Реометр - Rheometer
 | Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. (Февраль 2015 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
| Часть серии по | ||||
| Механика сплошной среды | ||||
|---|---|---|---|---|
Законы
| ||||
А реометр представляет собой лабораторное устройство, используемое для измерения того, как жидкость, суспензия или шлам течет в ответ на приложенные силы. Он используется для тех жидкостей, которые не могут быть определены одним значением вязкость и поэтому требуется установка и измерение большего количества параметров, чем в случае вискозиметр. Он измеряет реология жидкости.
Есть два совершенно разных типа реометры. Реометры, контролирующие нанесенный напряжение сдвига или деформации сдвига называются вращательными или реометры сдвига, тогда как реометры, которые применяют напряжение растяжения или растяжения реометры растяжения.Реометры ротационного типа или реометры сдвигового типа обычно проектируются либо как собственный инструмент с контролируемой деформацией (контроль и применение определяемой пользователем деформации сдвига, которая затем может измерять результирующее напряжение сдвига), либо как собственный инструмент с контролируемым напряжением (контроль и применение пользователем определенный сдвиг стресс и измерьте результирующую деформацию сдвига).
Смыслы и происхождение
Слово реометр происходит от греческого и означает устройство для измерения основного потока. В 19 веке он обычно использовался для устройств для измерения электрического тока, пока это слово не было заменено на гальванометр и амперметр. Он также использовался для измерения расхода жидкостей в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). Это последнее использование сохранилось до второй половины 20 века в некоторых областях. После введения термина реология это слово стало применяться к приборам для измерения персонаж скорее, чем количество потока, а другие значения устарели. (Основной источник: Оксфордский словарь английского языка ) Принцип и работа реометров описана в нескольких текстах.[1][2]
Типы реометров сдвига
Геометрия резки
В соответствии с их геометрией можно определить четыре основные плоскости сдвига.
- Поток пластин Куэтта
- Цилиндрический поток
- Течение Пуазейля в трубке и
- Пластина-пластина потока
Затем различные типы реометров сдвига используют одну или комбинацию этих геометрических форм.
Линейный сдвиг
Одним из примеров реометра линейного сдвига является линейный реометр для кожи Goodyear, который используется для тестирования составов косметических кремов и в медицинских исследовательских целях для количественной оценки эластичных свойств ткани. Устройство работает путем прикрепления линейного зонда к поверхности ткани. При испытании применяется управляемая циклическая сила, а результирующая сила сдвига измеряется с помощью датчика нагрузки. Смещение измеряется с помощью LVDT. Таким образом, основные параметры напряжения и деформации фиксируются и анализируются для определения динамической жесткости пружины исследуемой ткани.
Трубка или капилляр
Жидкость нагнетается через трубку постоянного сечения и точно известных размеров в условиях ламинарный поток. Либо расход, либо падение давления фиксируются, а другое измеряется. Зная размеры, расход можно преобразовать в значение для скорость сдвига и падение давления до значения для напряжение сдвига. Изменение давления или расхода позволяет определить кривую расхода. Когда для реометрической характеристики доступно относительно небольшое количество жидкости, микрофлюидный реометр со встроенными датчиками давления может использоваться для измерения падения давления при контролируемой скорости потока.[3][4]
Капиллярные реометры особенно полезны для характеристики терапевтических белковых растворов, так как они определяют возможность спринцевания.[5] Кроме того, существует обратная зависимость между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.
Реометр динамического сдвига
А реометр динамического сдвига, широко известная как DSR, используется для исследований и разработок, а также для контроля качества при производстве широкого спектра материалов. Реометры динамического сдвига используются с 1993 года, когда Superpave использовался для определения характеристик и понимания высокотемпературных реологических свойств асфальтовых вяжущих как в расплавленном, так и в твердом состоянии, и является фундаментальным для определения химического состава и прогнозирования конечных характеристик этих материалов.
Вращающийся цилиндр
Жидкость помещается в кольцо одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается с заданной скоростью. Это определяет скорость сдвига внутри затрубного пространства. Жидкость имеет тенденцию увлекать другой цилиндр по кругу, и сила, которую она оказывает на эти цилиндры (крутящий момент ), который можно преобразовать в напряжение сдвига Одной из версий этого является вискозиметр Fann V-G, который работает на двух скоростях (300 и 600 об / мин) и, следовательно, дает только две точки на кривой потока. Этого достаточно, чтобы определить Бингем пластик модель, которая раньше широко использовалась в нефтяная промышленность для определения проточного характера буровые растворы. В последние годы использовались реометры со скоростью вращения 600, 300, 200, 100, 6 и 3 об / мин. Это позволяет создавать более сложные модели жидкостей, такие как Гершель – Балкли Некоторые модели позволяют непрерывно увеличивать и уменьшать скорость запрограммированным способом, что позволяет измерять свойства, зависящие от времени.
Конус и пластина
Жидкость помещается на горизонтальную тарелку и помещается в нее неглубокий конус. Угол между поверхностью конуса и пластиной составляет около 1-2 градусов, но может варьироваться в зависимости от типа проводимых испытаний. Обычно пластина вращается и измеряется крутящий момент на конусе. Хорошо известной версией этого прибора является реогониометр Вайссенберга, в котором движению конуса препятствует вращающийся тонкий кусок металла, известный как торсион. Известный ответ торсион и степень скручивания дает напряжение сдвига, а частота вращения и размеры конуса дают скорость сдвига. В принципе, реогониометр Вайссенберга - это абсолютный метод измерения при условии его точной настройки. Другие инструменты, работающие на этом принципе, могут быть проще в использовании, но требуют калибровки с использованием известной жидкости. Конусные и пластинчатые реометры также могут работать в колебательном режиме для измерения упругих свойств или в комбинированном вращательном и колебательном режимах.
Типы реометров растяжения
Разработка реометров растяжения шла медленнее, чем реометров сдвига, из-за проблем, связанных с созданием однородного протяженного потока. Во-первых, взаимодействие испытательной жидкости или расплава с твердыми поверхностями раздела приведет к возникновению сдвигового потока, который ухудшит результаты. Во-вторых, историю деформации всех материальных элементов необходимо контролировать и знать. В-третьих, скорости деформации и уровни деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растягивать полимерные цепи за пределы их нормального радиуса вращения, что требует оборудования с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием перемещения.[6][7]
Коммерчески доступные реометры растяжения были разделены в соответствии с их применимостью к диапазонам вязкости. Материалы с диапазоном вязкости примерно от 0,01 до 1 Па · с. (большинство полимерных растворов) лучше всего охарактеризовать с помощью реометров капиллярного разрушения, устройств с противоположной струей или систем с сокращающимся потоком. Материалы с диапазоном вязкости примерно от 1 до 1000 Па · с. используются в реометрах натяжения нити. Материалы с высокой вязкостью> 1000 Па · с, такие как расплавы полимеров, лучше всего охарактеризовать с помощью устройств постоянной длины.[8]
Реометрия растяжения обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации растяжения. Этот тип деформации может возникать во время обработки, такой как литье под давлением, прядение волокна, экструзия, выдувное формование и нанесение покрытий. Это также может происходить во время использования, например, при отщеплении клея, перекачивании мыла для рук и работе с жидкими пищевыми продуктами.
Список имеющихся в настоящее время и ранее продаваемых на рынке реометров растяжения представлен в таблице ниже.
Имеющиеся в продаже реометры растяжения
| Название инструмента | Диапазон вязкости [Па.с] | Тип потока | Производитель | |
|---|---|---|---|---|
| В настоящее время продается | Rheotens | >100 | Прядение волокна | Goettfert |
| КАБЕР | 0.01-10 | Капиллярный разрыв | Thermo Scientific | |
| Реометр смещения Sentmanat | >10000 | Постоянная длина | Инструменты Xpansion | |
| FiSER | 1–1000 | Растяжение нити | Cambridge Polymer Group | |
| ВАДЕР | >100 | Контролируемое растяжение нити | Рео Нить | |
| Ранее продавалось | RFX | 0.01-1 | Противоположная струя | Реометрический научный |
| RME | >10000 | Постоянная длина | Реометрический научный | |
| MXR2 | >10000 | Постоянная длина | Магна Проекты |
Rheotens
Rheotens - это реометр для прядения волокон, подходящий для расплавов полимеров. Материал перекачивается из трубы, расположенной выше по потоку, и набор колес удлиняет нить. Датчик силы, установленный на одном из колес, измеряет результирующую силу растяжения. Из-за предварительного сдвига, возникающего при транспортировке жидкости через трубу, расположенную выше по потоку, трудно получить истинную вязкость при растяжении. Однако Rheotens полезен для сравнения свойств текучести при растяжении гомологичного набора материалов.
КАБЕР
CaBER - это реометр капиллярного разрыва. Между пластинами помещается небольшое количество материала, которые быстро растягиваются до фиксированного уровня деформации. Диаметр средней точки контролируется как функция времени, поскольку филамент сужается и разрушается под действием комбинированных сил поверхностного натяжения, силы тяжести и вязкоупругости. Вязкость при растяжении может быть извлечена из данных как функция деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернил, красок, клеев и биологических жидкостей.
FiSER
FiSER (реометр растяжения нити) основан на работах Sridhar et al. и Анна и др.[9] В этом приборе набор линейных двигателей раздвигает филамент с экспоненциально увеличивающейся скоростью, одновременно измеряя силу и диаметр как функцию времени и положения. Путем деформации с экспоненциально увеличивающейся скоростью в образцах может быть достигнута постоянная скорость деформации (исключая ограничения потока на торцевой пластине). Эта система может отслеживать зависящую от деформации вязкость при растяжении, а также уменьшение напряжения после прекращения потока. Подробную презентацию о различных применениях реометрии растяжения волокна можно найти на веб-сайте MIT.[10]
Сентманат
Продольный реометр (SER) Sentmanat фактически представляет собой приспособление, которое может быть установлено в полевых условиях на реометрах сдвига. Пленка полимера наматывается на два вращающихся барабана, которые прикладывают к полимерной пленке деформацию растяжения с постоянной или переменной скоростью деформации. Напряжение определяется крутящим моментом, создаваемым барабанами.
Другие типы реометров растяжения
Акустический реометр
Акустические реометры использовать пьезоэлектрический кристалл, который может легко запустить в жидкость последовательную волну расширений и сжатий. В этом бесконтактном методе применяется осциллирующее напряжение растяжения. Акустические реометры измеряют скорость звука и затухание ультразвука для набора частот в мегагерцовом диапазоне. Скорость звука является мерой эластичности системы. Его можно преобразовать в сжимаемость жидкости. Затухание - это мера вязких свойств. Его можно преобразовать в вязкий продольный модуль. В случае ньютоновской жидкости затухание дает информацию об объемной вязкости. Этот тип реометра работает на гораздо более высоких частотах, чем другие. Подходит для изучения эффектов с гораздо более короткими время релаксации чем любой другой реометр.
Падающая пластина
Более простая версия реометра натяжения нити, реометр с падающей пластиной помещает жидкость между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина закреплена, а нижняя пластина падает под действием силы тяжести, вытягивая струну жидкости.
Капиллярный / сокращающийся поток
В других системах жидкость проходит через отверстие, расширяется из капилляра или всасывается с поверхности в столб под действием вакуума. Капиллярный реометр под давлением может использоваться для термической обработки жидких пищевых продуктов. Эта аппаратура может помочь предотвратить чрезмерную или недостаточную обработку жидкой пищи, поскольку экстраполяция на высокие температуры не требуется. [11]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Макоско, Кристофер В. (1994). Реология: принципы, измерения и применение. Wiley-VCH. ISBN 0-471-18575-2.
- ^ Ферри, JD (1980). Вязкоупругие свойства полимеров. Вайли. ISBN 0-471-04894-1.
- ^ Труба, CJ; Majmudar, TS; Мак-Кинли, Г. Х. (2008). «Вискозиметрия с высокой скоростью сдвига». Rheologica Acta. 47 (5–6): 621–642. Дои:10.1007 / s00397-008-0268-1. S2CID 16953617.
- ^ Chevalier, J; Айэла, Ф. (2008). «Микрожидкостные вискозиметры на чипе». Rev. Sci. Instrum. 79 (7): 076102. Bibcode:2008RScI ... 79g6102C. Дои:10.1063/1.2940219. PMID 18681739.
- ^ Хадсон, Стивен (10 октября 2014 г.). «Микролитровый капиллярный реометр для характеристики белковых растворов». Журнал фармацевтических наук. 104 (2): 678–685. Дои:10.1002 / jps.24201. PMID 25308758.
- ^ Макоско, Кристофер В. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения. Нью-Йорк: ВЧ. ISBN 1-56081-579-5.
- ^ Барнс, Ховард А. (2000). Справочник элементарной реологии. Аберистуит: Univ. Уэльса, Институт механики неньютоновской жидкости. ISBN 0-9538032-0-1.
- ^ Справочник Springer по экспериментальной механике жидкости, Tropea, Foss, Yarin (eds), глава 9.1 (2007)
- ^ Шридхар, J. Механизм неньютоновской жидкости, том 40, 271–280 (1991); Анна, J. Механика неньютоновской жидкости, том 87, 307–335 (1999)
- ^ МакКинли, Дж. «Десятилетие реометрии растяжения нити». web.mit.edu.
- ^ Рос-Польски, Валькирия (5 марта 2014 г.). «Реологический анализ раствора сахарозы при высоких температурах с использованием капиллярного реометра под давлением с микроволновым нагревом». Наука о еде. 79 (4): E540 – E545. Дои:10.1111/1750-3841.12398. PMID 24597707.
- К. Уолтерс (1975) Реометрия (Чепмен и Холл) ISBN 0-412-12090-9
- А.С. Духин и П.Дж. Гётц "Ультразвук для характеристики коллоидов", Elsevier, (2002)