Реометр

Реометр - это лабораторное устройство , используемое для измерения того, как вязкая жидкость ( жидкость , суспензия или суспензион ) течет в ответ на приложенные силы. Он используется для тех жидкостей, которые не могут быть определены одним значением вязкости и, следовательно, требуют, чтобы больше параметров были установлены и измерены, чем в случае с вискозимером . Он измеряет реологию жидкости.

Существуют два явно разных типа реометров . Реометры, которые контролируют приложенное напряжение сдвига или деформация сдвига, называются вращающими или сдвиговыми реометрами , тогда как реометры, которые применяют удлинительные напряжения или удлинитель, являются удлинительными реометрами . Реометры типа вращения или сдвига обычно разработаны как нативный инструмент, контролируемый деформацией (управление и применить определяемый пользователем деформация сдвига, который затем может измерить полученное напряжение сдвига), либо нативный контролируемый напряжением прибор (управление и применять определенный пользователь сдвига Напряжение и измеряйте результирующее напряжение сдвига).

Значения и происхождение

Слово реометр поступает от греческого и означает устройство для измерения основного потока. ^{[ 1 ]} В 19 -м веке он обычно использовался для устройств для измерения электрического тока, пока слово не было вытеснено гальванометром и амперметром . Он также использовался для измерения потока жидкостей, в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). Это последнее использование сохранялось до второй половины 20 -го века в некоторых областях. После придумывания термина реологии слово стало применено к инструментам для измерения символа , а не количества потока, а другие значения устарели. (Основной источник: Оксфордский английский словарь ) Принцип и работа реометров описаны в нескольких текстах. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Типы реометра сдвига

Сдвигая геометрия

Четыре основных плоскости сдвига могут быть определены в соответствии с их геометрией,

Поток перетаскивания куэтта
Цилиндрический поток
Poiseuille поток в трубе и
Поток пластины

Различные типы сдвиговых реометров используют одну или комбинацию этих геометрий.

Линейный сдвиг

Одним из примеров линейного реометра сдвига является линейный реометр кожи Goodyear, который используется для тестирования составов косметических кремов и для медицинских исследований для количественной оценки упругих свойств ткани. Устройство работает, прикрепляя линейный зонд к поверхности ткани под ткани, применяется контролируемая циклическая сила и результирующая сила сдвига, измеренная с использованием нагрузочной ячейки. Смещение измеряется с использованием LVDT. Таким образом, основные параметры стресса -деформации фиксируются и анализируются для получения динамической скорости пружины ткани под тестами.

Труба или капилляр

Жидкость вынуждена через пробирку с постоянным поперечным сечением и точно известные размеры в условиях ламинарного потока . Либо скорость потока, либо падение давления фиксируются, а другой измеряется. Зная размеры, скорость потока может быть преобразована в значение для скорости сдвига и падение давления в значение для напряжения сдвига . Изменение давления или потока позволяет определить кривую потока. Когда для реометрической характеристики доступно относительно небольшое количество жидкости, микрофлюидный реометр со встроенным датчиком давления может использоваться для измерения падения давления для контролируемой скорости потока. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Капиллярные реометры особенно выгодны для характеристики растворов терапевтического белка, поскольку он определяет способность к шпильке. ^{[ 6 ]} Кроме того, существует обратная связь между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.

Динамический реометр сдвига

Динамический реометр сдвига , широко известный как DSR, используется для исследований и разработок, а также для контроля качества при изготовлении широкого спектра материалов. Динамические реометры сдвига использовались с 1993 года, когда SuperPave использовалась для характеристики и понимания высокотемпературных реологических свойств асфальтовых связующих как в расплавленном, так и в твердом состоянии и является фундаментальными для сформулирования химии и прогнозирования конечных показателей этих материалов.

Вращательный цилиндр

Жидкость помещается в кольцо одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается на установленной скорости. Это определяет скорость сдвига внутри кольца. Жидкость имеет тенденцию перетаскивать другой цилиндр, и сила, которую он оказывает на этот цилиндр ( крутящий момент измеряется ), который может быть преобразован в напряжение сдвига . Одной из версий этого является визомормер Fann VG, который работает на двух скоростях (300 и 600 об / мин) и, следовательно, дает только две точки на кривой потока. Этого достаточно для определения пластической модели Бингхэма , которая когда -то широко использовалась в нефтяной промышленности для определения характера потока буровых жидкостей . В последние годы реометры, которые вращаются на 600, 300, 200, 100, 6 и 3 об / мин, стали более распространенным явлением. более сложные модели жидкости, такие как Herschel -Bulkley Это позволяет использовать . Некоторые модели позволяют непрерывно увеличивать скорость и уменьшаться запрограммированным образом, что позволяет измерять зависимые от времени свойства.

Конус и тарелка

Жидкость помещается на горизонтальную пластину и мелкий конус помещен в нее. Угол между поверхностью конуса и пластиной составляет около 1–2 градусов, но может варьироваться в зависимости от типов проводящих тестов. Обычно пластина вращается, а крутящий момент на конусе измеряется. Хорошо известной версией этого инструмента является реогониометр Вайссенберга, в котором движению конуса сопротивляется тонкому кусочке металла, который поворачивается, известный как крутящий планку . Известная реакция на стержень и степень поворота дает напряжение сдвига , в то время как скорость вращения и размеры конуса дают скорость сдвига . В принципе реогониометр Вайссенберга является абсолютным методом измерения, при условии, что он точно настроен. Другие инструменты, работающие по этому принципу, могут быть проще в использовании, но требуют калибровки с известной жидкостью. Реометры конуса и пластины также могут быть эксплуатированы в режиме колебаний для измерения упругих свойств или в комбинированных вращательных и колебательных режимах.

Основные понятия реометра сдвига ^{[ 7 ]}

В прошлом устройства с контролируемой деформацией или скоростью деформации (реометры CR) отличались от реометров с контролируемым напряжением (реометры CS) в зависимости от принципа измерения.

В резометре контролируемого деформации (CR) образец подвергается смещению или скорости (деформации или скорости деформации) с использованием двигателя постоянного тока, а результирующий крутящий момент (напряжение) измеряется отдельно с использованием дополнительного датчика с силовым мощным содержанием (преобразователь компенсации крутящего момента) Полем Электрический ток, используемый для генерации смещения или скорости двигателя, не используется в качестве меры крутящего момента, действующего в образце. Этот режим работы также упоминается как отдельный режим преобразователя двигателя (SMT).

Угол отклонения/деформация и скорость сдвига устанавливаются двигателем на основе управления положением оптического энкодера в нижней части.
Реакция образца (воздействие на напряжение в образце) измеряется дополнительным преобразователем силового перерыва (преобразователь повторного баланса крутящего момента)
Разделение измерения привода и крутящего момента имеет преимущества в контролируемых деформациях тестов, поскольку момент инерции двигателя не влияет на измеренный крутящий момент.
Ограничения режима SMT можно найти в контролируемых напряжениях измерений (например, тесты на ползучесть)

В реометре контролируемого напряжения (CS) крутящий момент, действующий в образце, определяется непосредственно из электрического крутящего момента, генерируемого в двигателе. При такой конструкции не требуется отдельный датчик крутящего момента. Обычно этот режим работы описывается как комбинированный мотор-транс-режим (CMT).

Напряжение, действующее в образце, определяется непосредственно из крутящего момента, генерируемого в двигателе, который необходим для деформирования образца.
Угол отклонения/деформация и скорость сдвига определяются с помощью оптического энкодера.
Одномоторные реометры позволяют характеризовать образцы либо в скорости деформации/сдвига, либо в тестах, контролируемых напряжением сдвига
Поскольку требуется только один актер (двигатель), одномоторный реометр можно легко объединить с дополнительными аксессуарами для конкретного приложения, которые позволяют изучать свойства материала в различных приложениях.
Ограничения могут возникнуть в результате менее точной оценки данных в переходном режиме испытаний на сдвиг стартового сдвига.

В настоящее время существуют концепции устройства, которые позволяют оба рабочего режима, комбинированный режим преобразователя двигателя и отдельный режим преобразователя двигателя, с помощью двух двигателей в одном устройстве. Использование только одного двигателя позволяет провести измерения в режиме комбинированного транс -дверса. Использование обоих двигателей позволяет работать в отдельном режиме преобразователя двигателя, где один двигатель используется для деформации образца, в то время как другой двигатель используется для записи крутящего момента, действующего в образце. Кроме того, эта концепция допускает дополнительные режимы работы, такие как режим противодействия, где оба двигателя могут вращаться или колебаться в противоположных направлениях. Этот режим работы используется, например, для увеличения максимально достижимого диапазона скорости сдвига или для продвинутой реоптической характеристики образцов.

Типы удлинительного реометра

Разработка удлинительных реометров продолжалась медленнее, чем реометры сдвига, из -за проблем, связанных с созданием гомогенного удлинительного потока. Во -первых, взаимодействие испытательной жидкости или плавления с твердыми интерфейсами приведет к компоненту сдвигового потока, который поставит под угрозу результаты. Во -вторых, история штамма всех материалов необходимо контролироваться и известна. В -третьих, скорости деформации и уровни деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растянуть полимерные цепи за пределами их нормального радиуса вращения, что требует инструментов с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием перемещения. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Коммерчески доступные удлинительные реометры были отделены в соответствии с их применимостью к диапазонам вязкости. Материалы с вязкостью диапазон от приблизительно 0,01 до 1 Па. (Большинство полимерных растворов) лучше всего характеризуются реометрами капиллярного разрыва, противоположными устройствами или системами потока сокращения. Материалы с вязкостью диапазон от приблизительно 1 до 1000 па. используются в реометрах растяжения нити. Материалы с высокой вязкостью> 1000 Па... ^{[ 10 ]}

Расширенная реометрия обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации растяжения. Этот тип деформации может происходить во время обработки, такой как литье под давлением, вращение клетчатки, экструзию, продувочные потоки и потоки покрытия. Это также может возникнуть во время использования, например, декогезион клежа, накачание мыла рук и обработка жидких пищевых продуктов.

Список в настоящее время и ранее продаваемых коммерчески доступных разгибальных реометров показан в таблице ниже.

Коммерчески доступные удлинительные реометры

	Название инструмента	Диапазон вязкости [PA.S]	Тип потока	Производитель
В настоящее время продается	Реоотины	> 100	Вращение волокна	Goetfert
	Соответствовать	0.01-10	Капиллярный разрыв	Thermo Scientific
	Sentmanat Extensional Rheometer	> 10000	Постоянная длина	Xpansion Instruments
	Физер	1–1000	Растяжение нити	Кембриджская полимерная группа
	Вейдер	> 100	Управляемое растяжение нити	Рио -нить
Ранее продавался	RFX	0.01-1	Противоположный самолету	Реометрический научный
	Rme	> 10000	Постоянная длина	Реометрический научный
	MXR2	> 10000	Постоянная длина	Magna Projects

Реоотины

Rheotens - это вращающийся реометр волокна, подходящий для полимерных расплавов. Материал перекачивается из пробирки вверх по течению, а набор колес удлиняет прядь. Силовая датчика, установленная на одном из колес, измеряет результирующую расширенную силу. Из-за предварительного сдвига, индуцированного при транспортировке жидкости через пробирку вверх по течению, трудно получить истинную удлинительную вязкость. Тем не менее, реотены полезны для сравнения свойств удлинительного потока гомологичных материалов.

Соответствовать

Кабер - это реометр капилляра . Небольшое количество материала расположено между пластинами, которые быстро растягиваются до фиксированного уровня деформации. Диаметр средней точки контролируется как функция времени как шейки жидкости и разбивается под комбинированными силами поверхностного натяжения, тяжести и вязкоупругости. Расширенная вязкость может быть извлечена из данных как функцию деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернилами, красками, клеями и биологическими жидкостями.

Физер

Fiser (растягивающий реометр растяжения нити) основан на работах Sridhar et al. и Anna et al. ^{[ 11 ]} В этом инструменте набор линейных двигателей разворачивает флюидную нити с экспоненциально увеличивающейся скоростью при измерении силы и диаметра в зависимости от времени и положения. Деформируясь с экспоненциально увеличивающейся скоростью, в образцах может быть достигнута постоянная скорость деформации (за исключением ограничений потока конечной пластины). Эта система может отслеживать зависимую от штамма удлинительную вязкость, а также распад напряжения после прекращения расхода. Подробную презентацию о различных применениях реометрии растяжения нити можно найти на веб -сайте MIT. ^{[ 12 ]}

Предложение

Удлинительный реометр Sentmanat (SER) на самом деле является приспособлением, которое может быть установлен на поле для реометров сдвига. Пленка полимера намотана на двух вращающихся барабанах, которые применяют постоянную или переменную скорость деформации на полимерную пленку. Напряжение определяется из крутящего момента, оказываемого барабанами.

Другие типы удлинительных реометров

Акустический реометр

Акустические реометры используют пьезоэлектрический кристалл, который может легко запустить последовательную волну расширений и сокращений в жидкость. Этот бесконтактный метод применяет колеблющееся удлинительное напряжение. Акустические реометры измеряют скорость звука и ослабление ультразвука для набора частот в диапазоне мегахерц. Звуковая скорость - это мера эластичности системы. Это может быть преобразовано в сжимаемость жидкости. Затухание является мерой вязких свойств. Это может быть преобразовано в вязкий продольный модуль. В случае ньютоновской жидкости, затухание дает информацию о вязкости объема. Этот тип реометра работает на гораздо более высоких частотах, чем другие. Он подходит для изучения эффектов с гораздо более коротким временем расслабления, чем любой другой реометр.

Падающая тарелка

Более простая версия реометра растяжения нити, жидкость сэндвичей с реометром падающей пластины между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина зафиксирована, а нижняя пластина попадает под влияние тяжести, вытягивая цепочку жидкости.

Капиллярный/сокращение потока

Другие системы включают в себя жидкость, проходящую через отверстие, расширяющееся с капилляра или всасывают с поверхности в колонну вакуумом. Капиллярный реометр под давлением может быть использован для разработки тепловых обработок жидкости. Этот инструмент может помочь предотвратить и недооценен жидкости, поскольку экстраполяция до высоких температур не потребуется. ^{[ 13 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Томас, Томас (2014). Прикладная реология (6 -е изд.). Австрия: Антон Паар. п. 192. ISBN 9783950401608 .
^ Macosko, Christopher W. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Wiley-Vch. ISBN 0-471-18575-2 .
^ Ferry, JD (1980). Вязкоупругие свойства полимеров . Уайли. ISBN 0-471-04894-1 .
^ Труба, CJ; Majmudar, TS; McKinley, GH (2008). «Внутренняя вискозиметрия высокого сдвига». Реологика Акта . 47 (5–6): 621–642. doi : 10.1007/s00397-008-0268-1 . S2CID 16953617 .
^ Chevalier, J; Айела, Ф. (2008). «Микрофлюидные на вискозиметрах чипов». Rev. Sci. Инструмент . 79 (7): 076102. BIBCODE : 2008RSCI ... 79G6102C . doi : 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. doi : 10.1002/jps.24201 . PMID 25308758 .
^ Мезгер, Томас Г. (2020). Руководство по реологии (5 -е пересмотренное изд.). Ганновер: Vincentz Network Gmbh & Co. KG, Hanover. С. 400–403. ISBN 978-3-86630-532-8 .
^ Macosko, Christopher W. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Нью -Йорк: VCH. ISBN 1-56081-579-5 .
^ Барнс, Говард А. (2000). Справочник по элементарной реологии . Aberystwyth: Univ. Уэльса, Институт невинской механики жидкости. ISBN 0-9538032-0-1 .
^ Спрингер Справочник по экспериментальной механике жидкости, Тропея, Фосс, Ярин (ред.), Глава 9.1 (2007)
^ Sridhar, J. Nonewtonian Fluid Mech., Vol 40, 271–280 (1991); Анна, J. НЕВЕТОНИЧНАЯ ЖИДКОЙ МЕХ., Том 87, 307–335 (1999)
^ Маккинли, Г. "Десятилетие релена, растягивающей реометрии" . web.mit.edu .
^ Рос-Полски, Валькирия (5 марта 2014 г.). «Реологический анализ раствора сахарозы при высоких температурах с использованием микроволнового капиллярного реометра». Пищевая наука . 79 (4): E540 - E545. doi : 10.1111/1750-3841.12398 . PMID 24597707 .

К. Уолтерс (1975) Реометрия (Чепмен и Холл) ISBN 0-412-12090-9
Асдухин и PJGOETZ "УЗИ для характеристики коллоидов", Elsevier, (2002)

Внешние ссылки

См. Dynamic Shear Rheometer от Cooper Research Technology
Презентация об альтернативном использовании реометров архивировала 15 сентября 2019 года на машине Wayback

[1] Томас, Томас (2014). Прикладная реология (6 -е изд.). Австрия: Антон Паар. п. 192. ISBN 9783950401608 .

[2] Macosko, Christopher W. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Wiley-Vch. ISBN 0-471-18575-2 .

[3] Ferry, JD (1980). Вязкоупругие свойства полимеров . Уайли. ISBN 0-471-04894-1 .

[4] Труба, CJ; Majmudar, TS; McKinley, GH (2008). «Внутренняя вискозиметрия высокого сдвига». Реологика Акта . 47 (5–6): 621–642. doi : 10.1007/s00397-008-0268-1 . S2CID 16953617 .

[5] Chevalier, J; Айела, Ф. (2008). «Микрофлюидные на вискозиметрах чипов». Rev. Sci. Инструмент . 79 (7): 076102. BIBCODE : 2008RSCI ... 79G6102C . doi : 10.1063/1,2940219 . PMID 18681739 .

[6] Хадсон, Стивен (10 октября 2014 г.). «Микролитровый капиллярный реометр для характеристики белковых растворов» . Журнал фармацевтических наук . 104 (2): 678–685. doi : 10.1002/jps.24201 . PMID 25308758 .

[7] Мезгер, Томас Г. (2020). Руководство по реологии (5 -е пересмотренное изд.). Ганновер: Vincentz Network Gmbh & Co. KG, Hanover. С. 400–403. ISBN 978-3-86630-532-8 .

[8] Macosko, Christopher W. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Нью -Йорк: VCH. ISBN 1-56081-579-5 .

[9] Барнс, Говард А. (2000). Справочник по элементарной реологии . Aberystwyth: Univ. Уэльса, Институт невинской механики жидкости. ISBN 0-9538032-0-1 .

[10] Спрингер Справочник по экспериментальной механике жидкости, Тропея, Фосс, Ярин (ред.), Глава 9.1 (2007)

[11] Sridhar, J. Nonewtonian Fluid Mech., Vol 40, 271–280 (1991); Анна, J. НЕВЕТОНИЧНАЯ ЖИДКОЙ МЕХ., Том 87, 307–335 (1999)

[McKinley-12] Маккинли, Г. "Десятилетие релена, растягивающей реометрии" . web.mit.edu .

[13] Рос-Полски, Валькирия (5 марта 2014 г.). «Реологический анализ раствора сахарозы при высоких температурах с использованием микроволнового капиллярного реометра». Пищевая наука . 79 (4): E540 - E545. doi : 10.1111/1750-3841.12398 . PMID 24597707 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]