CS230950B1

CS230950B1 - Rotary rheometer of disc-disc type

Info

Publication number: CS230950B1
Application number: CS834812A
Authority: CS
Inventors: Jiri David
Original assignee: Jiri David
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-08-13
Also published as: CS481283A1

Abstract

isk je vytvořen ze dvou dílů, z nichž nepohyblivý periferní díl je ve tvaru mežikruzí, v jehož volném středovém prostoru je bezdotykově uložen centrální díl s torzní tyčí a mezikruhové Štěrbina mezi oběma díly je napojena na přívod regulovatelného tlakového plynu.isk is made of two parts, of which it is immovable the peripheral part is in the shape of a cross, in whose free center space is centrally mounted torsion-free central part bars and annular slot between the two parts it is connected to a regulated pressure supply gas.

Description

Vynález se týká rotačního reometru typu disk-disk, jehož horní disk se skládá ze dvou dílů, v· důsledku čehož se dosáhne přesnějších výsledků měření.The present invention relates to a disk-to-disk rotary rheometer, the upper disk of which consists of two parts, resulting in more accurate measurement results.

Známý typ reometru disk-disk obsahuje dolní disk upevněný na otočně a posuvně uloženém hřídeli podepřeném např. ohebně, pružným nosníkem pro měření celkové osofcé tlakové síly vyvozené normálovým napětím v kapalině. Hřídel je poháněna stálou úhlovou rychlostí ω .A known type of disk-to-disk rheometer comprises a lower disk mounted on a rotatably and slidingly mounted shaft supported, for example, by a flexible, flexible support for measuring the total oscillating compressive force exerted by the normal stress in the liquid. The shaft is driven at a constant angular velocity ω.

Horní disk je fixován axiálně ve vzdálenosti h od dolního disku. Je pevně spojen s otočně uloženou torzní tyčí, na které se pomocí dalšího mechanismu snímá kroutící moment llezi horní a dolní disk je umislovéna měřená kapalina, přenášející při rotaci dolního disku kroutící moment na horní disk a na torzní tyč.The upper disc is fixed axially at a distance h from the lower disc. It is rigidly connected to a rotatably mounted torsion bar, to which a torque is sensed by means of another mechanism, while the upper disk and the lower disk receive the measured liquid, transmitting torque to the upper disk and the torsion bar when the lower disk is rotated.

Současný stav techniky měření viskozity a normálových napětí pomocí reometrů typu disk-disk neumožňuje provádět měřeni neovlivněná povrchovým napětím existujícím ne volné hladině na okraji obou disků. Rovněž neumožňuje eliminaci vlivu poruchy rychlostního pole mezi disky způsobené sekundárním prouděním kapaliny při zvýšení rotační rychlosti. V známýcl· reometrech typu disk-disk je sekundární proudění ovlivňováno nepřítomností pevné stěny v rovině horního disku pro poloměry větší,než je poloměr horního disku představujícího měřicí prvek pro smyková napětí i nepřítomností pevné stěny v rovině dolního disku představujícího měřicí prvek pro normálová napětí. Porucha pole sekundární rychlosti, která v důsledku toho vzniká, znemožňuje aplikovat existující vztahy pro sekundární tok mezi dvěma neohraničenými rovnoběžnými rovinami s relativní rotací. V těchto reometrech nelze proto provést korekci celkového změřeného kroutícího momentu a celkové změřené normálové síly na vliv sekundárního toku, a tedy nelze provést výpočet správné hodnoty viskozity a součinitele normálového napětí, pokud existuje mezi disky sekundární tok.The current state of the art of measuring viscosities and normal stresses using disk-disk rheometers does not allow measurements not affected by surface tension existing at the free surface at the edge of both disks. It also does not allow the elimination of the effect of velocity field failure between the disks caused by the secondary fluid flow as the rotational speed increases. In known disk-to-disk rheometers, the secondary flow is influenced by the absence of a solid wall in the upper disk plane for radii greater than the radius of the upper disk representing the shear stress measuring element and by the absence of the fixed wall in the lower disk plane representing the normal stress measuring element. The failure of the secondary velocity field resulting therefrom makes it impossible to apply existing relationships for the secondary flow between two unbounded parallel planes with relative rotation. Therefore, in these rheometers, the total measured torque and total measured normal force cannot be corrected for the influence of the secondary flow, and therefore the correct viscosity value and the normal stress coefficient cannot be calculated if there is a secondary flow between the disks.

Snížení dalšího nepříznivého vlivu od povrchového napětí se ve stávajících systémech r reometrů typu disk-disk dosahuje doplněním rotačního disku válcovou částí, tak, že je vytvořena nádoba o větším průměru než je průměr horního disku. Horní disk je svou dolní funkční plochou zanořen do měřené kapaliny nacházející se v takto vzniklé nádobce. V tomto uspořádání je efekt povrchového napětí snížen, nebot vzniká pouze po obvodu horního disku. Zůstává však nadále rušivý vliv na měřénuu hotnotu kroutícího momentu způsobený přítomností volné hladiny, na níž není splněna stejná okrajová podmínka jako na dolní ploše horního disku.Reducing further adverse effects from surface tension in existing disk-disk rheometer systems is accomplished by replenishing the rotary disk with a cylindrical portion such that a container having a larger diameter than the upper disk diameter is formed. The upper disk is immersed with its lower functional surface into the liquid to be measured in the container thus formed. In this arrangement, the surface tension effect is reduced since it occurs only around the periphery of the upper disk. However, the disturbance on the measured torque torque due to the presence of a free level on which the same boundary condition as the lower surface of the upper disk is not satisfied remains.

Výše uvedená obtíže reometrů typu disk-disk jsou eliminovány v reometru podle vynálezu. Podstata řešení je v tom, že horní disk se skládá z nepohyblivého periferního dílu ve tvaru mezikruží, v jehož volném středovém prostoru je bezdotykově uložen centrální díl s torzní tyčí a mezikruhová štěrbina mezi oběma díly je napojena na přívod regulovatelného tlakového plynu.The aforementioned difficulties of the disk-disk rheometers are eliminated in the rheometer according to the invention. The essence of the solution is that the upper disk consists of a stationary peripheral part in the form of an annular ring, in whose free central space a central part with a torsion bar is placed without contact and the annular gap between the two parts is connected to the adjustable pressure gas supply.

Provedením reometru typu disk-disk podle vynálezu se účinně eliminuje rušivý vliv povrchového napětí a odstraní se vliv nehomogenní okrajové situace v rovině horního disku. Periferní díl horního óifcku je v pevné poloze a kroutící moment ani síla způsobená normálovým napětím v důsledku rotace kapaliny a jejího proudění nejsou z tohoto dílu snímány.By performing the disk-disk rheometer of the invention, the surface tension disturbance is effectively eliminated and the inhomogeneous edge situation in the plane of the upper disk is eliminated. The upper peripheral portion of the upper port is in a fixed position, and the torque and force caused by the normal stress due to the rotation of the fluid and its flow are not removed from the portion.

Provedením reometru typu disk-disk podle vynálezu se tak umožní kalkulace vlivu sekundárního proudění vyvolaného rotací kapaliny při měřeni, a tedy i korekce měření viskozity a normálového napětí na sekundární proudění, nebol tímto provedením je zajištěna pro měřicí prvek, kterým je centrální díl horního disku, platnost okrajových podmínek předpokládaných v existujících teoriích a z nich vyplývajících vztazích pro proudění mezi rovnoběžnými rovinami s relativní rotací. Sekundární prouděni v kapalině nacházející se v měřicím prostoru je neporušené a lze na něj proto aplikovat vztahy odvozené pro sekundární proudění za předpokladů platnosti těchto teoretických vztahů. Tyto vztahy umožňují výpočet kroutícího momentu způsobeného sekundárním prouděním, který musí býti odečten od celkového změřeného kroutícího momentu, aby byla stanovena správná hodnota viskozity.The embodiment of the disk-disk rheometer according to the invention thus makes it possible to calculate the effect of the secondary flow induced by the rotation of the liquid during the measurement and hence correction of the viscosity and normal stress measurement on the secondary flow. validity of boundary conditions assumed in existing theories and the resulting relations for flow between parallel planes with relative rotation. The secondary flow in the liquid contained in the measuring space is intact and therefore the relations derived for the secondary flow can be applied to it, provided these theoretical relations are valid. These relationships allow the calculation of the torque caused by the secondary flow, which must be subtracted from the total measured torque in order to determine the correct viscosity value.

Tímto provedením reometru typu disk-disk se rovněž zvýší i horní hranice rozsahu rotačních rychlostí, po který bude možno s rotačními reometry pracovat, nebot vznikající intenzívnější sekundární proudění, bude možno eliminovat při výpočtu viskozity.This embodiment of the disk-disk rheometer also increases the upper limit of the rotational velocity range over which the rheometer can be operated, since the intense secondary flow generated can be eliminated in the viscosity calculation.

Vynález umožňuje též měření koeficientu normálových napětí a provádění korekce jeho velikosti na vliv sekundárního proudění obdobně jako při měření viskozity. V tomto případě je korigována celková normálová síla vyvozené rotací e prouděním kapaliny; tato síla působí kolmo k ploše horního disku a je snímána pouze z jeho centrálního dílu a přenášena torzní tyčí na měřicí zařízení, které současně udržuje silovou rovnováhu s touto měřenou silou tak, aby nenastával posun centrálního dílu podél rotační osy.The invention also enables the measurement of the normal stress coefficient and the correction of its magnitude on the effect of the secondary flow similar to the viscosity measurement. In this case, the total normal force generated by the rotation e of the fluid flow is corrected; this force acts perpendicular to the surface of the upper disk and is sensed only from its central part and transmitted by the torsion bar to the measuring device, which at the same time maintains a force equilibrium with this measured force so as not to shift the central part along the rotational axis.

Ne přiloženém výkresu je schematicky znázorněno provedení rotačního reometru typu disk-disk podle vynálezu. 'An embodiment of a disk-disk rotary rheometer according to the invention is schematically shown in the accompanying drawing. '

Reometr se skládá z dolního otáčivého disku 2 uloženého na hřídeli 6. Hřídel 6 je t poháněna neznázorněným hnacím mechanismem, který umožňuje nastavení volitelné konstantní úhlové rychlosti Si a současně umožňuje výškové přestavení hřídele 6. Dolní otáčivý disk 2 může být také opatřen svislým válcovým pláštěm 2, takže vznikne rotační nádoba, v níž je • měřené kapalina. Na povrchu měřené kapaliny ve vzdálenosti h od dolního otáčivého disku je uložen horní disk, který je rozdělen na centrální díl 1 opatřený torzní tyčí J, a periferní díl 2, který je pevný a je oddělen od centrálního dílu 1 soustřednou mezikruhovou štěrbinou J. V periferním dílu 2 je soustředně upraven kruhový otvor poo uložení centrálního dílu 1. Mezikruhová štěrbina J je napojena na přívod 8 regulovatelného tlakového plynu, kterým je v ní udržován potřebný přetlakΔp zabraňující vniknutí měřené kapaliny mezi centrální díl 1 a periferní díl 2 horního disku. Horní konec torzní tyče J je pevně spojen s neznázorněným mechanismem umožňujícím snímání kroutícího momentu a normálové sily N při stálé vertikální poloze torzní tyče J a centrálního dílu J..The rheometer consists of a lower rotary disk 2 mounted on a shaft 6. The shaft 6 is driven by a drive mechanism (not shown) which allows the adjustment of an optional constant angular velocity Si and at the same time permits a height adjustment of the shaft 6. so that a rotating vessel is formed in which the liquid to be measured is present. On the surface of the liquid to be measured at a distance h from the lower rotating disk there is an upper disk which is divided into a central part 1 provided with a torsion bar J and a peripheral part 2 which is solid and separated from the central part 1 by a concentric annular slot J. The annular gap J is connected to the inlet 8 of controllable pressure gas, which maintains the necessary overpressure Δp in order to prevent the measured liquid from penetrating between the central part 1 and the peripheral part 2 of the upper disc. The upper end of the torsion bar J is rigidly connected to a mechanism (not shown) for sensing the torque and the normal force N at a constant vertical position of the torsion bar J and the central piece J.

Vzhledem k popsaným vynálezeckým účinkům mohou být voleny úhlové rychlost ω, vzdálenost disků h a poloměr R měřicího prvku - centrálního dílu i horního disku - podle potřeby měření v širokých mezích, s tím, že bude dodržen dostatečně velký poměr poloměru Rg periferního dílu 2 a poloměrů R centrálního dílu Je-li dolní otáčivý disk % opatřen svislým pláštěm 2, je možno využit výhod účinků vynálezu i pro měření řídkých a velmi řídkých kapalin.Due to the inventive effects described, the angular velocity ω, the disc distance h and the radius R of the measuring element - both the central part and the upper disk - can be selected within wide limits, as long as the radius Rg of peripheral part 2 and radius R is sufficiently large. If the lower rotary disc is provided with a vertical casing 2, the advantages of the effects of the invention can also be utilized for measuring thin and very thin liquids.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A disk-to-disk rotary rheometer comprising a lower rotary disk mounted on a driven and height-adjustable shaft, and an upper disk connected to a torsion bar, characterized in that the upper disk consists of a stationary peripheral piece (2) in the form of an annular a central part (1) with a torsion bar (3) is disposed in the central space and the annular gap (4) between the two parts (1, 2) is connected to the supply (8) of the adjustable pressure gas.