Устройство и принцип действия прибора

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление ее течению под действием сдвига. Измерение вязкости, прежде всего, требует определения параметров, используемых при описании процесса течения. Затем необходимо подобрать соответствующие условия испытаний, позволяющие измерить характеристики течения объективно и воспроизводимо. Основной закон вискозиметрии, описывающий течение идеальной жидкости, впервые сформулировал И. Ньютон. Однако данное уравнение не подходит для описания течения большинства пищевых масс, для них характерно резкое снижение вязкости при повышении скорости сдвига, т.к. они в большинстве своем относятся к неньютоновским псевдопластичным жидкостям. Течение таких жидкостей можно описать модельными уравнениями течения: Оствальда-де Виля, Бингама, Кассона, Кросса и др.

Наиболее часто применяется уравнение Оствальда-де Виля, хорошо описывающее экспериментальные вискозиметрические зависимости:

η=К·γⁿ;

где η – вязкость, Па*с; К,n – коэффициенты; γ – скорость сдвига

Для большинства пищевых масс эффект снижения вязкости под влиянием сдвига является обратимым, т.е. жидкость восстанавливает начальную высокую вязкость при снижении скорости сдвига или в состоянии покоя (эффект тиксотропии).

Наибольшее распространение для исследования реологических свойств неньютоновских материалов получили ротационные вискозиметры.

Вискозиметр ротационный HAAKE VT7R-plus (рис.1) представляет собой настольный портативный прибор, предназначенный для определения динамической вязкости и значений напряжений сдвига различных жидких и вязкопластичных сред (в том числе пищевых масс). Технические характеристики прибора представлены в таблице 1.

кронштейн измерительной головки

измерительная головка

ротор

измерительный стакан

Рисунок 1 – Общий вид ротационного вискозиметра HAAKE VT7R-plus

Таблица 1 – Технические характеристики ротационного вискозиметра HAAKE VT7R-plus

Точность	1% всей шкалы для данного диапазона
Воспроизводимость	0.2% всей шкалы для данного диапазона
Рабочий диапазон	для веществ со средней и высокой вязкостью 20-13000000 мПа*с в зависимости от диапазона
Скорость вращения ротора	0.3, 0.5, 0.6, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 20, 30, 50, 60, 100 и 200 об/мин с точностью поддержания 0.5% от абсолютного значения
Питание	200-240 В при частоте 50 Гц
Температура окружающей среды	+10 – (+40) ºС
Относительная влажность	< 80%

В ротационных вискозиметрах применяются два основных варианта геометрии измерительных систем:

CS-вискозиметры (с контролируемым напряжением) – позволяют задавать напряжение и определять полученную в результате величину скорости сдвига;

CR-вискозиметры (с контролируемой скоростью сдвига) – позволяют задавать скорость сдвига и определять полученное в результате этого напряжение сдвига.

Некоторые современные вискозиметры могут работать в обоих режимах испытаний, но они обладают другим дополнительным техническим отличием, а именно: они снабжены измерительными системами Серле или Куэтта.

Принцип Серле заключается в том, что внешний цилиндр (стакан) неподвижен, и в нем можно задавать определенную температуру с помощью рубашки или внешней термостатирующей бани, а внутренний цилиндр (ротор) вращается специальным мотором. Скорость вращения ротора в данном случае обратно пропорциональна вязкости исследуемого образца.

Принцип Куэтта отличается от предыдущего тем, что внешний цилиндр вращается с определенной скоростью двигателем. Вращение внешнего цилиндра вызывает течение жидкости в кольцевом зазоре. Из-за сопротивления жидкости, подвергаемой сдвигу, крутящий момент, пропорциональный вязкости исследуемого образца, передается на внутренний цилиндр. Этот крутящий момент определяют, измеряя противодействующий крутящий момент, необходимый для того, чтобы внутренний цилиндр оставался неподвижным. Термостатирование внешнего цилиндра в этом случае технически сложно и достаточно дорого.

Вискозиметр HAAKE VT7R-plus относится к приборам с контролируемой скоростью сдвига (CR-вискозиметрам), он работает по тому же принципу, что и другие ротационные вискозиметры, т.е. цилиндр (или диск/ротор) погружается в измеряемое вещество и измеряется сила, необходимая чтобы преодолеть вязкое трение, возникающее при вращении. Ось мотора соединена пружиной с вращающимся цилиндром (или диском / ротором) и вращается с определенной скоростью. Угол отклонения ротора относительно измеряющей пружины измеряется с помощью электроники и в результате определяется величина крутящего момента. Измеренный вискозиметром крутящий момент пересчитывается с учетом скорости и геометрии ротора и в результате выдается величина вязкости в Па*с.

Вискозиметр обладает достаточно широким набором скоростей (0.3, 0.5, 0.6, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 20, 30, 50, 60, 100 и 200 об/мин) и комплектуется набором стандартных роторов (рис.2) от второго до седьмого, выбор которых осуществляется в зависимости от вязкости исследуемой среды (табл.2) и величины прикладываемого напряжения.

Рисунок 2 – Стандартные роторы вискозиметра HAAKE VT7R-plus

Ротор R2 используется для наименее вязких веществ, а ротор R7 для наиболее вязких. Различные комбинации типов роторов и скоростей деформации позволяют получать оптимальные показания во всем широком диапазоне измерений прибора. При определении реологических свойств того или иного вещества, диапазон измерений можно изменить использованием другой скорости, смена ротора не всегда необходима. Выбор зависит от того стандарта (ISO/ASTM), которому необходимо следовать.

Таблица 2 – Ориентировочные максимальные значения вязкости (Па·с) для разных роторов

Об/мин	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
0,1	1,0∙10⁵	4,0∙10⁵	1,0∙10⁶	2,0∙10⁶	3,9∙10⁶	1,0∙10⁷	4,0∙10⁷
0,2	5∙10⁴	2∙10⁵	5∙10⁵	1∙10⁶	2∙10⁵	5∙10⁶	2∙10⁷
0,3	33,3∙10³	133,3∙10³	333,3∙10⁵	6,7∙10⁵	1,3∙10⁶	33,3∙10⁶	13,3∙10⁶
0,5	2∙10⁴	8∙10⁴	2∙10⁵	4∙10⁵	8∙10⁵	2∙10⁶	8∙10⁶
0,6	16,6∙10³	66,6∙10³	166,6∙10³	333,3∙10³	666,6∙10³	1,6∙10⁶	6,6∙10⁶
	1∙10⁴	4∙10⁴	1∙10⁵	2∙10⁵	4∙10⁵	1∙10⁶	4∙10⁶
1,5	6,6∙10³	26,6∙10³	66,6∙10³	133,3∙10³	266,6∙10³	666,6∙10³	2,6∙10⁶
	5∙10³	2∙10⁴	5∙10⁴	1∙10⁵	2∙10⁵	5∙10⁵	2∙10⁶
2,5	4∙10³	16∙10³	4∙10⁴	8∙10⁴	16∙10⁴	4∙10⁵	1,6∙10⁶
	3,3∙10³	13,3∙10³	33,3∙10³	66,6∙10³	133,3∙10³	333,3∙10³	1,3∙10⁶
	2,5∙10³	1∙10⁴	2,5∙10⁴	5∙10⁴	1∙10⁵	25∙10⁴	1∙10⁶
	2∙10³	6∙10³	2∙10⁴	4∙10⁴	8∙10⁴	2∙10⁵	8∙10⁵
	1,6∙10³	6,6∙10³	16,6∙10³	33,3∙10³	66,6∙10³	166,6∙10³	666,6∙10³
	1∙10³	4∙10³	1∙10⁴	2∙10⁴	4∙10⁴	1∙10⁵	4∙10⁵
	8,33∙10²	3,3∙10³	8,3∙10³	16,6∙10³	33,3∙10³	83,3∙10³	333,3∙10³
	5∙10²	2∙10³	5∙10³	1∙10⁴	2∙10⁴	5∙10⁴	2∙10⁵
	33,3∙10²	1,3∙10³	3,3∙10³	6,6∙10³	13,3∙10³	33,3∙10³	133,3∙10³
	2∙10²	8∙10²	2∙10³	4∙10³	8∙10³	2∙10⁴	8∙10⁴
	1,66∙10²	6,6∙10²	1,6∙10³	3,3∙10³	6,6∙10³	16,6∙10³	66,6∙10³
	1∙10²	4∙10²	1∙10³	2∙10³	4∙10³	1∙10⁴	4∙10⁴
		2∙10²	5∙10²	1∙10³	2∙10³	5∙10³	2∙10⁴
Дискрет-ность показателей	1 мПа ∙ c	1 мПа ∙ c	10 мПа ∙ c	10 мПа ∙ c	10 мПа ∙ c	100 мПа ∙ c	100 мПа ∙ c

Управление прибором может осуществляться в ручном и автоматическом (удаленном) режимах.

В ручном режиме управление осуществляется с помощью клавиш управления прибором («Старт», «Стоп», «Ввод», «Вверх», «Вниз») и дисплея расположенных на лицевой панели измерительной головки. Для проведения испытаний необходимо задать 2 параметра: номер ротора и величину скорости вращения.

В автоматическом (удаленном) режиме управление прибором, а также хранение и обработка результатов исследования осуществляется с помощью персонального компьютера по средствам программного обеспечения HAAKE RheoWin 3. Программное обеспечение состоит из трех модулей: RheoWin 3 Job Manager, RheoWin 3 Data Manager, RheoWin 3 User Manager.

RheoWin 3 User Manager позволяет пользователям осуществлять администрирование, т.е. контролировать доступ каждого пользователя к программе RheoWin. RheoWin 3 Job Manager позволяет запрограммировать всю процедуру измерений. Здесь определяются все шаги измерения, служебные действия, такие как сохранение результатов и построение зависимостей. RheoWin 3 Data Manager представляет собой программу для отображения и редактирования сохраненных данных.

Пример экспериментальных зависимостей полученных при измерениях на ротационном вискозиметре HAAKE VT7R-plus представлен на рис.3.

Параметры измерения

Зависимость напряжения сдвига (Па) от скорости деформации (с^-1)

Рисунок 3 – Результаты экспериментальных исследований