Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 9.6 Затухание радиоволн в разных материалах.

Коэффициент ослабления зависит от типа материала и рабочей частоты

сигнала. На низких частотах (менее 1 МГц) затухание сигнала, в основном,

определяется электропроводностью среды, а на высоких частотах (более

1ГГц) – поглощением энергии молекулами воды. Затухание сигнала

ограничивает глубину исследования грунта, по мере проникновения вглубь

среды

мощность потерь увеличивается экспоненциально.

Рис. 9.7 Глубина проникновения радиосигналов для разных материалов (А) и

графическое представление исследуемого слоя, расположенного в мокром

песке (Б).

Коэффициент экспоненциального ослабления сигнала, как правило,

определяется по электропроводности материала. В простых однородных

материалах такое затухание является доминирующим фактором. В

большинстве материалов энергия сигнала теряется из-за наличия в них

неоднородностей и

воды.

Влияние воды обусловлено двумя причинами: изменяет объемную

проводимость среды и молекулы воды на частотах свыше 1Ггц поглощают

электромагнитную энергию. В сухих материалах коэффициент ослабления

наименьший, соответственно, глубина проникновения наибольшая.

Снижение частоты позволяет увеличить глубину проникновения в грунт.

10. Методы и средства измерения вязкости жидких сред

Вязкостью называется свойство жидких и газообразных веществ

оказывать сопротивление взаимному перемещению соседних слоев среды

(внутреннее трение). Согласно закону Ньютона

⋅=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ητ

(10.1)

вязкость определяется как коэффициент пропорциональности между

сопротивлением сдвига и градиентом среза, направленным перпендикулярно

к направлению ламинарного потока.

Рис. 10.1 Формирование поперечного градиента скорости потока.

Сдвиговая вязкость (внутреннее трение) — одно из трёх явлений

переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление

перемещению одной их части относительно другой.

Объемная вязкость (вторая вязкость) — внутреннее трение при переносе

импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости

и/или

при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по

пространству.

Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и

рассматривается обычно отдельно.

Различают динамическую вязкость (единицы измерения: пуаз, Па·с) и

кинематическую вязкость (единицы измерения: стокс, м²/с, внесистемная

единица — условная вязкость).

Кинематическая вязкость может быть получена как отношение

динамической вязкости к

плотности вещества и своим происхождением

обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение

времени вытекания заданного объема через калиброванное отверстие под

действием силы тяжести.

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения

вычисляется по формуле:

где < u > — средняя скорость теплового движения молекул, λ − средняя

длина свободного пробега.

Вязкость жидкостей

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении

жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к

направлению движения. Общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости η может быть получен на основе рассуждений о

движениях молекул. Очевидно, что η будет тем меньше, чем меньше время t

«оседлости» молекул. Коэффициент вязкости определяется

межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между

молекулами и определяется молярным объёмом вещества (Vм).

Экспериментальные исследования показали, что между молярным объёмом и

коэффициентом

вязкости существует соотношение:

где с и b — константы.

(Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского).

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Жидкости, вязкость которых не зависит от градиента среза, называют

идеально вязкими (ньютоновские жидкости). Вязкоупругие, пластичные

среды характеризуются линейной зависимостью градиента среза от усилия.

Нелинейная зависимость градиента среза от приложенного усилия

характерна для псевдопластичных (вязкость

уменьшается, становятся

текучими) и объемновязких, дилатантных сред (вязкость растет).

Существуют среды с гистерезисной характеристикой – тиксотропные.

Рис. 10.2 Разновидности вязкости.

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов)

термически активизируемый процесс:

где Q — энергия активации вязкости (кДж/моль), T — температура (К), R —

универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль•К) и A — некоторая

постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от

закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q изменяется от большой

величины Qн при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на

малую величину

при высоких температурах (в жидкообразном

состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы

классифицируются либо как сильные, когда

, или ломкие,

когда

. Ломкость аморфных материалов численно

характеризуется параметром ломкости Доримуса:

Сильные материалы имеют RD < 2, в то время как ломкие материалы

имеют

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется

двуэкспоненциальным уравнением:

с постоянными A1, A2, B, C и D, связанными с термодинамическими

параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры

стеклования Tg это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или

сжатыми экспонентами Кольрауша.

Если температура существенно ниже температуры стеклования T < Tg,

двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа

Аррениуса

с высокой энергией активации QH = Hd + Hm, где Hd — энтальпия разрыва

соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а Hm — энтальпия

их движения. Это связано с тем, что при T < Tg аморфные материалы

находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство

соединительных связей неразрушенными.

При T > > Tg двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к

уравнению типа Аррениуса

но с низкой энергией активации QL = Hm. Это связано с тем, что при

аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют

подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что

облегчает текучесть материала.

Сила вязкого трения

Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного

движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна

расстоянию между плоскостями h.

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или

газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Самое важное в

характере сил вязкого трения то, что при наличии любой сколь угодно малой

силы тела придут в движение, то есть не существует трения покоя. Это

отличает вязкое трение от сухого.

Методы и средства измерения вязкости

Вязкость — один из основных показателей качества горючесмазочных

материалов, красок, синтетических смол и т. п. Например, в производстве

полимеров и различных продуктов на их основе вязкость служит важнейшим

технологическим параметром, так как по ее величине можно оценить

молекулярную массу и концентрацию вещества, а также его структуру

в расплаве или растворе.

Вязкость — это способность вещества оказывать сопротивление

перемещению в нем какого-либо тела. Если вещество само движется

относительно тела, то возникает сопротивление его движению (этим

объясняется гидравлическое сопротивление трубопроводов).

К настоящему времени наибольшее распространение получили

следующие методы измерения вязкости:

• капиллярный (метод Пуазейля);

• метод падающего тела (метод Стокса);

• метод

взаимодействия между вращающимися телами;

• вибрационнй метод и др.

Вязкость часто определяют путем отсчета времени истечения

определенного количества вещества при постоянном перепаде уровней.

Действие ротационных вискозиметров основано на использовании сил

взаимного трения между двумя вращающимися телами.

Причины возникновения погрешностей:

• влияние температуры,

• влияние осадков;

• влияние металлических включений;

• за счет саморазогрева

среды;

• турбулентность среды;

• тепловые эффекты;

• эффект эластичной турбулентности и др.

Рис. 10.3 Капиллярные вискозиметры

(лабораторный и промышленный): 1 – дозирующий насос, 2 – капилляр, 3 –

импульсные трубки, 4 – преобразователь разности давлений, 5 – вторичный

прибор, 6 – трубопровод.

Для измерения вязкости наиболее широко применяют вибрационные

и ротационные вискозиметры.

Действие вибрационных вискозиметров основано на том, что жидкость

стремится затормозить колебания опущенной в нее плоской пластины,

причем сила торможения зависит от вязкости

жидкости.

В датчике вискозиметра пластина закреплена в эластичной мембране.

Нижняя часть пластины погружена в жидкость, а верхняя находится

в катушке, соединенной с генератором импульсов. При включении катушки

в пластине возникают продольные колебания. Затем катушка отключается

от генератора и колебания пластины затухают. В процессе свободных

колебаний пластины в катушке наводится э

. д. с, имеющая частоту

ее свободных колебаний. Она обеспечивает запирание генератора до момента

полного прекращения колебаний, после чего генератор снова включает

катушку и цикл повторяется. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее

затухают колебания пластины и тем меньше интервалы между включениями

генератора. Измеряют величину этих интервалов.

Вибрационный вискозиметр выпускается для работы как в узком, так

и в широком диапазоне изменения вязкости.

Принцип действия ротационных вискозиметров основан на измерении

сопротивления, которое оказывает жидкость вращению погруженного в нее

тела. Это сопротивление растет с увеличением вязкости жидкости.

Ротационный вискозиметр состоит из привода, измерительного

устройства и рабочего тела. В

одних приборах поддерживают постоянную

скорость вращения тела и измеряют мощность, которую затрачивает на эту

работу привод. В других используют привод постоянной мощности,

а измеряют скорость вращения тела. Очевидно, что в первом случае

с увеличением вязкости жидкости потребуется большая мощность привода,

во втором — это приведет к уменьшению скорости вращения тела.

Рис. 10.4 Ротационный вискозиметр:

1 – электропривод, 2 – магнитная муфта, 3 - вращающийся цилиндр, 4 –

неподвижный цилиндр, 5 – ввод контролируемой среды, 6 – термометр, 7 –

устройство измерения крутящего момента, 8 – термостат.

Рис. 10.5 Ротационный вискозиметр погружного типа:

1 - вращающийся внутренний цилиндр;2 – наружный цилиндр с прорезями; 3

– магнитная муфта; 4 – разделительная перегородка; 5 – приводной и

измерительный вал; 6 – крышка.

Рис. 10.6 Ротационный вискозиметр проточного типа.

Рис. 10.7 Вискозиметр с падающим шариком.

1 – измерительная трубка, 2 – шарик, 3 – измерительный канал,

4 – корпус, 5 – поворотный кронштейн, 6 – термометр,

7 – штуцер для присоединения к термостату.

Вискозиметры ротационные

( Вискозиметры фирмы BROOKFIELD)

Вискозиметры Брукфильда включены в большое количество

международных стандартов и спецификаций. Данный прибор можно

использовать для определения динамической вязкости по ГОСТ 1929-87. Все

вискозиметры Брукфильда используют стандартный принцип ротационной

вискозиметрии: измерение вязкости осуществляется посредством пересчета

крутящего момента, необходимого для вращения шпинделя прибора с

постоянной скоростью при погружении его

в исследуемую среду. Каждая

модель вискозиметра Брукфильда может использоваться для широкого

спектра измерения вязкости, благодаря возможности выбора скорости и