ویسکومتر چیست؟ انواع ویسکومتر و روش اندازه گیری ویسکوزیته

ویسکومتر (Viscometer) یا ویسکوزیمتر، دستگاهی آزمایشگاهی و صنعتی برای اندازه گیری ویسکوزیته و رفتار جریانی مایعات است.

ویسکوزیته یکی از مهم ترین ویژگی های هر مایع است و روی نحوه پمپاژ، انتقال در لوله، پوشش دهی و بسیاری از فرایند های دیگر اثر می گذارد. به همین دلیل اندازه گیری ویسکوزیته برای طیف گسترده ای از مواد مانند روغن ها، پلاستیک ها، رنگ ها، پوشش ها، چسب ها، موم و آسفالت انجام می شود. محصولات مصرفی مانند مواد غذایی، نوشیدنی ها، خمیردندان، لوازم آرایشی و شوینده ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند.

در این مقاله با مفهوم ویسکوزیته، انواع آن، انواع ویسکومتر و عواملی که در اندازه گیری دقیق و تکرار پذیر ویسکوزیته نقش دارند آشنا می شوید.

ویسکوزیته چیست؟

ویسکوزیته یا گرانروی، مقاومت یک سیال (مایع یا گاز) در برابر جریان یافتن است. به عبارت دیگر، ویسکوزیته همان اصطکاک داخلی بین لایه های سیال است که نسبت به هم حرکت می کنند. وقتی بخشی از سیال حرکت می کند، لایه های مجاور را نیز تا حدی با خود می کشد و همین برهمکنش بین مولکول ها باعث ایجاد ویسکوزیته می شود.

مایعی با ویسکوزیته بالا (غلیظ و چسبناک) کندتر از مایعی با ویسکوزیته پایین (رقیق و روان) جریان می یابد. برای مثال، عسل به دلیل ویسکوزیته بیشتر، کندتر از آب از ظرف بیرون می ریزد. عکس ویسکوزیته را سیالیت می نامند که معیاری برای سهولت جریان است.

اثر دما بر ویسکوزیته

• مایعات: با افزایش دما، ویسکوزیته مایعات به سرعت کاهش می یابد و راحت تر جریان پیدا می کنند.

• گازها: با افزایش دما، ویسکوزیته گازها افزایش می یابد.

چرا کنترل ویسکوزیته مهم است؟

حفظ ویسکوزیته مناسب، کلید عملکرد درست بسیاری از فرایندها و تجهیزاتی است که با سیالات کار می کنند. کنترل نکردن ویسکوزیته می تواند باعث این مشکلات شود:

• افت کیفیت محصول

• گرم شدن بیش از حد تجهیزات

• سایش زودرس قطعات

• نشتی

• تغییر رنگ و ناهماهنگی محصول

• مصرف بیش از حد حلال

• دوباره کاری و اتلاف مواد

انواع ویسکوزیته

ویسکوزیته به دو صورت بیان می شود: ویسکوزیته دینامیکی (مطلق) و ویسکوزیته سینماتیکی. تفاوت اصلی آنها در این است که ویسکوزیته دینامیکی مقاومت سیال در برابر یک نیروی خارجی را نشان می دهد، اما ویسکوزیته سینماتیکی مقاومت سیال در برابر جریان تحت اثر گرانش را.

ویسکوزیته دینامیکی (مطلق)

برای حفظ جریان یک سیال، مثلا در یک لوله، باید نیرویی مانند اختلاف فشار اعمال شود تا بر اصطکاک بین لایه های سیال غلبه کند. در بسیاری از سیالات، تنش برشی که باعث جریان می شود، با نرخ برش (سرعت تغییر شکل سیال) نسبت مستقیم دارد. نسبت این دو در دمای ثابت مقداری ثابت است که به آن ویسکوزیته دینامیکی یا مطلق می گویند.

• یکا: پاسکال ثانیه (Pa·s). در عمل معمولا از سانتی پواز (cP) استفاده می شود که برابر یک میلی پاسکال ثانیه (mPa·s) است.

• مثال: ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه حدود ۱ سانتی پواز است. ویسکوزیته هوا در دمای ۲۵ درجه حدود ۱۸.۵ میکروپاسکال ثانیه است که تقریبا ۵۰ برابر کمتر از آب است.

سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی

• سیال نیوتنی: سیالی که ویسکوزیته آن در دمای ثابت با تغییر نرخ برش تغییر نمی کند؛ مانند آب و بیشتر روغن های معدنی. این نام به افتخار آیزاک نیوتن گذاشته شده که نخستین بار این رابطه را فرمول بندی کرد.

• سیال غیرنیوتنی: سیالی که ویسکوزیته آن با نرخ برش تغییر می کند. برای مثال رنگ و سس کچاپ با هم زدن رقیق تر می شوند (رقیق شونده با برش)، اما مخلوط نشاسته و آب با اعمال نیرو سفت تر می شود (غلیظ شونده با برش). ویسکوزیته این سیالات را ویسکوزیته ظاهری می نامند.

ویسکوزیته صفر، یعنی نبود هیچ مقاومتی در برابر جریان، فقط در دماهای بسیار پایین و در ابرشاره ها مانند هلیوم مایع دیده می شود.

ویسکوزیته سینماتیکی

ویسکوزیته سینماتیکی از تقسیم ویسکوزیته دینامیکی (μ) بر چگالی سیال (ρ) به دست می آید:

ν = μ / ρ

• یکا: متر مربع بر ثانیه (m²/s). یکای رایج آن استوکس (St) است که به نام فیزیکدان بریتانیایی جورج گابریل استوکس نام گذاری شده است. در عمل از سانتی استوکس (cSt) استفاده می شود که برابر یک میلی متر مربع بر ثانیه است.

ویسکوزیته سینماتیکی نشان می دهد یک سیال تحت اثر وزن خود چقدر راحت جریان می یابد و به ویژه در صنعت روغن و روانکارها کاربرد زیادی دارد.

اهمیت ویسکومتر در صنعت

در علم تریبولوژی (مطالعه اصطکاک، سایش و روانکاری)، ویسکوزیته اغلب مهم ترین ویژگی روغن پایه دانسته می شود:

• اگر ویسکوزیته روغن خیلی کم باشد، لایه روانکار نازک می شود و قطعات با هم تماس پیدا کرده و ساییده می شوند.

• اگر ویسکوزیته روغن خیلی زیاد باشد، ماشین باید برای غلبه بر مقاومت روغن انرژی بیشتری مصرف کند.

بنابراین نه تنها مقدار ویسکوزیته، بلکه تغییر آن با شرایط کاری و محیطی نیز اهمیت دارد. ویسکومتر ها بررسی می کنند که آیا ویسکوزیته سیال در محدوده مجاز تعیین شده قرار دارد یا نه و به یکنواختی کیفیت محصول کمک می کنند.

انواع ویسکومتر

سه نوع اصلی ویسکومتر عبارت اند از:

• ویسکومتر مویرگی (شیشه ای)

• ویسکومتر گوی سقوطی

• ویسکومتر چرخشی

انواع دیگری مانند ویسکومتر های ارتعاشی و کاپ های جریان (مانند کاپ فورد و کاپ زان که در صنعت رنگ استفاده می شوند) نیز وجود دارند.

ویسکومتر مویرگی (شیشه ای)

ویسکومتر مویرگی یکی از رایج ترین انواع ویسکومتر است. در این روش، زمان عبور مقدار مشخصی از نمونه از یک لوله مویین شیشه ای تحت اثر گرانش اندازه گیری می شود. این ویسکومتر ها معمولا از شیشه ساخته می شوند و برای اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیکی به کار می روند.

ویسکومتر اوستوالد

شناخته شده ترین ویسکومتر مویرگی، ویسکومتر اوستوالد است که به نام شیمیدان آلمانی ویلهلم اوستوالد نام گذاری شده است. این ویسکومتر یک لوله شیشه ای U شکل است که به صورت عمودی در یک حمام با دمای کنترل شده قرار می گیرد.

• یک شاخه لوله دهانه پهن تری دارد و نمونه از آن وارد می شود و در پایین یک حباب مخزن دارد.

• شاخه دیگر شامل یک لوله مویین باریک و یک حباب اندازه گیری در بالای آن است. بالا و پایین این حباب، دو علامت حکاکی شده وجود دارد.

نحوه اندازه گیری:

1. نمونه از دهانه پهن وارد ویسکومتر می شود تا حباب مخزن پر شود.

2. با مکش، مایع به داخل شاخه مویین و تا بالای علامت بالایی حباب اندازه گیری کشیده می شود.

3. مکش برداشته می شود و مایع تحت اثر گرانش از طریق لوله مویین پایین می آید.

4. زمان لازم برای پایین آمدن سطح مایع از علامت بالایی تا علامت پایینی اندازه گیری می شود.

زمان جریان با ویسکوزیته سینماتیکی نمونه متناسب است و با ضرب آن در ثابت کالیبراسیون ویسکومتر، ویسکوزیته به دست می آید. انواع پیشرفته تر این ویسکومتر مانند اوبلهود و کانن فنسکه در استانداردهایی مانند ASTM D445 برای اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیکی روغن ها استفاده می شوند.

قانون پوآزی

ویسکومتر اوستوالد بر اساس قانون پوآزی (Poiseuille) کار می کند. طبق این قانون، دبی جریان آرام یک مایع در لوله از این رابطه به دست می آید:

Q = πr⁴ΔP / 8ηL

در این رابطه r شعاع لوله، ΔP اختلاف فشار، η ویسکوزیته و L طول لوله است. بنابراین دبی جریان با توان چهارم شعاع لوله نسبت مستقیم و با ویسکوزیته و طول لوله نسبت عکس دارد. به همین دلیل کوچک ترین تغییر در شعاع لوله مویین، روی نتیجه اثر زیادی دارد.

ویسکومتر گوی سقوطی

ویسکومتر گوی سقوطی برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالات نیوتنی استفاده می شود. در این روش، زمان لازم برای سقوط یک گوی با قطر و چگالی مشخص در فاصله معینی از نمونه اندازه گیری می شود. این ویسکومتر بر اساس اصل هوپلر (Höppler) و قانون استوکس کار می کند.

نحوه کار:

1. یک لوله شیشه ای مایل با نمونه مایع پر می شود.

2. یک گوی با قطر و چگالی مشخص درون لوله قرار می گیرد.

3. گوی تحت اثر گرانش در مایع پایین می رود و زمان عبور آن بین دو علامت مشخص اندازه گیری می شود.

4. لوله روی یک محور قرار دارد که امکان چرخش ۱۸۰ درجه ای آن را فراهم می کند. با برگرداندن لوله، آزمایش چند بار (معمولا سه بار) تکرار و میانگین زمان ها ثبت می شود.

بر گوی سه نیرو وارد می شود: وزن (رو به پایین)، نیروی شناوری و نیروی مقاوم ویسکوز (رو به بالا). هرچه ویسکوزیته مایع بیشتر باشد، گوی کندتر سقوط می کند.

ویسکومتر چرخشی

ویسکومترهای چرخشی از پرکاربردترین ویسکومترهای صنعتی برای اندازه گیری ویسکوزیته دینامیکی هستند و محدوده بسیار گسترده ای، از مایعات رقیق تا مواد بسیار غلیظ با ویسکوزیته چند صد میلیون سانتی پواز، را پوشش می دهند.

این ویسکومترها گشتاور لازم برای چرخاندن یک اسپیندل (میله چرخان) غوطه ور در نمونه با سرعت ثابت را اندازه می گیرند. مقاومت سیال در برابر چرخش، ویسکوزیته آن را نشان می دهد.

چون ویسکومترهای چرخشی می توانند گشتاور را به طور پیوسته در طول زمان و در سرعت های مختلف اندازه گیری کنند، برای بررسی سیالات غیرنیوتنی و رفتار وابسته به زمان سیالات بسیار مناسب هستند.

ویسکومتر چرخشی فنری

در این ویسکومترها، اسپیندل از طریق یک فنر کالیبره به موتور متصل است و مقاومت نمونه باعث پیچش فنر می شود. میزان پیچش فنر، گشتاور و در نتیجه ویسکوزیته را نشان می دهد.

• برای نمونه هایی از مایعات رقیق تا مواد نیمه جامد مناسب هستند.

• در صنایع شیمیایی و غذایی کاربرد گسترده ای دارند.

• ویسکوزیته ظاهری سیالات غیرنیوتنی را اندازه گیری می کنند.

ویسکومترهای فنری بر اساس سختی فنر معمولا در مدل هایی با نام های زیر عرضه می شوند (نام گذاری ممکن است بین سازندگان متفاوت باشد):

• LV: برای نمونه های با ویسکوزیته پایین

• RV: برای نمونه های با ویسکوزیته متوسط

• HA و HB: برای نمونه های با ویسکوزیته بالا

ویسکومتر عقربه ای و دیجیتال

• عقربه ای (Dial): گشتاور به صورت درصد روی صفحه نمایش داده می شود و برای به دست آوردن ویسکوزیته بر حسب mPa·s، این عدد در ضریب مربوط به اسپیندل و سرعت مورد استفاده ضرب می شود.

• دیجیتال: ویسکوزیته برای هر ترکیب اسپیندل و سرعت به طور خودکار محاسبه و روی صفحه نمایش داده می شود.

نکات اندازه گیری دقیق و تکرارپذیر ویسکوزیته

• کنترل دقیق دما: ویسکوزیته به شدت به دما وابسته است و در بسیاری از روغن ها حتی یک درجه تغییر دما می تواند ویسکوزیته را چند درصد تغییر دهد. نمونه باید پیش از اندازه گیری به دمای تعادل برسد.

• کالیبراسیون منظم: دستگاه را به طور منظم با روغن های استاندارد کالیبراسیون بررسی کنید.

• انتخاب درست اسپیندل و سرعت: در ویسکومتر های چرخشی، اسپیندل و سرعتی انتخاب کنید که گشتاور خوانده شده در محدوده حدود ۱۰ تا ۱۰۰ درصد باشد.

• نمونه بدون حباب و یکنواخت: حباب هوا و ذرات معلق نتیجه را تغییر می دهند.

• تمیزی ویسکومتر: باقی مانده نمونه قبلی یا حلال، به ویژه در لوله های مویین، خطای زیادی ایجاد می کند.

• ثبت شرایط آزمون: برای سیالات غیرنیوتنی، نوع اسپیندل، سرعت، دما و زمان اندازه گیری را همیشه ثبت کنید، چون نتیجه به این شرایط وابسته است.

سوالات متداول درباره ویسکومتر

ویسکومتر چه چیزی را اندازه می گیرد؟

ویسکومتر ویسکوزیته، یعنی مقاومت سیال در برابر جریان را اندازه گیری می کند.

تفاوت ویسکوزیته دینامیکی و سینماتیکی چیست؟

ویسکوزیته دینامیکی مقاومت سیال در برابر نیروی خارجی است و بر حسب سانتی پواز بیان می شود، اما ویسکوزیته سینماتیکی برابر ویسکوزیته دینامیکی تقسیم بر چگالی است و بر حسب سانتی استوکس بیان می شود.

کدام ویسکومتر برای سیالات غیرنیوتنی مناسب است؟

ویسکومتر چرخشی، چون می تواند ویسکوزیته را در سرعت های برشی مختلف اندازه گیری کند.

ویسکومتر اوستوالد چگونه کار می کند؟

زمان جریان مقدار مشخصی از مایع از یک لوله مویین تحت اثر گرانش اندازه گیری می شود و این زمان با ویسکوزیته سینماتیکی متناسب است.

چرا دما در اندازه گیری ویسکوزیته مهم است؟

چون ویسکوزیته مایعات با افزایش دما به سرعت کاهش می یابد و بدون کنترل دما، نتایج قابل مقایسه نیستند.

جمع بندی

ویسکوزیته نقش مهمی در رفتار سیالات دارد و به عواملی مانند دما، فشار و نرخ برش بستگی دارد. ویسکومترها با اندازه گیری دقیق ویسکوزیته، به کنترل کیفیت در فرایندهایی مانند پاشش، قالب گیری تزریقی، پوشش دهی سطح و روانکاری کمک می کنند.

ویسکومترهای مویرگی برای اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیکی، ویسکومترهای گوی سقوطی برای سیالات نیوتنی و ویسکومترهای چرخشی برای طیف گسترده ای از سیالات، به ویژه سیالات غیرنیوتنی، به کار می روند. این دستگاه ها در صنایع شیمیایی، غذایی، دارویی، رنگ و روغن و در کنترل کیفیت و تحقیق و توسعه کاربرد گسترده ای دارند.

منابع

• ASTM D445, Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids