ويسکومتر:

ويسکومتر وسيله اي براي سنجيدن ميزان ويسکوزيته مايعات است.براي موادي که ويسکوزيته آنها با جريان يافتن تغيير مي کند از ويسکومتر ويژه اي به نام رئومتر استفاده مي گردد.در حالت کلي در يک ويسکومتر دو حالت وجود دارد:

يا مايع ويسکوز ساکن است و يک شي جانبي در داخل آن(ابزار اندازه گيري ويسکوزيته) حرکت مي کند و يا وسيله اندازه گيري ويسکوزيته ساکن بوده و سيال ويسکوز حرکت مي کند.نيروي کششي که سبب ايجاد حرکت نسبي سيال نسبت به سطح مي شود مي تواند به عنوان عاملي براي اندازه گيري ويسکوزيته به کار گرفته شود.حالت جريان بايد به گونه اي باشد که عدد رينولدز به حدي کوچک باشد که بتوان جريان را آرام فرض نمود.در دماي 20 درجه سلسيوس ويسکوزيته آب 1.002mpa.s است و ويسکوزيته جنبشي آن (نسبت ويسکوزيته با دانسيته) برابر با 1.0038mm²/s است لازم به ذکر است مقادير فوق جهت کاليبراسيون ويسکومتر ها به کار مي رود.

ويسکومتر هاي استاندارد آزمايشگاهي براي مايعات:

اين ويسکومتر ها براي سنجش ويسکوزيته مايعاتي با دانسيته معين به کار مي رود.

ويسکومتر هاي U  شکل(U-tube viscometers):

اين نوع ويسکومتر ها بيشتر به افتخار ويليام استوالد(Wilhelm Ostwald) با عنوان ويسکومتر استوالد(Ostwald viscometers)شناخته مي شوند که به ويسکومتر هاي شيشه اي مويين هم مشهوراند.از انواع ديگر مي توان به ويسکومتر هاي آبلهود(Ubbelohde viscometer) اشاره نمود.اين نوع ويسکومتر اساسا از يگ لوله شيشه اي U شکل که بصورت عمودي و در يک حمام کنترل دما قرار دارد تشکيل شده است.در يک سمت اين لوله يک مقطع عمودي با قطر باريک که دقيقا اندازه گيري شده است قرار دارد(يک لوله موئين با قطر مشخص).در بالاي اين قسمت يک منطقه بر آمده قرار دارد و يک بر آمدي ديگر پايين تر از آن در سمت ديگر لوله قرار داده شده است که در هنگام استفاده سيال بوسيله يک مکنده(Suction) از محفظه پاييني به محفظه بالايي کشيده مي شود و سپس اجازه داده مي شود تا از طريق لوله موئين به محفظه پاييني جريان يابد.دو نشانه موجود در بالا و پايين محفظه بالايي حجم مشخصي را نشان مي دهند که زمان مورد نياز تا انتقال سيال بين اين دو نشان با ويسکوزيته جنبشي متناسب است.اکثر واحد هاي تجاري يک فاکتور تبديل براي اين مورد تهيه مي کنند که با يک مايع با مشخصات کاملا معين(مثلا آب مقطر) کاليبره مي شود.

زمان مورد نياز براي انتقال کل سيال مورد آزمايش از محفظه بالايي به پاييني که بين دو شاخص محفظه بالايي قرار گرفته است به دقت اندازه گرفته مي شود با ضرب زمان بدست آمده به ضريب تبديل ويسکومتر ويسکوزيته جنبشي سيال محاسبه مي شود. به دليل تاثير دما در ويسکوزيته سيل اين ويسکومتر ها اغلب در يک دماي ثابت و در داخل يک حمام آب قرار مي گيرند.

اينگونه ويسکومتر ها اغلب بصورت ويسکومتر هايي با جريان مستقيم و يا معکوس رده بندي مي شوند.

ويسکومتر هاي جريان معکوس داراي يک مخزن  در قسمت بالاي نشانه ها هستند ولي در ويسکومتر هاي با جريان مستقيم اين مخزن در زير شاخص ها قرار دارد.گونه اي از ويسکومتر ها هم وجود دارند که بصورت ترکيبي از دو ويسکومتر مذکور هستند  که براي اندازه گيري ويسکوزيته مواد کدر(مات) يا مواد لکه زا (آلاينده)طراحي شده اند به عبارت ديگر سيال ديواره را آلوده مي کند و شناسايي عبور کل سيال بين دو شاخص و در نتيجه اندازه گيري زمان دقيق را غير ممکن مي سازد ويسکومتر ترکيبي اين اجازه را به اپراتور مي دهد که بجاي اندازه گيري زمان تخليه سيال بين دو شاخص مخزن بالا زمان پر شدن مخزن پاييني را اندازه بگيرد و اين امر تا حد زيادي از خطاي ويسکومتري مي کاهد.

ويسکومتر هاي سقوطي(Falling sphere viscometers):

قانون استوکس(Stokes' law)اساس ويسکومتر هاي سقوطي را تشکيل مي دهد.در صورتي که سيال بصورت استاتيک در داخل يک لوله عمودي شيشه اي قرار دارد اجازه مي دهيم يک شار فلزي کوچک که اندازه و دانسيته آن مشخص است در داخل سيال سقوط کند .اگر شما بتوانيد سرعت سقوط شار( مدت زمان لازم براي عبور شار از ميان دو شاخص) را به درستي ثبت نماييد(براي راحتي کار و دقت بالا مي توان از حسگر هاي الکترونيکي براي اين کار استفاده نمود.).با در دست داشتن سرعت شار،اندازه و دانسيته شار و دانسيته سيال مورد نظر مي توان از قانون استوکس براي محاسبه ويسکوزيته سيال استفاده نمود.يک سري از گلوله هاي فلزي با اندازه ها متفاوت جهت بالا بردن دقت محاسبات بايد به کار گرفته شوند.در آزمايش ها معمولا از گليسيرين به عنوان سيال استفاده مي شود که دانشجويان با استفاده از تکنيک مذکور ويسکوريته آن را محاسبه مي کنند ولي مي توان از انواع روغن ها و يا مواد پليمري براي اين منظور استفاده نمود.

در سال 1851 آقاي جرج گابريل استوکس(George Gabriel Stokes) رابطه اي را براي محاسبه نيروي اصطکاکي(نيروي کششي) بدست آورد که از قرار زير است:

که در اين رابطه داريم:

· F is the frictional force,

· r is the radius of the spherical object,

· η is the fluid viscosity, and

· v is the particle's velocity.

اگر شي مربوطه در داخل يک سيال ويسکوز با نيروي وزن خود سقوط کند و مي توان سرعت سقوط آن را از رابطه زير محاسبه کرد:

که در اين رابطه داريم:

· V_s is the particles' settling velocity (m/s) (vertically downwards if ρ_p > ρ_f, upwards if ρ_p < ρ_f),

· r is the Stokes radius of the particle (m),

· g is the gravitational acceleration (m/s²),

· ρ_p is the density of the particles (kg/m³),

· ρ_f is the density of the fluid (kg/m³), and

· μ is the (dynamic) fluid viscosity (Pa s).

بايد توجه داشت که قانون استوکس با فرض کوچک بودن رينولدز بدست آمده است.

ويسکومتر هاي لرزشي(Vibrational viscometers):

مبناي کار ويسکومتر هاي لرزشي اندازه گيري مقدار کاهش نوسانات الکترومغناطيسي لرزاننده هنگام لرزش در داخل سيال مورد آزمايش است.لرزاننده معمولا بصورت دوراني(بوسيله يک سگدست متصل به يک موتور الکتريکي) يا ارتعاشي(بصورت دياپازوني) کار مي کنند .هر قدر ويسکوزيته سيال بالا باشد به همان ميزان هم ميزان افت لرزش هاي ايجاد شده توسط لرزاننده بيشتر خواهد بود.

ميزان کاهش ارتعاشات لرزاننده مي تواند با يکي از روش هاي زير اندازه گزفته شود:

1. اندازه گيري مقدار انرژي لازم جهت ثابت نگه داشتن دامنه ارتعاشات نوسانگر در يک دامنه ارتعاشي مشخص.در اين روش بايد متذکر شد در سيالاتي با ويسکوزيته بالا انرژي بيشتري جهت ثابت ماندن دامنه ارتعاشي نوسانگر بايد مصرف شود.

2. اندازه گيري زمان لازم جهت توقف کامل نوسانگر بعد از خاموش شدن آن.در اين روش بايد متذکر شد زمان لازم جهت توقف نوسانگر با ويسکوزيته سيال متناسب است و هر اندازه ويسکوزيته بالا باشد مدت زمان لازم جهت توقف نوسانگر نيز کمتر خواهد بود.

3. اندازه گيري فرکانس نوسانگر بصورت تابعي از کنش وارد شده به سيال و واکنش سيال نسبت به آن که در اين روش هم سيالاتي با ويسکوزيته بالا به نسبت تغيير فرکانس بيشتري هنگام تغيير فاز از خود نشان مي دهند.

نتيجه ارائه شده توسط دستگاه هاي سنجش ويسکوزيته با روش ارتعاشي به دليل عدم اندازه گيري تنش سطحي(shear field) جهت اندازه گيري ويسکوزيته سيالاتي که رفتار جرياني آن براي کاربر نامشخص است نمي تواند قابل اطمينان باشد.

ويسکومتر هاي لرزشي براي اندازه گيري ويسکوزيته درطي فرآيندهاي صنعتي به کار مي رود.

در اينگونه ويسکومتر ها سنسور به ميله نوسانگر متصل مي شود .تغييرات دامنه نوسانگر با ويسکوزيته سيالي که بخش لرزاننده ويسکومتر را مي پوشاند متناسب است.اين روش براي اندازه گيري ويسکوزيته سيالات ژلاتيني و سيالاتي با ويسکوزيته بالا (بالاي 1000pa.s) کاربرد دارد.در حال حاظر به دليل کارايي بالاي اين ويسکومتر ها صنايع توجه خود را معطوف استفاده بهينه از اينگونه ويسکومتر ها نموده و سعي در افزايش دقت و کارآيي اين نوع دارند.

اين دسته از ويسکومتر ها بسيار مستحکم بوده و تمام اجزاي آن از مقاومت بالايي برخوردار هستند و تنها قسمت حساس آنها حسگر کوچک تعبيه شده در بخش لرزاننده است به همين دليل مي توان ويسکوزيته انواع مواد مختلف بخصوص سيالات اسيدي را با اين نوع اندازه گرفت به شرط آنکه :يا سيال را در داخل يک پوشش خاص قرار داد و يا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسيد ساخت که مي توان به 316L, SUS316, Hastelloy, or enamel اشاره کرد.

ويسکومتر هاي دوراني(Rotation viscometers):

اينگونه ويسکومتر ها بر ايده اندازه گيري مقدار گشتاور لازم جهت به چرخش در آوردن يک جسم خارجي در داخل سيال استوار هستند که مي تواند راهي براي اندازه گيري ويسکوزيته سيال باشد.

به عنوان مثال ويسکومتر هاي بروکفيلد(Brookfield-type)بر مبناي اندازه گيري مقدار گشتاور لازم جهت چرخش يک ديسک با سرعتي مشخص در داخل سيال کار مي کنند.

در ويسکومتر هايCup and bob مقدار معيني سيال در داخل مخزن مخصوصي ريخته مي شود و گشتاور لازم جهت چرخش يک ديسک در داخل سيال با يک سرعت مشخص به دقت اندازه گيري شده و گراف هاي آن رسم مي شوند.

در کل دو نوع مشخص از اين نوع ويسکومتر ها مورد استفاده قرار مي گيرد که با نام هاي تجاري"Couetteو "Searle"شناخته مي شوند که اختلاف آنها در چرخش فنجاني و شاغولي است.دوران فنجاني در بسياري از موارد بر دوران شاغولي ارجحيت دارد زيرا در اين روش امکان کنترل جريان هاي گردابي بهتر صورت مي گيرد.اما در اين متد ثابت نگه داشتن دماي سيال تا حدي دشوار است.

ويسکومتر هاي استابينگر(Stabinger viscometer):

با تغيير ويسکومتر هاي نوع چرخشي(Couette rotational viscometer)و ساخت اين نوع ويسکومتر ها به دقت بسيار بالايي در اندازه گيري ويسکوزيته جنبشي سيال مي توان دست يافت.سيلندر داخلي ويسکومتر هاي استابينگر(Stabinger Viscometer) گود تر و نسبت به ويسکومتر هاي نوع قبلي سبکتر طراحي شده اند به همين دليل به آساني در داخل نمونه شناور مي گردند و به دليل نيروي گريز از مرکز دقيقا در بخش مرکزي قرار مي گيرند.اندازه گيري سرعت و گشتاور در اين نوع با اندازه گيري چرخش ميدان مغناطيسي و حرکات گردابي و بدون هيچگونه تماس مستقيمي صورت مي گيرد.که اين امر دقت فوق العاده 50pN.m و دامنه وسيع سنجش0.2 to 20,000 mPa·s  را براي اين نمونه امکان پذير نموده است.

قابل ذکر است که اين نوع ويسکومتر براي اولين بار توسط Anton Paar GmbH در سال 2000 معرفي گرديد که اين ويسکومتر به افتخار دکتر استابينگر(Dr. Hans Stabinger.)به اين نام ناميده شد.

References

• British Standards Institute BS ISO/TR 3666:1998 Viscosity of water
• British Standards Institute BS 188:1977 Methods for Determination of the viscosity of liquids
• ASTM International (ASTM D7042)

• http://www.pra.org.uk/viscosityoils/notes-units.htm

Retrieved from "http://en.wikipedia.org/wiki/Viscometer"

 تذکر: