента. Деформация упругого элемента преобразуется в изменение сопротивления тензорезистора, и которое в свою очередь в измерительной электрической цепи преобразуется в выходное напряжение . В рассмотренной последовательности преобразователей четко выражается их различие по физическим основам преобразования и закономерности связи одной физической величины с другой.
Рис.3.Структурная схема тензорезисторного датчика.
Функциональные зависимости и уравнения, характеризующие взаимосвязь указанных физических параметров, имеют вид:
где
параметры первичного преобразователя вискозиметра;
относительная деформация участка упругого элемента;
длина измерительного участка упругого элемента, м;
жесткость упругого элемента;
коэффициент тензочувствительности в направлении базы тензорезистора;
сопротивление тензорезистора, Ом.Очевидно, что в таком преобразователе физические процессы будут подчиняться связи между входной и выходной величинам .Ротационные вискозиметрыреометры, в которых исследуемый материал подвергается деформированию при известной и почти постоянной однородной скорости сдвига, позволяют экспериментально изучить реологические характеристики кривых течения сложных неньютоновских сред и измерять не только вязкость в диапазоне 103...1012Па∙с ньютоновских жидкостей, но и получить реологические характеристики неньютоновских жидкостей [5].Регистрация параметров относительно силы трения между слоями исследуемого продукта, рассмотрим в сечении слоя продукта в коаксиальном зазоре, между измерительным подвижным цилиндрами, по нормали к оси ротора прибора, как показано на рисунке 4. Здесь, в контролируемой среде, расположенной между внутренней поверхностью вращающейся гильзы площадью и внешней поверхностью площадью измерительного элемента, происходят сдвиговые напряжения. Возникающая сила внутреннего трения участка жидкости на радиусе обуславливается вязкостью, и скорость ее движения тем ниже, чем ближе она к измерительного элемента. Согласно теории Ньютона касательное напряжение на радиусе определится зависимостью[2],
(1)и в случае градиента скорости элементарного участка жидкости, характеризующегося удалением , через динамическую вязкость касательное напряжение составит,
(2)
Рис.4.Сечениерабочего органа вискозиметра
Внутренний момент, образованный за счет вязкого сопротивления , равен произведению силы вязкого сопротивления на радиус, и с учетом 1 и 2 имеем.
(3)Уравнение 3 решается относительно вязкости ,для жидкого цилиндрического кольца толщиной по высоте контакта с измерительным элементом площадью . Выразив линейную скорость вращающейся гильзы через угловую ,имеем прямую зависимость вязкости жидкости от силы вязкого сопротивления получим.
(4)вычислим кинематическую вязкость
где –угловая скорость вращения ротора, 1/с; –плотность исследуемой жидкости, кг/м3.Уравнение 4 показывает, что сила вязкого сопротивления ,через геометрические параметры прибора и скорость вращения ротора, связана с вязкостью жидкости , и будет определяться по формуле[2].
(5)По формуле 5, по известным значениям динамических вязкостей исследуемых жидких материалов, можно рассчитать ожидаемый диапазон сил, по которым строится чувствительный элемент тензометрического преобразователя.Представленный методический подход, к определению динамической вязкости, позволяет упростить процесс исследований, который включает процесс измерения и расчета измеряемого параметра.Совершенствование конструкции устройства, для определения вязкости, должно идти по направлению точности измерений, с использованием электронного оснащения, что позволит использовать цифровые вычислительные системыопределяющие экспресс анализ. Сама задача совершенствования конструкции вискозиметра позволит уменьшить габаритыего измерительного узла и повысить точность измерений.
ΩСсылки на источники1.Авроров, В.А. О возможности исследования прямых силовых параметров вязкости жидкообразных продуктов на вискозиметре ротационного типа. / В.А. Авроров, В.С. Николаев, Старостин М.Н.: Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: сборник статей VМеждународной научнопрактической конференции. –Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. с. 15 –19.2.Авроров, В.А. Основы реологии пищевых продуктов: учебное пособие / В. А. Авроров, Н. Д. Тутов. —Старый Оскол: ТНТ, 2014. —268 с.3.Патент № 2324919 Российская Федерация, МПК G01N.Устройство для измерения вязкости материала [Текст] / Смирных А.А., Серегин Д.Н., ШутилинД.Н., Кузнецова Е.В., Родионова Н.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Воронежская Государственная Технологическая Академия" RU. –№ 2006142190; заявл. 29.11.2006; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.4.Полезная модель № 63533 Российская Федерация, МПК G01N. Ротационный вискозиметр [Текст] / Сафонов Ю.К.; заявитель и патентообладатель "СанктПетербургский государственный технологический университет растительных полимеров" RU. –№ 2006147399; заявл. 28.12.2006; опубл. 27.05.2007, Бюл. № 15.5.Пат. 2196318 Российская Федерация, МПК G01N. Ротационный вискозиметр [Текст] / Пирогов А.Н., Леонов А.А.; заявитель и патентообладатель "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" RU. –№ 2000133072; заявл. 29.12.2000; опубл. 10.01.2003, Бюл. № 1.6.Пирогов, А.Н. Инженерная реология. Учебное пособие / А.Н. Пирогов, Д.В. Доня. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Кемерово, 2004. –110 с.: ил.
Булаев Игорь Александровичмагистр ФГОУ ВО ПензГТУ», г. Пензаig.batkovich@yandex.ru
Николаев Владимир Семеновичдоцент кафедры ПП» ФГОУ ВО ПензГТУ»,г. Пензаmycolo@rambler.ru
Коновалов Владимир Викторович, д.т.н., профессор ФГОУ ВО ПензГТУ», г. Пензаkonovalovpenza@rambler.ru
К вопросу разработки стенда для экспериментальных исследований свойств жидких суспензий
Аннотация. В статье дан анализ конструкций ротационных вискозиметров. Выявлены недостатки конструктивной схемы и принципов работы вискозиметра. Рассмотрены возможности разработки вискозиметра для оценки реологических свойств неньютоновских жидкостей в целях оперативного контроля качества жидкого продукта. Определено направление в совершенствовании конструкции вискозиметра, которое использует принцип преобразования абсолютной величины силы,зависящей от параметранапряжений сдвига в исследуемом деформируемом материале во времени.Ключевые слова:вискозиметр, жидкая суспензия, вязкость, функциональные параметры.
В различных технических системах широко применяются неньютоновские жидкости, сложные реологические свойства которых, например, масел и других нефтепродуктов, существенны для условий эксплуатации систем. В технологических же процессах пищевых производств реологические свойства сырья и полуфабрикатов определяют качество пищевых изделий [2, 6]. Знание реологических свойств жидких и вязкоупругих материалов, например,параметра вязкости продукта, является основополагающим фактором, обеспечивающим технологические производственные процессы. Обеспечиваемый процессом измерения параметр вязкости должен быть представлен в виде конкретнойфизической величины. Для измерения параметра вязкости, наиболее соответствуют ротационные вискозиметры, что позволяют провести экспресс лабораторный анализ. В настоящее время известно достаточное множество приборных систем,реализующих принцип ротационного измерения вязкости, некоторыеиз них представлены в патентах [3, 4, 5]. Известные ротационные приборы различаются конструкциейэлементов измерительной ротационной системы и способом измерения противодействующего момента. Здесь выделяют четыре основных типа измерительных ротационных систем[2], а именно:
система типа цилиндрцилиндр,
система типа дискдиск;
система типа дискконус;
система, использующая тело вращения ротор, погруженное в жидкость неограниченного объема.При контакте дискдиск обеспечивается постоянный зазор между телами вращения, однако радиус мест трения изменяется, что накладывает дополнительную погрешность. Для тел дискконус изменяется и зазор,и радиус. Это крайне нежелательно. При размещении ротора в неограниченном объеме возле ротора происходит,нагрев жидкости от трения, а в силу циркуляции будет ее пульсирующее замещение из основного объема. В результате будут наблюдаться пульсации значений. Поэтому, согласно рядов авторов [6], наиболее эффективно использовать систему типа цилиндрцилиндр.Вискозиметр ротационного типа [3].Его состав показан на рисунке 1. оснащен измерительным устройством, которое состоит из наружного и внутреннего измерительного цилиндра, привода и датчика угла поворота. Наружный измерительный цилиндр имеет отверстия в стенках и днище, которые объединены между собой концентрическими металлическими трубочками посредством дугообразного двухпозиционного металлического капилляра, гибкого соединительного шланга и штуцера с объемным насосом. Реализуемая в вискозиметре техническая задача измерения величины вязкости материала в потоке ограничивается измерением угла поворота измерительного цилиндра. Это несколько снижает точность измерений и экспрессность информации о реологических свойствах исследуемого материала и стабильности показаний. Одним из факторов снижения точности будет образование вороночного эффекта.
Рис. 1.Устройство для измерения вязкости материала:1 –плита, 2 –стойка, 3 –панель, 4 основание, 5 наружный измерительный цилиндр, 6 –внутренний измерительный цилиндр, 7 –приводной вал, 8 –электродвигатель, 9 –датчик угла поворота, 10 –металлические трубочки, 11 –двухпозиционный металлический капилляр, 12 –соединительный шланг, 13 –штуцер, 14 –термостатическая ячейка с объемным насосом
Для решения технической задачи устранения вороночного эффекта на результаты измерений применяют кольцевой полусферический желоб [4], расположенный между коаксиальными цилиндрами, показанный на рисунке 2. Диаметр кольцевого полусферического желоба принимается равным величине зазора между цилиндрами.
Рис. 2.Устройство для измерения вязкости: 1 –внутренний цилиндр, 2 –наружный цилиндр, 3 –полусферический желоб
Решение технической задачи повышения диапазонов измерения реализовано в ротационном вискозиметре [5], где силоизмеритель в виде двух цилиндрических пружин различной жесткости оснащен переключателем пружин с электромагнитным приводом и связан с датчиком угла поворота. Факторами, ограничивающими применяемость вискозиметра, является сложность узла переключения диапазонов измерения. Узел силоизмерения чрезмерно чувствителен к изменениям температуры вследствие теплового дрейфа измерительных пружин. В силу этого,настройка нуля прибора производится при обеих включенных пружинах. Это ведет к возникновению погрешности в измерениях. Она может быть пропорциональна величине теплового дрейфа отключаемой пружины и вызывает дрейф нуля. Особенно это сказывается при измерении высоковязких жидкостей.Из проведенного краткого анализа существующих конструкций вискозиметров следует то, что вискозиметры в основном рассчитаны на конкретные виды продуктов и материалы, что ограничивает их функциональность и применяемость. Одним из перспективных направленийсовершенствования вискозиметров неньютоновских жидкостей может заключаться в использовании электронных систем преобразования информационного сигнала, например,тензометрического типа. Построение структурно логической схемы данноготипа преобразователя будет основываться на применении его к режимам работы вискозиметра.Обобщенная структурная схема тензорезисторного датчика, основанана регистрации преобразования сил деформаций продукта, представлена на рисунке 3. Измеряемый продукт,расположенный между коаксиальными пластинами, преобразуется в усилие его сдвига , которое преобразуется в деформацию упругого элемента. Деформация упругого элемента преобразуется в изменение сопротивления тензорезистора, и которое в свою очередь в измерительной электрической цепи преобразуется в выходное напряжение . В рассмотренной последовательности преобразователей четко выражается их различие по физическим основам преобразования и закономерности связи одной физической величины с другой.
Рис.3.Структурная схема тензорезисторного датчика.
Функциональные зависимости и уравнения, характеризующие взаимосвязь указанных физических параметров, имеют вид:
где
параметры первичного преобразователя вискозиметра;
относительная деформация участка упругого элемента;
длина измерительного участка упругого элемента, м;
жесткость упругого элемента;
коэффициент тензочувствительности в направлении базы тензорезистора;
сопротивление тензорезистора, Ом.Очевидно, что в таком преобразователе физические процессы будут подчиняться связи между входной и выходной величинам .Ротационные вискозиметрыреометры, в которых исследуемый материал подвергается деформированию при известной и почти постоянной однородной скорости сдвига, позволяют экспериментально изучить реологические характеристики кривых течения сложных неньютоновских сред и измерять не только вязкость в диапазоне 103...1012Па∙с ньютоновских жидкостей, но и получить реологические характеристики неньютоновских жидкостей [5].Регистрация параметров относительно силы трения между слоями исследуемого продукта, рассмотрим в сечении слоя продукта в коаксиальном зазоре, между измерительным подвижным цилиндрами, по нормали к оси ротора прибора, как показано на рисунке 4. Здесь, в контролируемой среде, расположенной между внутренней поверхностью вращающейся гильзы площадью и внешней поверхностью площадью измерительного элемента, происходят сдвиговые напряжения. Возникающая сила внутреннего трения участка жидкости на радиусе обуславливается вязкостью, и скорость ее движения тем ниже, чем ближе она к измерительного элемента. Согласно теории Ньютона касательное напряжение на радиусе определится зависимостью[2],
(1)и в случае градиента скорости элементарного участка жидкости, характеризующегося удалением , через динамическую вязкость касательное напряжение составит,
(2)
Рис.4.Сечениерабочего органа вискозиметра
Внутренний момент, образованный за счет вязкого сопротивления , равен произведению силы вязкого сопротивления на радиус, и с учетом 1 и 2 имеем.
(3)Уравнение 3 решается относительно вязкости ,для жидкого цилиндрического кольца толщиной по высоте контакта с измерительным элементом площадью . Выразив линейную скорость вращающейся гильзы через угловую ,имеем прямую зависимость вязкости жидкости от силы вязкого сопротивления получим.
(4)вычислим кинематическую вязкость
где –угловая скорость вращения ротора, 1/с; –плотность исследуемой жидкости, кг/м3.Уравнение 4 показывает, что сила вязкого сопротивления ,через геометрические параметры прибора и скорость вращения ротора, связана с вязкостью жидкости , и будет определяться по формуле[2].
(5)По формуле 5, по известным значениям динамических вязкостей исследуемых жидких материалов, можно рассчитать ожидаемый диапазон сил, по которым строится чувствительный элемент тензометрического преобразователя.Представленный методический подход, к определению динамической вязкости, позволяет упростить процесс исследований, который включает процесс измерения и расчета измеряемого параметра.Совершенствование конструкции устройства, для определения вязкости, должно идти по направлению точности измерений, с использованием электронного оснащения, что позволит использовать цифровые вычислительные системыопределяющие экспресс анализ. Сама задача совершенствования конструкции вискозиметра позволит уменьшить габаритыего измерительного узла и повысить точность измерений.
ΩСсылки на источники1.Авроров, В.А. О возможности исследования прямых силовых параметров вязкости жидкообразных продуктов на вискозиметре ротационного типа. / В.А. Авроров, В.С. Николаев, Старостин М.Н.: Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы: сборник статей VМеждународной научнопрактической конференции. –Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. с. 15 –19.2.Авроров, В.А. Основы реологии пищевых продуктов: учебное пособие / В. А. Авроров, Н. Д. Тутов. —Старый Оскол: ТНТ, 2014. —268 с.3.Патент № 2324919 Российская Федерация, МПК G01N.Устройство для измерения вязкости материала [Текст] / Смирных А.А., Серегин Д.Н., ШутилинД.Н., Кузнецова Е.В., Родионова Н.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Воронежская Государственная Технологическая Академия" RU. –№ 2006142190; заявл. 29.11.2006; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.4.Полезная модель № 63533 Российская Федерация, МПК G01N. Ротационный вискозиметр [Текст] / Сафонов Ю.К.; заявитель и патентообладатель "СанктПетербургский государственный технологический университет растительных полимеров" RU. –№ 2006147399; заявл. 28.12.2006; опубл. 27.05.2007, Бюл. № 15.5.Пат. 2196318 Российская Федерация, МПК G01N. Ротационный вискозиметр [Текст] / Пирогов А.Н., Леонов А.А.; заявитель и патентообладатель "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" RU. –№ 2000133072; заявл. 29.12.2000; опубл. 10.01.2003, Бюл. № 1.6.Пирогов, А.Н. Инженерная реология. Учебное пособие / А.Н. Пирогов, Д.В. Доня. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Кемерово, 2004. –110 с.: ил.
