ویسکومترها ابزارهایی هستند که جریان سیال و ویسکوزیته مایعات را اندازه گیری می کنند. ویسکوزیته یک مایع می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد، خواه پمپاژ یا لوله کشی آن باشد، یا نحوه عملکرد آن برای غوطه وری و پوشش.
بنابراین، اندازه گیری ویسکوزیته برای طیف گسترده ای از مواد اعمال می شود، از جمله:
اندازه گیری ویسکوزیته و خواص جریان نیز برای تولید اقلام مصرفی آشنا مانند غذا و نوشیدنی، خمیر دندان، لوازم آرایشی و شامپو اعمال می شود.
ویسکومترها ویسکوزیته و خواص جریان مایعات را اندازه گیری می کنند و کاربردهای متنوعی دارند و این خواص را در مواد مختلف اندازه گیری می کنند.
نمونه هایی از این برنامه ها عبارتند از:
ویسکوزیته در روانکاری ماشین آلات مهم است. اگر خیلی کم باشد، تماس بیش از حد و در نتیجه سایش بین اجزای داخلی وجود خواهد داشت. اگر خیلی زیاد باشد، می تواند ماشین را مجبور به کار سخت تر کند تا بر مقاومت داخلی روان کننده در برابر جریان غلبه کند.
ویسکوزیته معیاری است که نشان می دهد وقتی یک ماده به آن نیرو وارد می کنید چقدر در برابر حرکت مقاومت می کند.
به عنوان مثال، اگر یک لوله خمیر دندان را فشار دهید، محتویات آن چقدر راحت از انتهای لوله خارج می شود؟
یک فرمول برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد:
ویسکوزیته = تنش محض / نرخ برش.
شما نتیجه این فرمول را بر حسب سانتی پویز (cP) بیان می کنید. سانتی پویز معادل 1 mPa s (میلی پاسکال ثانیه) است.
این در مورد ویسکوزیته مطلق صدق می کند. برای ویسکوزیته سینماتیک، اندازه گیری متفاوت است، همانطور که بعدا توضیح خواهیم داد.
برای بسیاری از مایعات، تنشی که باعث جریان می شود با نرخ کرنش برشی نسبت مستقیم دارد. تنش خالص تقسیم بر نرخ برش برای یک سیال معین، در یک دمای خاص ثابت است.
این ثابت ویسکوزیته دینامیکی یا مطلق است. اما می توانید به سادگی به آن به عنوان ویسکوزیته یک ماده نیز اشاره کنید.
یک راه ساده برای دیدن ویسکوزیته به اندازه ضخامت یک سیال است، اما وقتی به سیالاتی با چگالی های مختلف نگاه می کنید، واضح ترین راه برای توصیف ویسکوزیته مقاومت در برابر جریان است.
شرایط فرآیند مواد، هم در تولید و هم برای استفاده نهایی آنها مهم است.
ویسکوزیته یک ماده همچنین معیار غیرمستقیم مفیدی برای خواص آن مانند وزن مولکولی و چگالی است. این خواص مواد می تواند بر رفتار جریان تأثیر بگذارد.
اندازه گیری ویسکوزیته بخش ارزشمندی از کنترل کیفیت و سازگاری دسته ای است.
همچنین اندازه گیری ویسکوزیته مهم است زیرا همه سیالات به یک شکل رفتار نمی کنند.
به طور کلی، دو نوع وجود دارد:
نیوتنی به قانون ویسکوزیته نیوتن اشاره دارد که فرمول تعیین شده برای اندازه گیری آن است.
در سیالات نیوتنی، ویسکوزیته بدون توجه به تغییرات نرخ برش ثابت می ماند.
نمونه هایی از سیالات معمولی نیوتنی شامل آب و روغن موتور است.
اما، در سیالات غیر نیوتنی، ویسکوزیته در نوسان است. این مایعات شامل انواع زیر است:
یک مثال روزمره از مایعات غیر نیوتنی، سس گوجه فرنگی است که وقتی بطری را تکان می دهید، روان تر می شود. سس کچاپ خاصیت رقیق کنندگی برشی دارد، زیرا با افزایش تنش برشی، ویسکوزیته آن کاهش می یابد.
ویسکوزیته سینماتیک و مطلق
دو روش برای بیان ویسکوزیته وجود دارد:
ویسکوزیته سینماتیکی را با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی گرانش اندازه گیری می کنید.
شما ویسکوزیته مطلق را با اندازه گیری این مقاومت در برابر جریان تحت یک نیروی خارجی و کنترل شده اندازه گیری می کنید.
اندازه گیری این دو عبارت ویسکوزیته نیز متفاوت است.
چه نوع ویسکومتر وجود دارد؟
دو روش اساسی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد:
یا یک جسم از یک ماده ثابت عبور می کند، یا ماده از یک جسم ساکن یا از کنار آن عبور می کند.
با هر دو روش، زمان لازم برای انجام عملیات را ثبت می‌کنید که مقاومت در برابر جریان را اندازه‌گیری می‌کند.
با استفاده از هر یک از این دو روش، انواع مختلفی از ویسکومتر وجود دارد:
ویسکومتر ویسکوزیته نیوتنی را اندازه گیری می کند.
همچنین رئومترهایی برای اندازه گیری ویسکوزیته غیرنیوتنی وجود دارد که این کار را با استفاده از پارامترهای متعدد انجام می دهند.
ویسکومتر مویرگی
شما اغلب یک ویسکومتر مویرگی را در محیط آزمایشگاهی پیدا خواهید کرد. این یک لوله شیشه ای U شکل است (که نام دیگری به آن می دهد، ویسکومتر لوله u).
فرآیند اندازه گیری ویسکوزیته شامل غوطه ور شدن لوله شیشه ای در یک حمام با دمای کنترل شده، معمولاً در دمای 40 یا 100 درجه سانتیگراد است.
زمان دقیقی برای این کار وجود دارد که بر حسب ثانیه اندازه‌گیری می‌شود، یعنی مدت زمانی طول می‌کشد که مقدار ثابتی از مایع در داخل لوله u بین دو نقطه مشخص شده جریان یابد.
شما این جریان را از طریق مکش یا نیروی جاذبه به دست می آورید.
هنگامی که این اندازه گیری را انجام دادید، سپس آن را در یک ثابت، مخصوص نوع لوله ای که استفاده می کنید ضرب می کنید که یکی از این موارد را محاسبه می کند:
مروری بر اجزا و کاربرد دستگاه HPLC
ویسکومتر چرخشی
این نوع ویسکومتر از یک دستگاه چرخشی به نام دوک استفاده می کند که آن را در مایعی که در حال آزمایش هستید غوطه ور می کنید.
سپس گشتاور روی محور چرخان دوک، مقاومت سیال در برابر جریان را اندازه گیری می کند.
ویسکومتر چرخشی ویسکوزیته مطلق سیال را اندازه گیری می کند.
نسخه رایج این نوع ویسکومتر ویسکومتر بروکفیلد است و نسخه پیشرفته تر ویسکومتر Stabinger است.
این از یک اسپیندل کنترل شده الکترومغناطیسی برای ایجاد چرخش در داخل سیال استفاده می کند و باعث حذف عوامل در اصطکاک یاتاقان یک دوک موتوری می شود.
سقوط توپ و سقوط ویسکومتر پیستون
اینها روشهای رایج برای اندازه گیری ویسکوزیته نیستند. در تست ویسکومتر گوی سقوط و سقوط پیستون، یک توپ یا پیستون در مایع می افتد و شما زمان بین نقاط مشخص شده را اندازه می گیرید.
با این حال، برای انجام این کار، باید سرعت نهایی، اندازه و چگالی توپ یا پیستونی که استفاده می کنید را بدانید.
رئومترها
رئولوژی مطالعه جریان ماده است، معمولاً در حالت مایع، اما می تواند برای برخی جامدات نیز کاربرد داشته باشد. این بررسی می کند که چگونه مواد در رابطه با جریان، در پاسخ به نیروی اعمال شده واکنش نشان می دهند.
از نظر فنی، ویسکوزیته در دسته بندی فنی گسترده تر رئولوژی قرار می گیرد.
رئومترها برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالات غیر نیوتنی ایده آل هستند. آنها بر اساس اصول مشابه ویسکومترها عمل می کنند، اما کاربردهای گسترده تری دارند.
این به این دلیل است که سیالات غیر نیوتنی دارای خواص رئولوژیکی پیچیده تری نسبت به سیالات نیوتنی هستند و هنگامی که به آنها نیرو وارد می کنید ویسکوزیته آنها تغییر می کند.
چهار نوع رئومتر وجود دارد:
رئومترهای مویرگی و چرخشی مشابه ویسکومترهای مربوطه هستند.
رئومترهای گشتاور، گشتاور پیچ‌ها یا موتورهای همزن را اندازه‌گیری می‌کنند، که نشان می‌دهند مخلوط کردن یک ماده نمونه چقدر سخت است.
رئومترهای نوسانی تغییر شکل‌های برشی نوع موج سینوسی را در مواد نمونه ایجاد می‌کنند، آنها را بین دو صفحه قرار می‌دهند و اثر گشتاور را اندازه‌گیری می‌کنند.
تفاوت اصلی بین رئومترها و ویسکومترها در این است که رئومترها تمایل دارند نوعی نیروی برشی بر روی موادی که در حال آزمایش هستند اعمال کنند.
چگونه نمونه ها را برای اندازه گیری آماده می کنید؟
در هر دو اندازه گیری رئومتریک و ویسکومتری، آماده سازی نمونه می تواند بر نتایج اندازه گیری تأثیر بگذارد.
این امر به ویژه در هنگام اندازه گیری نمونه ها با نرخ برش پایین صادق است.
چه عواملی می توانند بر اندازه گیری ویسکوزیته تأثیر بگذارند؟
در حالی که فرآیند اندازه‌گیری ویسکوزیته سیال ممکن است ساده به نظر برسد، اگر قرار است این اندازه‌گیری‌ها دقیق باشند، باید عواملی را در نظر گرفت.
دما یک عامل مهم است. عملکرد حمام با دمای کنترل شده حفظ دمای دقیق در طول فرآیند است. شما باید بتوانید دمای حمام را تا 0.02 درجه سانتیگراد نسبت به دمای مورد نیاز خود (معمولاً 40 یا 100 درجه سانتیگراد) کنترل کنید.
وجود دارد سیستم های حمام کنترل دما که به شما امکان می دهد این کار را راحت تر انجام دهید.
در ویسکومترهای مویرگی، قطر شیشه U شکل برای اندازه گیری دقیق باید دقیق باشد. بنابراین، این شیشه ها معمولاً با استفاده از شیشه بوروسیلیکات کم انبساط تولید می شوند. این کمک می کند تا خطا به حداقل برسد، همراه با کالیبراسیون مجدد ویسکومتر مویرگی سالانه.
همچنین مهم است که بین اندازه گیری ها با استفاده از یک حلال بدون باقی مانده، کاملاً شسته و خشک شود.
ویسکومترها از نظر اندازه متفاوت هستند تا انواع ویسکوزیته را اندازه گیری کنند. اندازه دستگاه هر چه باشد، حداقل زمان اندازه گیری ویسکومتر باید 200 ثانیه باشد. این اجازه می دهد تا مایع بین نقاط مشخص شده عبور کند.
کدام صنایع از ویسکومتر و رئومتر سود می برند؟
طبق تحقیقات، پیش‌بینی می‌شود که بازار ویسکومتر و رئومتر تا سال 2023 به 878.6 میلیون دلار در سطح جهان برسد.
طیف متنوعی از صنایع و بخش ها از ویسکومتر و رئومتر استفاده می کنند.
این شامل:
در اینجا چندین نمونه از اعمال اندازه گیری ویسکوزیته در صنایع مختلف آورده شده است.
چسب ها
اندازه گیری ویسکوزیته در تولید چسب مهم است. بسته به نوع چسب و کاربرد نهایی آن، باید با سرعت مشخص و بهینه جریان یابد.
چسب های با ویسکوزیته پایین آزادانه تر از چسب های با ویسکوزیته بالا جریان دارند. برای برخی، هدف این است که چسب در یک نقطه محکم تر بماند، برای برخی دیگر، به طور گسترده تری پخش شود.
غذا
در صنایع غذایی، اندازه‌گیری ویسکوزیته می‌تواند به به حداکثر رساندن راندمان تولید و اطمینان از اثربخشی هزینه کمک کند.
در جایی که محصولات به عنوان بخشی از تولید لوله می شوند، ویسکوزیته بر سرعت این انتقال و مدت زمان گیرش یا خشک شدن مواد غذایی مختلف یا مدت زمانی که طول می کشد تا آن را در بسته بندی توزیع کند، تأثیر می گذارد.
ویسکوزیته می تواند تأثیر زیادی بر فرآیند تولید مواد غذایی داشته باشد و عنصر اصلی در بافت مواد غذایی است.
هر گونه ناهماهنگی دسته ای می تواند منجر به محصولاتی شود که استانداردهای مصرف کننده را رعایت نمی کنند.
روغن
ویسکوزیته در روغن بسیار مهم است. اثر آب بندی روغن و میزان مصرف آن را تعیین می کند.
ویسکوزیته روغن بر دمای مربوط به اصطکاک حرارتی یاتاقان ها، مجموعه دنده ها و سیلندرها تأثیر می گذارد. این بر کارایی ماشین آلات و سرعت یا کندی شروع و کارکرد آن در دماهای مختلف تأثیر می گذارد.
شما ویسکوزیته سینماتیکی روغن را اندازه می گیرید که شاخص ویسکوزیته (VI) آن را نشان می دهد. روغن با VI بالاتر کارآمدتر است، در نتیجه مصرف کمتر و کاهش سایش در روانکاری کاهش می یابد.
یکی دیگر از عوامل اندازه گیری در روغن، توانایی آن در مقاومت در برابر برش در هنگام روانکاری هیدرودینامیکی است.
مهم است که ویسکوزیته روغن با شرایط دما، سرعت و بار قطعات روغن کاری شده مطابقت داشته باشد.
بتن
در صنعت بتن، ویسکوزیته پلاستیک و تنش تسلیم بتن برای کارایی و قرارگیری آن حیاتی است.
خواص رئولوژیکی بتن کیفیت مکانیکی، دوام و کیفیت کلی آن را تعیین می کند.
برای اطمینان از پایداری سازه های بتنی و قابل استفاده بودن بتن در هنگام اجرای آن، باید از ویسکوزیته مناسب برخوردار باشد.
لوازم آرایشی
در صنعت زیبایی و آرایشی، اندازه گیری ویسکوزیته یک عنصر حیاتی در کنترل کیفیت است.
به عنوان مثال، یک بالم لب باید دارای ویسکوزیته بالایی باشد تا اطمینان حاصل شود که به درستی به پوست می چسبد و از آن محافظت می کند.
از طرف دیگر، یک بادی میست به ویسکوزیته کم نیاز دارد تا آزادانه و به طور یکنواخت از دستگاه پخش خود جریان یابد.
در جایی که شرکت‌های لوازم آرایشی محصولات را لوکس توصیف می‌کنند، احتمالاً برای تقویت این تصور به ویسکوزیته بالاتری نیاز دارند.
شما می توانید ویسکوزیته بسیاری از ترکیبات آرایشی مبتنی بر روغن و آب را با استفاده از ویسکومتر مویرگی آزمایش کنید زیرا اینها مایعات نیوتنی هستند. اما سایر ترکیبات دارای ویژگی های غیر نیوتنی هستند، بنابراین نیاز به آزمایش رئومتریک دارند.
بنابراین مهم است که نوع مناسب ویسکومتر یا رئومتر را برای محدوده نیاز خود انتخاب کنید.
چگونه یک ویسکومتر را انتخاب می کنید؟
همانطور که دیدیم، طیف وسیعی از کاربردها برای ویسکومترها و رئومترها وجود دارد.
هنگام انتخاب ابزاری برای اندازه گیری ویسکوزیته چه عواملی را باید در نظر گرفت؟
به طور کلی، رئومترها ابزارهای همه کاره تر و گران تر از ویسکومترها هستند، اما رئومترها سیالات غیر نیوتنی را اندازه گیری می کنند.
وقتی صحبت از انواع ویسکومترها و رئومترها می شود، دسته های ابزار گسترده ای وجود دارد که شامل موارد زیر است:
