Віскозиметри капілярного типу застосовуються для визначення в'язкості матеріалів, що володіють відносно невеликий її величиною: м'ясо-кісткового бульйону, крові і топленого жиру, соняшникових і соєвих місцелли, розчинів мила, мигдального, а арахісового масел, кондитерського жиру. Капілярні віскозиметри не мають нестачі, властивого ротаційні-ним віскозиметрах: в капілярі безперервно піддається зрушенню знову посту-Пающіє рідина, і тепловиділення несуться з матеріалом, тоді як в рота-ційних віскозиметрах один і той же випробуваний матеріал знаходиться в зазо-ре віскозиметра протягом всього досвіду. Теорія капілярних віскозиметрів була розроблена дещо пізніше, ніж теорія ротаційних віскозиметрів.
У свій час заперечували можливість застосування капілярних віскозиметрів для визначення реологічних властивостей матеріалів при зсуві, бо в капілярі відбувається неоднорідний-менш однорідний, ніж в ротаційних віско-зіметрах, зрушення матеріалу.
В капілярних віскозиметрах задаються або постійним у всіх дослідах витратою досліджуваної рідини, або постійним перепадом тиску в капілярах. У віскозиметрах з постійною витратою вимірюється перепад тиску між кінцями капіляра, в приладі з постійним тиском - витрата матеріалу.
Кожен вискозиметр складається з наступних частин: ємності для досліджуваного матеріалу, каліброваного капіляра, пристосувань для визначення і регулювання тиску, визначення швидкості течії (або закінчення) матеріалу, визначення температури.
Принцип дії капілярних віскозиметрів заснований на безперервному зсуві в капілярі знову надходить рідини і постійному віднесенні з матеріалом теплоти, що виділяється. Капілярні віскозиметри мають розмір капіляра від 0,3 до 0,7 мм, що дозволяє вимірювати в'язкість в широкому діапазоні. При виборі віскозиметра слід мати на увазі, що час витікання рідини має становити від 1 до 3 хв. В іншому випадку точність визначення в'язкості буде низькою.
Капілярні віскозиметри можна розділити на три групи:
W циліндр - поршень
W прилади закінчення, постійного і змінного рівня
До першої групи приладів відносяться найпростіші віскозиметри, що представляють собою U - образні трубки, в одне з колін яких поміщений капіляр (ВПЖ-1, візкозіметр Уббелоде, Оствальда). У вискозиметре Уббелоде, представленому на малюнку 6а, для витікання рідини необхідно в одному з колін примусово створювати тиск або розрідження. Капіляр в приладі розташовується вертикально, що представляє певні труднощі при роботі з рідинами, що володіють значною в'язкістю і поверхневий натяг. Далі трубки з'єднуються з атмосферою, і визначається час витікання рідини з резервуара через капіляр в резервуар. Час закінчення відраховується при зниженні рівня рідини в трубці з резервуарами від ризики m1 до m2. Знаючи час витікання рідини, знаходять вимірювану в'язкість.
а - Убеллоде; б - Оствальда; 1 - ємність для вимірювання кількості
протікає через капіляр рідини; 2 - капіляр; 3 - ємність для збору
Малюнок 5 - Капілярні віскозиметри
Капілярні віскозиметри ВПЖ (типу Уббелоде) дозволяють визначати кінематичну в'язкість рідини в діапазоні від 0,6 до 104 мм 2 / с при температурі не вище 100 ° С. Вимірювання в'язкості зводиться до визначення часу закінчення через капіляр заданого діаметра певної кількості рідини з вимірювального резервуара.
У вискозиметре Оствальда (малюнок 6б) перетікання рідини з одного коліна в інше відбувається під впливом гідростатичного тиску з ємності з ризиками (m1 - m2) досліджуваний матеріал протікає через капіляр. При роботі на вискозиметре Оствальда підбирають такий обсяг випробуваної рідини, щоб після заповнення лівого коліна до верхньої мітки в нижній частині правої ємності ледь виступав меніск рідини. Прилад поміщають в термостат і зміцнюють його вертикально. Рідина термостатируют 20 -25 хв, після чого за допомогою гумової трубочки її засмоктують в ліве коліно до такого положення, щоб меніск був на 2 - 3 мм вище верхньої мітки, і дають рідини вільно стікати через капіляр. Коли меніск буде на рівні мітки, включають секундомір і вимірюють час проходження рідини між мітками. В'язкість на приладах Уббелоде і Оствальда зазвичай визначають по відношенню до відомої в'язкості стандартної рідини (вода, касторове масло, гліцерин). В'язкості двох рідин, виміряні при рівних умовах в одному і тому ж капілярі, будуть ставитися як
де # 951; 0. # 951; - в'язкість відповідно до стандартної і досліджуваної рідини, Па · с; # 961; 0. # 961; - щільність відповідно до стандартної і досліджуваної рідини, кг / м 3; # 964; 0. # 964; - час закінчення відповідно до стандартної і досліджуваної рідини, с.от рівня m1 до рівня m2.
Малюнок 6 - Капілярні скляні віскозиметри
На вискозиметре Оствадьда - Фенске (малюнок 6в) можна визначати в'язкість в межах від 1 до 8000 мм 2 / с, знаходячи час переміщення матеріалу від рівня m1 до рівня m2.
Віскозиметри ВПЖ-1, ВПЖ-2 і ВПЖ-4 рекомендується використовувати для оцінки якості желатину по його в'язкості. Вимірювання слід проводити при температурі 40 ° С і концентрації 10%. Прилад ВПЖ-1 дозволяє визначати в'язкість меляси і мелассного розчинів при зміні температури від 20 до 120 ° С і концентрації сухих речовин від 7 до 79%. За допомогою віскозиметра Оствальда вивчалася залежність в'язкості від температури для м'ясо-кісткового бульйону і технічної дефібрірованной крові, виноградного соку, а також в'язкість водно-спиртових та водно-спіртово- цукрових розчинів. В області температур 40 - 95 ° С залежність в'язкості м'ясо-кісткового бульйону від температури описується статечним рівнянням. Зі збільшенням температури і зменшенням концентрації сухих речовин в'язкість бульйону знижується. Наприклад, при концентрації 16% в'язкість дорівнює 6,67 · 10-3 Па · с, а при 90 ° С - 2,69 · 10-3 Па · с. В'язкість топленого яловичого жиру при температурі 50 ° С дорівнює 29 · 10-3 Па · с, а при 90 ° С - 10 · 10-3 Па · с, в'язкість риб'ячого жиру відповідно дорівнює 11,5 · 10-3 і 3,7 · 10-3 Па · с.
До другої группеотносятся прилади, в яких протягом матеріалу відбувається за рахунок, гідравлічного, пневматичного або механічного переміщення поршня в циліндрі. (Візкозіметр типу Арвесон, Азарова і ін.). Такі віскозиметри можна використовувати для вивчення як ньютонівських, так і неньютоновскіх матеріалів.
Вискозиметр типу Арвесон з гідравлічним приводом (рисунок 7а) складається з циліндра 5, поршня 3, переміщення якого походить від нагнітається рідини 2. Привід шестерневого насоса 7 здійснюється від електродвигуна 8. Тиск у гідравлічній системі контролюється манометром 1. Досліджувана маса 4 за допомогою поршня 3 продавлюється через капіляр 6, при цьому заміряються тиск і швидкість випрессовиванія. Вискозиметр має 8 змінних капілярів з нержавіючої сталі. При швидкості зсуву 10 с -1 можна визначити в'язкість в межах від 2,5 до 104 Па · с, а при швидкості 1,5 · 10 -4 с - від 0,1 до 10 Па · с. Вискозиметр Б.М. Азарова призначений для вивчення реологічних властивостей високов'язких тестових і цукеркових мас. Він складається (рисунок 7б) з рами, системи силового гідравлічного приводу 1, робочого циліндра 2 з сорочкою 3 для термостатирует рідини, блоку електротензометрічеських апаратури. Гідропривід складається з насоса високого тиску, масляного бака, силового гідравлічного циліндра, двох дросельних кранів і манометра. Робочий циліндр 2 з днищем 5 забезпечений поршнем 6 і капіляром 4. Циліндр, днище і капіляр мають водяні сорочки 3, з'єднані з термостатом. Електротензометрічеських апаратура складається з датчика тиску, вбудованого в днище циліндра, датчика температури, встановленого в каналі капіляра, підсилювача і осцилографа. Витрата матеріалу визначається за допомогою різального механізму, який являє собою два електромагніту-соленоїда, на сердечниках яких закріплений спеціальний ніж-струна, підвішений під обріз капіляра.
Малюнок 7 - Віскозиметри з гідравлічним приводом.
Важливою перевагою капілярної віскозиметрії є можливість моделювання реальних технологічних процесів, тому ці методи широко використовуються при дослідженні формування видавлюванням, транспортування по каналах різної довжини і форми, а також визначення залежності реологічних характеристик продуктів від технологічних факторів.
Третя група - візкозіметри змінного рівня або вільне витікання, прилади, принцип дії яких заснований на закінчення матеріалу під дією власної маси. Основним вузлом є ємність з розташованої внизу капілярної трубкою. Витрата рідини підтримується постійним, а рівень її змінюється пропорційно в'язкості. Вимірюючи висоту рівня, знаходять значення досліджуваної в'язкості. Одним з приладів змінного рівня є віскозиметр Лейба, який складається з двох судин, розташованих один під іншим. Рідина надходить у верхню судину і випливає з капіляри в нижній з більш довгим капіляром. Стаціонарний стан встановлюється при певному гідростатичному стовпі рідини в нижньому посудині. По висоті цього стовпа судять про значення в'язкості даної рідини.
Віскозиметри постійного рівня (рисунок 8) засновані на спостереженні за характером струменя рідини, яка витікає з капіляра, по якому судять про величину в'язкості. На певній відстані від сопла-капіляра 1 відбувається дроблення струменя, причому, чим менше в'язкість рідини, тим менше відстань до місця дроблення. Пристрій для слідкування у вигляді каретки з фотоелементом 3 перемішається вздовж трубки 2. При проходженні фотоелементом точки дроблення в ланцюзі змінюється фототок, який реєструється вторинним приладом.
Малюнок 8 - Вискозиметр постійного рівня
На закінчення розглянемо три найпростіших капілярних віскозиметра закінчення - Енглера, Редвуд і Форда, які хоча і не мають теоретичного обґрунтування, проте часто застосовуються в виробничих технічних лабораторіях. До істотних недоліків приладів відносяться короткий робочий капіляр, змінне гідростатичний тиск, неточність розподілу термостатирует рідини та ін. Тому їх не рекомендують використовувати при наукових дослідженнях.
Вискозиметр Енглера призначений для визначення відносного часу витікання рідин, тобто для визначення в'язкості в градусах Енглер. На малюнку 9 дана схема такого віскозиметра марки ОВ-108 (ВНР). Резервуар 5 заповнюється випробуваної рідиною до покажчика рівня 7 (близько 200 см3). Після видалення палички 2 рідина витікає через трубку 9. При цьому визначається час витікання # 964; ж. Контрольний досвід проводиться на такій же кількості дистильованої води з визначенням часу її витікання # 964; ж.). В'язкість в градусах Енглер визначається відношенням
# 964; ж. - визначається час витікання 200 мл випробуваної рідини, с;
# 964; ж. - час закінчення такого ж обсягу дистильованої води при 20 ° С.
Температура термоcтатірующей рідини в посудині 6 підтримується нагрівачем 5, вбудованим в дно водяної бані, і регулюється тиристорним регулятором. Для вирівнювання температури є мішалка 10 з ручкою 1. Температура вимірюється термометрами 3 і 4. Стічна трубка має довжину 20 мм, верхній діаметр 2,9 мм і нижній - 2,8 мм. Потужність нагрівача 400 Вт. Прилад досить широко використовується для вимірювання в'язкості різних рідин в виробничих умовах. Для перерахунку в'язкості в градусах Енглер в одиниці динамічної в'язкості в літературі є різні емпіричні формули, наприклад
де # 951; - динамічна в'язкість, Па · с; ° Е - в'язкість в градусах Енглер; # 961; - щільність рідини, кг / м3.
Малюнок 9 - Вискозиметр Енглера
Вискозиметр Енглера застосовували для маловязких харчових продуктів: м'ясо-кісткового бульйонів, розчинів желатину, молочних виробів і т.п. За даними А.А. Соколова, в'язкість стандартного розчину клею (17,75% сухої речовини) при 30 ° С знаходиться в межах від 1,8 до 6 ° Е (від 0,01 до 0,045 Па · с). В'язкість м'ясо-кісткового бульйону при цих же умовах дорівнює 2,1 ° Е (близько 0,013 Па · с). Розчини желатину тієї ж концентрації при 40 ° С мають в'язкість від 15 до 40 ° Е (від 0,11 до 0,3 Па · с).
Таблиця 12 - Види помилок капілярної реометрії