ویسکومتر ها ابزارهایی آزمایشگاهی هستند که جریان سیال و ویسکوزیته مایعات مختلف مورد بررسی را اندازه گیری می کنند.

ویسکوزیته یک مایع پارامتر بسیار مهمی است که می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد، خواه پمپاژ یا لوله کشی آن ماده باشد، یا نحوه عملکرد آن برای غوطه وری و پوشش دهی.

بنابراین، اندازه گیری ویسکوزیته برای طیف گسترده ای از مواد از جمله انواع روغن، پلاستیک، رنگ ها، پوشش ها، چسب ها، موم و آسفالت توسط ویسکومتر اعمال می شود.

همچنین، اندازه گیری ویسکوزیته و خواص جریانی مواد تولیدی و اقلام مصرفی آشنا مانند غذا و نوشیدنی ها، خمیر دندان، لوازم آرایشی و مواد شوینده نیز اعمال می شود.

اجازه بدهید سبک‌ های مختلف ویسکومتر، ویژگی‌ های سیستم داخلی و عواملی که در انجام یک اندازه‌ گیری ویسکوزیته دقیق و تکرارپذیر نقش دارند، بحث کنیم.

ویسکوزیته چیست؟

در برخورد با سیالات، درک ویسکوزیته آنها به دلایل مختلف بسیار مهم است و حفظ ویسکوزیته مناسب کلید عملکرد موفقیت آمیز بسیاری از دستگاه های کار با سیالات است:

• کنترل کیفیت
• گرمای بیش از حد احتمالی
• سایش زودرس قطعات
• نشتی

ویسکوزیته، مقدار مقاومتی است که یک مایع (یا گاز) در حال حرکت در برابر تغییر شکل یا نحوه حرکت بخش های مجاور نسبت به یکدیگر، تجربه می کند. به عبارت دیگر، ویسکوزیته به اصطکاک داخلی در لایه های مایع در حال حرکت اشاره دارد.

از آنجایی که بخشی از سیال که مجبور به حرکت است تا حدودی قسمت‌ های مجاور را با خود حمل می‌ کند، به این دلیل است که ویسکوزیته به عنوان اصطکاک داخلی بین مولکول‌ ها در نظر گرفته می شود.

یک مایع با ویسکوزیته بالا (لزج، چسبناک)، کندتر از مایع با ویسکوزیته پایین (رقیق، روان) جریان دارد. برای مثال، عسل در مقایسه با آب کندتر از ظرف جاری می شود، زیرا ویسکوزیته بیشتری دارید.

ویسکوزیته نشان دهنده مخالفت سیال با جاری شدن است. متقابل ویسکوزیته سیالیت نامیده می شود که معیاری برای سهولت جریان است.

ویسکوزیته مایعات با افزایش دما به سرعت کاهش می یابد و ویسکوزیته گازها، افزایش می یابد. بنابراین، با گرم شدن، مایعات راحت تر جریان می یابند، در حالی که گازها کندتر جریان می یابند.

انواع تعاریف ویسکوزیته

در میان روش‌ های مختلف ویسکومتری، دو روش مجزا برای بیان ویسکوزیته وجود دارد: ویسکوزیته سینماتیکی و ویسکوزیته مطلق.

تفاوت اصلی بین این تعریف در این است که ویسکوزیته سینماتیکی با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی گرانش اندازه‌ گیری می‌ شود، در حالی که ویسکوزیته مطلق تحت یک نیروی خارجی اندازه‌ گیری می‌ شود.

ویسکوزیته دینامیکی

ویسکوزیته دینامیکی نقش مهمی در مکانیک سیالات دارد و در صنایع مختلفی در حوزه های مهندسی، فیزیک و شیمی مرتبط است و ویسکومتر به ما کمک می کند بفهمیم که چگونه سیالات در برابر جریان تحت تأثیر نیروها یا تنش های اعمال شده مقاومت می کنند.

آزمایش‌ ها نشان می‌ دهند که در برخی از سیستم ها، برای حفظ جریان به مقداری تنش (مانند اختلاف فشار بین دو انتهای لوله) نیاز است.

این نیرو به دلیل غلبه بر اصطکاک بین لایه های سیال که در حرکت نسبی هستند، مورد نیاز است. برای لوله ای با سرعت جریان ثابت، قدرت نیروی جبران کننده متناسب با ویسکوزیته سیال است.

برای بسیاری از سیالات، تنش مماسی یا برشی که باعث جریان می‌ شود، مستقیماً با نرخ کرنش برشی یا سرعت تغییر شکل حاصله، متناسب است.

به عبارت دیگر، تنش برشی تقسیم بر نرخ کرنش برشی برای یک سیال معین در دمای ثابت، ثابت است. این ثابت، ویسکوزیته دینامیکی یا مطلق نامیده می شود.

سیالاتی که به این شکل رفتار می کنند، سیالات نیوتنی نامیده می شوند، به افتخار اسحاق نیوتن، که برای اولین بار این توصیف ریاضی ویسکوزیته را فرموله کرد.

ویسکوزیته یک سیال نیوتنی با سرعت تغییر شکل آن چندان تغییر نمی کند و ویسکوزیته صفر (بدون مقاومت در برابر تنش برشی) فقط در دماهای بسیار پایین در ابر سیالات مشاهده می شود.

واحد ویسکوزیته دینامیکی Pa.s است که معمولاً بر حسب centipoise (cP) اندازه گیری می شود. ویسکوزیته دینامیکی هوا تقریباً برابر با μPa·s 18.5 است که 50 برابر کوچکتر از ویسکوزیته آب در همان دما است.

ویسکوزیته سینماتیکی

ویسکوزیته سینماتیکی یک ویژگی اساسی سیالات است و برای برخی از عملکردها و سیستم ها، بسیار مفیدتر و کاربردی تر از ویسکوزیته مطلق یا دینامیکی است، که مقاومت آنها را در برابر جریان تحت تأثیر گرانش اندازه گیری می کند.

طبق تعریف بالا، ویسکوزیته سینماتیکی، به عنوان نسبت ویسکوزیته دینامیکی (μ) به چگالی (ρ) تعریف می شود و واحد اندازه گیری آن m²s^-1 است که به نام فیزیکدان بریتانیایی سر جورج گابریل استوکس نامگذاری شده است.

به یاد داشته باشید که ویسکوزیته سینماتیک بینشی در مورد آسانی جریان سیال ارائه می دهد و نقش مهمی در زمینه های مختلف مانند دینامیک سیالات، مهندسی و علم مواد دارد.

چرا ویسکومتر ها مهم هستند؟

در تریبولوژی و مطالعه روانکاری، ویسکوزیته اغلب به عنوان مهمترین مشخصه روغن پایه نامیده می شود. چرا ویسکوزیته در روانکاری ماشین بسیار مهم است؟

اگر مقدار ویسکوزیته روغن ماشین خیلی کم باشد، تماس بیش از حد و در نتیجه سایش بین اجزای داخلی وجود خواهد داشت. از سوی دیگر، مقدار بیش از حد آن ماشین را مجبور به کار سخت تر می کند تا بتواند بر مقاومت داخلی روان کننده در برابر جریان غلبه کند.

به همین دلیل، درک نه تنها ویسکوزیته مهم است، بلکه چگونگی تغییر آن به دلیل نوسانات شرایط عملیاتی یا محیطی نیز بسیار اهمیت دارد.

بعلاوه، ویسکومتر ها می توانند اطمینان حاصل کنند که آیا ویسکوزیته سیال شما با تلورانس های از پیش مشخص شده مطابقت دارد یا خیر و به تضمین نتایج عملیاتی سازگار کمک می کنند.

اگر بر ویسکوزیته نظارت نشود، می‌ تواند بر نحوه پردازش سیالات توسط تجهیزات تأثیر بگذارد و ممکن است مشکلاتی از جمله موارد زیر ایجاد نماید:

1. تغییر رنگ و ناهماهنگی
2. نقص کیفی
3. استفاده از مواد نادرست (مانند رنگ یا جوهر)
4. استفاده بیش از حد از حلال
5. دوباره کاری

انواع ویسکومتر

به نظر شما چند نوع ویسکومتر وجود دارد؟ تفاوت بین هر ویسکومتر چیست؟ در ادامه هشت نوع ویسکومتر رایج که مورد استفاده قرار می گیرند، معرفی شده است.

• نوع مویرگی (شیشه ای)
• نوع توپی سقوطی
• نوع چرخشی

ویسکومتر نوع مویرگی (شیشه ای)

ویسکومتر مویرگی رایج ترین نوع است که یک نمونه را از طریق یک لوله مویرگی شیشه ای عبور داده و زمان جریان را برای مقدار مشخصی اندازه گیری می نماید.

ماده ای که برای ساخت ویسکومتر استفاده می شود، ترجیحاً شیشه است و از این رو، به این ویسکوزیمترها، نوع شیشه ای نیز گفته می شود.

شناخته شده ترین نوع این گروه، ویسکوزیمتر Ostwald است که به نام Wilhelm Ostwald نامگذاری شده است. این دستگاه، شامل یک لوله شیشه ای U شکل است که به صورت عمودی در یک حمام با دمای کنترل شده نگه داشته می شود.

یکی از لامپ ها از یک طرف به دهانه پهن تر و از طرف دیگر به لوله U شکل متصل است. لامپ دوم نیز از یک طرف به لوله مویین و از طرف دیگر به بخش لاستیکی لوله متصل می شود.

لامپ دوم از دو علامت در دو طرف تشکیل شده است. هدف اصلی دو علامت حکاکی شده، ردیابی محدودیت جریان مایعات از طریق لوله مویرگی است.

مایع ویسکوز آزادانه از طریق لوله جریان می یابد تا جایی که لامپ اول به طور کامل پر شود. سپس، مایع با مکش به سمت حباب بالایی کشیده می‌ شود و مایع از بخش U حرکت می کند تا به حباب دوم برسد.

در نهایت، آزادانه از طریق یک سوراخ بسیار باریک (مویرگی) به لامپ پایینی جریان می یابد. زمان لازم برای عبور سطح مایع بین نقاط مشخص شده بر روی لوله، متناسب با ویسکوزیته سینماتیکی است.

ورودی در یک طرف لوله مویین ویسکومتر  ناحیه پهن تری است و به عنوان دهانه ای استفاده می شود که مایعی که ویسکوزیته آن باید اندازه گیری شود از آن ریخته می شود.

ویسکوزیمتر Ostwald بر اساس اصل قانون Poiseuille کار می کند. طبق این قانون، در جریانات آرام سیالات، سرعت جریان مایع را می توان به عنوان نسبت اختلاف فشار نسبت به مقاومت ویسکوز نشان داد.

مقدار ویسکوزیته مستقیماً با توجه به نوع سیال و طول لوله متفاوت است. همچنین مقدار ویسکوزیته با توان چهارم شعاع لوله رابطه معکوس دارد.

ویسکوزیمتر سقوطی

ویسکوزیمتر کره ای سقوطی دستگاهی است که برای اندازه گیری ویسکوزیته  مایعات نیوتنی استفاده می شود و با اندازه گیری زمان لازم برای سقوط توپ کروی در فاصله معینی تحت گرانش استفاده می شود.

این ویسکوزیمتر بر اساس اصل Höppler عمل می کند، که شامل اندازه گیری زمان لازم برای سقوط یک توپ تحت گرانش از طریق یک لوله پر از نمونه است. در ادامه نحوه کار آن را بررسی خواهیم کرد.

عملکرد این ویسکومتر به این صورت است که یک لوله شیشه‌ ای که به صورت زاویه دار است، با مایع مورد آزمایش پر می‌ شود. یک توپ با قطر و چگالی مشخص در لوله رها می شود. زمان سقوط توپ به ویسکوزیته مایع نمونه مربوط می شود.

توپ تحت گرانش قرار می گیرد و سرعت آن عبور آن در مایع، به ویسکوزیته مایع بستگی دارد. نیروهای وارد بر توپ شامل جاذبه (نیروی رو به پایین)، شناوری و اصطکاک است.

ساختمان لوله به این شکل است که لوله بر روی یک یاتاقان محوری نصب شده است که امکان چرخش لوله را در 180 درجه فراهم می کند.

توپ از طریق لوله می افتد و سه اندازه گیری انجام می شود. میانگین زمانی که طول می کشد تا توپ سقوط کند، ثبت می شود.

ویسکومتر چرخشی

ویسکوزیمتر های چرخشی استاندارد صنعتی در تعیین ویسکوزیته مطلق انواع مایعات با ویسکوزیته تا 320 میلیون centipoise هستند.

ویسکوزیمترهای چرخشی گشتاور مورد نیاز برای چرخش یک دوک غوطه ور در یک سیال را با سرعت ثابت آنالیز می کنند. با چرخش دوک، مقاومت سیال در برابر این حرکت، اطلاعاتی در مورد ویسکوزیته آن ارائه می دهد.

ویسکومتر های چرخشی با اندازه‌گیری مداوم گشتاور در طول زمان، امکان تجزیه و تحلیل سیال وابسته به زمان را به ویژه در صنایع بزرگ فراهم می‌ کنند و در انواع و اشکال مختلفی در بازار موجود هستند.

ویسکومتر چرخشی فنری

این ویسکومتر ها بر اساس انحراف یک فنر ناشی از چرخش یک دوک در نمونه کار می کنند. آنها برای طیف وسیعی از نمونه ها، از مایع گرفته تا مواد نیمه جامد، مناسب هستند.

• این دستگاه ها معمولاً در صنایع شیمیایی و غذایی استفاده می شوند.
• ویسکوزیته سیالات غیر نیوتنی را اندازه می گیرد.
• گشتاور حس شده توسط دوک با ویسکوزیته دینامیکی نمونه متناسب است.

ویسکوزیمترهای فنری در سه مدل عرضه می شوند:

1. L-Type: برای اندازه گیری نمونه های با ویسکوزیته پایین طراحی شده است.
2. R-Type: ایده آل برای نمونه هایی با ویسکوزیته متوسط.
3. H-Type: برای اندازه گیری مواد بسیار ویسکوزیته استفاده می شود.

ویسکومترهای Dial و Digital

در نوع Dial، مقدار گشتاور به صورت درصد بر روی صفحه نمایش داده می شود. برای تبدیل این قرائت به ویسکوزیته بر حسب mPa·s، آن را بر اساس دوک و سرعت استفاده شده در ضریبی مناسب ضرب می کنند.

در حالی که در نوع Digital، ویسکوزیته به طور خودکار محاسبه می شود و برای هر ترکیب نسبت دوک به سرعت چرخش بر روی صفحه نمایش داده می شود.

سخن پایانی

به طور خلاصه، ویسکوزیته نقش مهمی در درک چگونگی رفتار سیالات در شرایط مختلف دارد. چه جریان عسل، آب یا حتی ابر سیال ها باشد، ویسکوزیته رفتار آنها را شکل می دهد.🍯

ویسکوزیته عامل اصلی در تعیین نیروهایی است که هنگام استفاده از سیالات در روانکاری و حمل در خطوط لوله باید بر آنها غلبه کرد و به عوامل مختلفی مانند دما، فشار، و سرعت تغییر شکل بستگی دارد.

دستگاه های ویسکومتر، میزان ویسکوزیته یا جریان مایع را در فرآیندهایی مانند پاشش، قالب گیری تزریقی و پوشش سطحی کنترل می کنند و به ما کمک می‌ کنند تا بفهمیم مایعات چقدر راحت یا کند جریان دارند.

ویسکومترها در صنایع مختلفی از جمله تولید مواد شیمیایی، فراوری مواد غذایی، کنترل کیفیت و مراحل تحقیق و توسعه صنایع کاربردهای گسترده ای دارند.

دقت داشته باشیدکه ویسکومتر ها بینش های ارزشمندی را در مورد رفتار سیال ارائه می دهند و به دانشمندان و مهندسان کمک می کنند تا فرآیندها را درک کرده و بهینه کنند.

منایع و مراجع

Wikipedia