Принцип действия прибора основан на измерении угловой скорости вращения ротора в виде гладкостенного цилиндра в исследуемой жидкости под действием постоянного крутящего момента.
Конструктивная схема прибора показана на рис.3.
Рис.3. Схема ротационного вискозиметра:
1 – груз; 2 – вставка; 3 – груз; 4 – блок; 5 – подшипник; 6 – крышка;
7 – гайка; 8 – верхняя ось; 9 – ротор; 10 – сосуд (корпус); 11 – подшипник;
12 – нижняя ось; 13 – сосуд; 14 – трубка.
Прибор содержит измерительный прозрачный цилиндрический сосуд (корпус) 10, заполняемый исследуемой жидкостью. Резиновой трубкой 14 он соединяется с сосудом 13, в который эта жидкость заливается при заправке прибора. В сосуде 10 размещен цилиндрический ротор 9, оси вращения которого установлены в шарикоподшипниках 5 и 11. Верхний подшипник смонтирован в металлической крышке прибора 6, присоединяемой к измерительному сосуду с помощью накидной гайки 7. Верхняя ось 8 ротора снабжена шкивом. Нижняя ось ротора 12 запрессована в пластмассовую нижнюю вставку 2, которая расположена на дне сосуда 10.
На крышке 6 смонтированы два блока 4. Через блоки и шкив перекинута гибкая нить, на концах которой имеются грузы G1 и G2.
Оба сосуда - измерительный 10 и заправочный 13 - устанавливаются вертикально с помощью штативов.
Схема сил и скоростей, возникающих при вращении ротора, показана на рис.4.
Рис.4. Схема сил и скоростей при вращении ротора:
R - радиус статора; r - радиус ротора; r1 - радиус шкива,
Ввиду малости зазора между ротором и статором (в данном приборе он равен 1 мм) эпюру скоростей жидкости в этом зазоре при вращении ротора можно считать линейной.
Запишем формулу Ньютона:
Если принять V=ky (линейный закон), то dV=kdy, откуда 
.
Отсюда следует:
; 
; 
.
Поэтому формула Ньютона для данного конкретного случая примет вид
(2)
Здесь V - окружная скорость ротора на радиусе r, у=R-r.
Так как силы натяжения нити G1 и G2 приложены в одну сторону, скольжением нити относительно шкива можно пренебречь. Крутящий момент, приводящий ротор во вращение, равен
Мкр= (G1-G2)rш. (3)
Этот момент при установившемся режиме вращения (при постоянной угловой скорости) уравновешивается моментом силы трения ротора о жидкость Мтр:
Мтр=(G1-G2)rш.
Обозначим:
L - длина ротора;
S - площадь боковой поверхности ротора;
TТР - сила трения ротора о жидкость;
n - количество полных оборотов, совершенных ротором за время опыта;
t - время вращения n полных оборотов.
Из формулы (З) следует:
.
Окружная скорость ротора равняется:
(4)
Касательное напряжение τ на границе ротора и жидкости равно:
(5)
Подставим V из формулы (4) и τ из формулы (5) в формулу (2). Получим:
.
Отсюда
(6)
Здесь
.
В настоящем приборе
R = 17,75 мм = 0,01775 м;
r = 16,75 мм = 0,01675 м;
L = 128,5 мм = 0,1285м;
r1 = 5,5 мм = 0,0055 м;
G1-G2 = 9,81. 0,025H;
А1 = 0,0566 Па.
Порядок проведения измерений следующий:
1) тщательно промытый от остатков предыдущей жидкости и просушенный прибор устанавливается на двух штативах вертикально;
2) в сосуд 10 заливается исследуемая жидкость до уровня, при котором ротор полностью погружен в жидкость;
3) грузы с нитью помещаются так, чтобы более тяжелый груз был в верхнем положении, а более легкий груз - в нижнем;
4) верхний груз освобождается, и система грузов приходит в движение, а ротор - во вращение;
5) при пересечении вертикальной линией, нанесенной на ротор, контрольной риски на измерительном сосуде запускается секундомер;
6) при совершении ротором десяти полных оборотов секундомер останавливается.
Измерение проводится не менее пяти раз.
После этого рассчитываются:
а) среднее время совершения десяти оборотов:
где z - число опытов;
б) по формуле (6) определяется коэффициент динамической вязкости исследуемой жидкости m, Па с.
При этом в формулу подставляется n = 10.
Образец таблицы - протокола измерений - такой же, как и ранее.
Вопросы для самопроверки:
1. Вязкость и ее виды.
2. Численные характеристики вязкости. Размерность коэффициентов вязкости.
3. Кинематический коэффициент вязкости. Основные и дополнительные единицы измерения, связь между ними.
4. Динамический коэффициент вязкости. Основные и дополнительные единицы измерения, связь между ними.
5. Закон трения Ньютона. Ньютоновская жидкость.
6. Закон трения Бингема. Неньютоновская жидкость.
7. Распределение скоростей и напряжений трения в потоке вязкой жидкости в канале.
8. Ротационный вискозиметр, устройство и принцип действия.
9. Капиллярный вискозиметр, устройство и принцип действия.
10. Порядок измерения вязкости ротационным вискозиметром.
11. Порядок измерения вязкости капиллярным вискозиметром.
12. Связь вязкости и напряжений трения в жидкости.
Литература
1. Ильина Т.Н. Основы гидравлики и теплотехники [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Ильина Т.Н., Семиненко А.С.— Электрон. текстовые данные.— Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, ЭБС АСВ, 2015.— 170 c.— Режим доступа: https://www.iprbookshop.ru/70253.html.— ЭБС «IPRbooks».
2. Сапухин, А. А. Основы гидравлики [Электронный ресурс]: учебное пособие с задачами и примерами их решения / А. А. Сапухин, В. А. Курочкина. — Электрон. текстовые данные. — М.: Московский государственный строительный университет, ЭБС АСВ, 2014. — 112 c. — 978-5-7264-0915-3. — Режим доступа: https://www.iprbookshop.ru/30350.html
3..