Reometr - Rheometer

Rotační reometr používaný ve výzkumné laboratoři

Reometr je laboratorní zařízení sloužící k měření způsob, ve kterém je kapalina, suspenze nebo kal proudí v odezvě na působící síly. Používá se pro kapaliny, které nelze definovat jedinou hodnotou viskozity, a proto vyžadují nastavení a měření více parametrů, než je tomu u viskozimetru . Měří reologii tekutiny.

Existují dva výrazně odlišné typy reometrů . Reometry, které řídí aplikované smykové napětí nebo smykové napětí, se nazývají rotační nebo smykové reometry , zatímco reometry, které aplikují protahovací napětí nebo protahovací napětí, jsou protahovací reometry . Rotační nebo smykové reometry jsou obvykle konstruovány buď jako nativní deformačně řízené přístroje (ovládat a aplikovat uživatelem definované smykové deformace, které pak mohou měřit výsledné smykové napětí) nebo nativní napěťově řízené přístroje (ovládat a aplikovat uživatelem definované smykové napětí a změřte výsledné smykové napětí).

Významy a původ

Slovo reometr pochází z řečtiny a znamená zařízení pro měření hlavního průtoku. V 19. století se běžně používalo pro zařízení k měření elektrického proudu, dokud nebylo slovo nahrazeno galvanometrem a ampérmetrem . Používal se také pro měření průtoku kapalin, v lékařské praxi (průtok krve) a ve stavebnictví (průtok vody). Toto druhé použití v některých oblastech přetrvávalo až do druhé poloviny 20. století. Po zavedení termínu reologie se slovo začalo používat u nástrojů pro měření charakteru, spíše než množství toku, a ostatní významy jsou zastaralé. (Hlavní zdroj: Oxford English Dictionary ) Princip a fungování reometrů je popsán v několika textech.

Druhy smykového reometru

Stříhání geometrií

Různé střižné roviny, které lze použít k měření reologických vlastností. Zleva - tok tažné desky Couette; válcový průtok; Tok Poiseuille v trubce a deskový tok.

Podle jejich geometrie lze definovat čtyři základní smykové roviny,

  • Tok Couette tažné desky
  • Válcový průtok
  • Poiseuille proudí v trubici a
  • Tok talíř-talíř

Různé typy smykových reometrů pak používají jednu nebo kombinaci těchto geometrií.

Lineární střih

Jedním příkladem lineárního střihového reometru je Goodyerův lineární reometr kůže, který se používá k testování kosmetických krémových formulací a pro účely lékařského výzkumu ke kvantifikaci elastických vlastností tkáně. Zařízení pracuje připojením lineární sondy k povrchu testované tkáně, aplikuje se řízená cyklická síla a výsledná smyková síla se měří pomocí siloměru. Výtlak se měří pomocí LVDT. Takto jsou zachyceny a analyzovány základní parametry napětí-deformace, aby se odvodila dynamická pružnost testované tkáně.

Potrubí nebo kapilára

Kapalina je v podmínkách laminárního proudění protlačována trubkou konstantního průřezu a přesně známých rozměrů . Průtok nebo tlaková ztráta jsou pevné a ostatní jsou měřeny. Znát rozměry lze průtok převést na hodnotu smykové rychlosti a tlakový spád na hodnotu smykového napětí . Změnou tlaku nebo průtoku lze určit křivku průtoku. Pokud je k dispozici relativně malé množství tekutiny pro reometrickou charakterizaci, lze k měření poklesu tlaku pro regulovaný průtok použít mikrofluidní reometr se zabudovanými tlakovými senzory.

Rotační geometrie různých typů smykových reometrů

Dynamický smykový reometr

Dynamické smykové reometr , běžně známý jako DSR je použit pro výzkum a vývoj, jakož i pro kontrolu kvality při výrobě široké škály materiálů. Dynamické smykové reometry se používají od roku 1993, kdy byl Superpave použit pro charakterizaci a porozumění vysokoteplotním reologickým vlastnostem asfaltových pojiv v roztaveném i pevném stavu a je zásadní pro formulaci chemie a předpovídání vlastností těchto materiálů při konečném použití.

Rotační válec

Kapalina je umístěna uvnitř prstence jednoho válce uvnitř druhého. Jeden z válců se otáčí nastavenou rychlostí. To určuje smykovou rychlost uvnitř prstence. Kapalina má tendenci táhnout druhý válec dokola a měří se síla, kterou na tyto válce působí ( točivý moment ), kterou lze převést na smykové napětí . Jednou z jeho verzí je Fann VG Viscometer, který pracuje při dvou rychlostech (300 a 600 ot / min), a proto poskytuje pouze dva body na křivce průtoku. To je dostatečné k definování plastového modelu Bingham, který se v ropném průmyslu široce používal pro určování tokového charakteru vrtných kapalin . V posledních letech byly použity reometry, které se otáčejí při 600, 300, 200, 100, 6 a 3 ot / min. To umožňuje použití složitějších modelů tekutin, jako je Herschel – Bulkley . Některé modely umožňují programovatelné zvyšování a snižování rychlosti, což umožňuje měření časově závislých vlastností.

Kužel a talíř

Kapalina se umístí na vodorovnou desku a do ní se umístí mělký kužel. Úhel mezi povrchem kužele a deskou je přibližně 1–2 stupně, ale může se lišit v závislosti na typech prováděných testů. Deska se obvykle otáčí a měří se krouticí moment na kuželu. Známou verzí tohoto nástroje je Weissenbergův reogoniometr, ve kterém se pohybu kužele brání tenký kousek kovu, který se otáčí - známý jako torzní tyč . Známá odezva torzní tyče a stupeň zkroucení dávají smykové napětí , zatímco rychlost otáčení a rozměry kužele dávají smykovou rychlost . Weissenbergův reogoniometr je v zásadě absolutní metodou měření za předpokladu, že je přesně nastaven. Jiné přístroje pracující na tomto principu mohou být snadněji použitelné, ale vyžadují kalibraci se známou kapalinou. Kužel a deskové reometry lze také provozovat v oscilačním režimu pro měření elastických vlastností nebo v kombinovaných rotačních a oscilačních režimech.

Typy extenzního reometru

Vývoj extenzních reometrů probíhal pomaleji než smykové reometry, a to kvůli problémům spojeným s generováním homogenního extenzního toku. Zaprvé, interakce testované kapaliny nebo taveniny s pevnými rozhraními povedou ke složce smykového toku, což výsledky zhorší. Zadruhé musí být řízena a známa historie přetvoření všech hmotných prvků. Zatřetí, rychlosti deformace a úrovně deformace musí být dostatečně vysoké, aby natáhly polymerní řetězce nad jejich normální poloměr gyrace, což vyžaduje vybavení s velkým rozsahem rychlostí deformace a velkou cestovní vzdáleností.

Komerčně dostupné prodlužovací reometry byly odděleny podle jejich použitelnosti na rozsahy viskozity. Materiály s rozsahem viskozity od přibližně 0,01 do 1 Pa.s. (většina polymerních roztoků) se nejlépe vyznačují kapilárními rozpadovými reometry, protilehlými tryskovými zařízeními nebo systémy kontrakčního toku. Materiály s rozsahem viskozity od přibližně 1 do 1000 Pa.s. se používají v reometrech pro protahování vláken. Materiály s vysokou viskozitou> 1 000 Pa.s., jako jsou polymerní taveniny, se nejlépe vyznačují zařízeními s konstantní délkou.

Prodloužená rheometrie se běžně provádí na materiálech, které jsou vystaveny tahové deformaci. Tento typ deformace může nastat během zpracování, jako je vstřikování, spřádání vláken, vytlačování, vyfukování a potahování. Může se také vyskytnout během používání, jako je odlepování lepidel, čerpání ručních mýdel a manipulace s tekutými potravinářskými výrobky.

Seznam aktuálně a dříve prodávaných komerčně dostupných extenzních reometrů je uveden v tabulce níže.

Komerčně dostupné prodlužovací reometry

Název nástroje Rozsah viskozity [Pa.s] Typ toku Výrobce
Aktuálně na trhu Rheotens > 100 Předení vláken Goettfert
CaBER 0,01-10 Kapilární rozpad Thermo Scientific
Prodloužený reometr Sentmanat > 10 000 Konstantní délka Xpansion Instruments
FiSER 1–1 000 Protahování vláken Cambridge Polymer Group
VADER > 100 Řízené protahování vláken Rheo vlákno
Dříve na trhu RFX 0,01-1 Proti Jet Rheometric Scientific
RME > 10 000 Konstantní délka Rheometric Scientific
MXR2 > 10 000 Konstantní délka Projekty Magna

Rheotens

Rheotens je vláknový zvlákňovací reometr vhodný pro polymerní taveniny. Materiál je čerpán z předřazené trubky a sada koleček prodlužuje pramen. Snímač síly namontovaný na jednom z kol měří výslednou tažnou sílu. Vzhledem k předběžnému smyku indukovanému při transportu kapaliny trubkou proti proudu je obtížné dosáhnout skutečné viskozity pro prodloužení. Rheotens je však užitečný pro porovnání vlastností protékajícího toku homologní sady materiálů.

CaBER

CaBER je kapilární rozpadový reometr . Malé množství materiálu se umístí mezi desky, které se rychle napnou na pevnou úroveň napětí. Průměr středního bodu je monitorován jako funkce času, protože se tekuté vlákno krčí a rozpadá pod kombinovanými silami povrchového napětí, gravitace a viskoelasticity. Extrakční viskozitu lze z dat extrahovat jako funkci deformace a rychlosti deformace. Tento systém je vhodný pro kapaliny s nízkou viskozitou, inkousty, barvy, lepidla a biologické kapaliny.

FiSER

FiSER je založen na pracích Sridhar et al. a Anna a kol. V tomto přístroji sada lineárních motorů pohání tekuté vlákno od sebe exponenciálně rostoucí rychlostí při měření síly a průměru jako funkce času a polohy. Při deformaci exponenciálně rostoucí rychlostí lze ve vzorcích dosáhnout konstantní rychlosti deformace (kromě omezení průtoku koncové desky). Tento systém dokáže monitorovat tažnou viskozitu závislou na napětí a také rozpad napětí po zastavení toku. Podrobnou prezentaci o různých použitích reometrie protahování vláken lze najít na webových stránkách MIT.

Sentmanat

Prodlužovací reometr Sentmanat (SER) je ve skutečnosti přípravek, který lze instalovat do pole na smykových reometrech. Film polymeru je navinut na dva rotující bubny, které na polymerní film aplikují konstantní nebo proměnnou deformační rychlost. Napětí se určuje z točivého momentu vyvíjeného bubny.

Jiné typy extenzních reometrů

Akustický reometr

Akustické reometry používají piezoelektrický krystal, který může snadno spustit následnou vlnu rozšíření a kontrakcí do tekutiny. Tato bezkontaktní metoda aplikuje oscilační protahovací napětí. Akustické reometry měří rychlost zvuku a útlum ultrazvuku pro sadu frekvencí v megahertzovém rozsahu. Rychlost zvuku je měřítkem pružnosti systému. Může být přeměněn na stlačitelnost kapaliny. Útlum je míra viskózních vlastností. Může být přeměněn na viskózní podélný modul. V případě newtonovské kapaliny poskytuje útlum informaci o objemové viskozitě. Tento typ reometru pracuje na mnohem vyšších frekvencích než ostatní. Je vhodný pro studium efektů s mnohem kratší relaxační dobou než jakýkoli jiný reometr.

Padající talíř

Jednodušší verze reometru protahujícího vlákna, reometr s klesající deskou sendvičuje kapalinu mezi dvěma pevnými povrchy. Horní deska je pevná a spodní deska spadá pod vlivem gravitace a vytahuje řetězec kapaliny.

Kapilární / kontrakční tok

Jiné systémy zahrnují kapalinu procházející otvorem, expandující z kapiláry nebo nasávanou z povrchu do kolony vakuem.

Viz také

Reference

  1. ^ Macosko, Christopher W. (1994). Reologie: Principy, měření a aplikace . Wiley-VCH. ISBN  0-471-18575-2 .
  2. ^ Ferry, JD (1980). Viskoelastické vlastnosti polymerů . Wiley. ISBN  0-471-04894-1 .
  3. ^ Pipe, CJ; Majmudar, TS; McKinley, GH (2008). "Viscometrie s vysokou smykovou rychlostí". Rheologica Acta . 47 (5–6): 621–642. doi : 10,1007 / s00397-008-0268-1 .
  4. ^ Chevalier, J; Ayela, F. (2008). "Mikrofluidní na čipových viskozimetrech". Rev. Sci. Instrum . 79 : 076102. Bibcode : 2008RScI ... 79g6102C . doi : 10,1063 / 1,2940219 .
  5. ^ Macosko, Christopher W. (1994). Reologie: principy, měření a aplikace . New York: VCH. ISBN  1-56081-579-5 .
  6. ^ Barnes, Howard A. (2000). Příručka základní reologie . Aberystwyth: Univ. of Wales, Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics. ISBN  0-9538032-0-1 .
  7. ^ Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Tropea, Foss, Yarin (eds), kapitola 9.1 (2007)
  8. ^ Sridhar, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Sv. 40, 271–280 (1991); Anna, J. Non-Newtonian Fluid Mech., Sv. 87, 307–335 (1999)
  9. ^ McKinley, G. „Desetiletí reometrie táhnoucí se vlákna“ . web.mit.edu .
  • K. Walters (1975) Rheometry (Chapman & Hall) ISBN  0-412-12090-9
  • ASDukhin a PJGoetz „Ultrazvuk pro charakterizaci koloidů“, Elsevier, (2002)

externí odkazy