Et viskosimeter er et instrument som måler væskestrøm og viskositet til en væske. Viskositeten til en væske påvirker dens ytelse, enten den er pumpet eller rørt, eller impregnert og belagt.
Derfor er måling av viskositet egnet for en rekke materialer, inkludert:
Olje
plast
maling
belegg
Lim
noe
asfalt
Måling av viskositet og flytegenskaper er også egnet for produksjon av vanlige forbrukerprodukter som mat og drikke, tannkrem, kosmetikk og sjampo.
Hva gjør et viskosimeter?
Viskosimetere måler viskositeten og flyteegenskapene til væsker og har et bredt spekter av bruksområder for å måle disse egenskapene til forskjellige stoffer og materialer.
Eksempler på disse applikasjonene inkluderer:
Overvåking av viskositeten til syltetøy og sirup under produksjon av matkrydder for å sikre batchkonsistens
Analyser flytegenskapene til melk når du designer rørsystemer for melk
Måling av strømningsmønsteret til motorolje under forskjellige temperaturforhold
Test viskositeten til blekk til blekkskrivere.
Viskositet er viktig ved maskinsmøring. Hvis den er for lav, vil det være for mye kontakt mellom de interne komponentene og dermed slitasje. Hvis det er for høyt, tvinger det maskinen til å jobbe hardere for å overvinne smøremidlets egen indre motstand mot flyt.
Hva er viskositet?
Viskositet er et mål på et materiales motstand mot bevegelse når en kraft påføres.
For eksempel, hvis du klemmer en tube med tannkrem, hvor lett flyter innholdet ut av enden av tuben?
Det er en formel for å måle viskositet:
Viskositet=skjærspenning/skjærhastighet.
Du uttrykker resultatet av denne formelen i centipoise (cP). Centipoise tilsvarer 1 mPa s (milliPascal sekund).
Dette gjelder absolutt viskositet. For kinematisk viskositet er målingen annerledes, som vi skal forklare senere.
Skjærspenning er kraften per arealenhet som kreves for å bevege ett lag med væske i forhold til et annet.
Skjærhastighet er et mål på endringen i hastighet i bevegelsen til de mellomliggende lagene i forhold til hverandre.
For mange væsker er spenningen som forårsaker strømning proporsjonal med skjærtøyningshastigheten. For et gitt fluid er skjærspenningen delt på skjærhastigheten konstant ved en bestemt temperatur.
Denne konstanten er den dynamiske eller absolutte viskositeten. Men du kan også ganske enkelt kalle det materialets viskositet.
En enkel måte å tenke på viskositet er som tykkelsen til en væske, men når du ser på væsker med forskjellige tettheter, er den klareste måten å beskrive viskositet på motstanden mot strømning.
Hvorfor er det viktig å måle viskositet?
Bearbeidingsforholdene til et materiale er viktige både i produksjonen og i sluttbruken.
Viskositeten til et materiale er også et nyttig indirekte mål på dets egenskaper, slik som molekylvekt og tetthet. Disse materialegenskapene påvirker flytoppførselen.
Måling av viskositet er en viktig del av kvalitetskontroll og batchkonsistens.
Måling av viskositet er også viktig fordi ikke alle væsker oppfører seg på samme måte.
Stort sett er det to typer:
newton
Ikke newtonsk.
Newton refererer til Newtons viskositetslov, som er den etablerte formelen for å måle den.
I en newtonsk væske forblir viskositeten konstant uavhengig av endringer i skjærhastighet.
Typiske eksempler på newtonske væsker inkluderer vann og motorolje.
I ikke-newtonske væsker svinger imidlertid viskositeten. Disse væskene inkluderer følgende typer:
plast
pseudoplastisitet
Reologi
tiksotropisk
ekspansjon
Et hverdagslig eksempel på en ikke-newtonsk væske er ketchup, som blir tynnere når du rister flasken. Tomatpuré har skjærfortynnende egenskaper fordi viskositeten avtar når skjærspenningen øker.
Kinematikk og absolutt viskositet
Det er to måter å uttrykke viskositet på:
Kinesiologi
absolutt
Du kan måle kinematisk viskositet ved å observere en væskes motstand mot strømning under påvirkning av tyngdekraften.
Du kan måle absolutt viskositet ved å måle motstanden mot strømning under eksterne og kontrollerte krefter.
De to viskositetsrepresentasjonene er også forskjellige i sine mål.
Kinematisk viskositet måles i centistokes (CSt)
Absolutt viskositet måles i centipoise (cP).
Hvilke typer viskosimeter finnes det?
Det er to grunnleggende metoder for å måle viskositet:
Enten går en gjenstand gjennom et stasjonært materiale, eller så flyter materiale gjennom eller gjennom en stasjonær gjenstand.
Med begge metodene kan du måle motstanden mot strømning ved å registrere tiden det tar før operasjonen skjer.
Det er forskjellige viskosimeter som bruker en av disse to metodene:
Kapillær- eller glassviskosimeter
rotasjonsviskosimeter
Fallende kule og fallende stempelviskosimeter.
Viskositetsmålere måler Newtonsk viskositet.
Det finnes også reometre for å måle ikke-newtonske viskositeter, som bruker flere parametere for målingene.
kapillær viskosimeter
Du vil ofte finne kapillære viskosimeter i laboratoriemiljøer. Dette er et u-formet glassrør (et annet navn for det er et u-rør viskosimeter).
Viskositetsmåleprosessen innebærer å senke et glassrør i et temperaturkontrollert bad, vanligvis 40 eller 100 grader.
Det er en nøyaktig tidsavlesning, målt i sekunder, av hvor lang tid det tar for en fast mengde væske å strømme inne i U-røret mellom to markerte punkter.
Du kan oppnå denne flyten gjennom sug eller gravitasjon.
Når du har denne målingen, kan du multiplisere den med en konstant som er spesifikk for typen rør du bruker, og den vil beregne:
Kinematisk viskositet (hvis du bruker aspirasjonsmetoden), eller
Absolutt viskositet (hvis gravitasjon brukes.
rotasjonsviskosimeter
Denne typen viskosimeter bruker en roterende enhet kalt en spindel som du senker ned i væsken du tester.
Dreiemomentet på spindelens roterende akse måler deretter væskens motstand mot strømning.
Et rotasjonsviskosimeter måler den absolutte viskositeten til en væske.
Dette bruker en elektromagnetisk kontrollert spindel for å skape rotasjon i væsken, og eliminerer lagerfriksjonsfaktoren til en elektrisk spindel.
Fallende kule og fallende stempelviskosimeter
Dette er ikke vanlige metoder for å måle viskositet. I viskosimetertesten med fallende kule og fallende stempel slippes en kule eller stempel ned i væsken og du måler tiden mellom markerte punkter.
For å gjøre dette må du imidlertid kjenne den endelige hastigheten, størrelsen og tettheten til kulen eller stempelet du bruker.
Reometer
Reologi er studiet av strømmen av materie, vanligvis væsker, men gjelder også for enkelte faste stoffer. Den undersøker hvordan materialer reagerer i forhold til flyt som svar på påførte krefter.
Teknisk sett faller viskositet under den bredere tekniske kategorien reologi.
Rheometre er ideelle for å måle viskositeten til ikke-newtonske væsker. De fungerer på samme måte som viskosimeter, men har et bredere spekter av bruksområder.
Dette er fordi ikke-newtonske væsker har mer komplekse reologiske egenskaper enn newtonske væsker, og endrer viskositeten deres når du bruker kraft på dem.
Det er fire typer reometre:
kapillærrør
dynamisk rotasjon
Dreiemoment
oscillerende
Kapillær- og rotasjonsreometre ligner på tilsvarende viskosimeter.
Momentreometre måler dreiemomentet på en blandeskrue eller motor, noe som indikerer vanskeligheten med å blande prøvematerialet.
Oscillerende reometre induserer sinusformede skjærdeformasjoner i prøvematerialer, plasserer dem mellom to plater og måler torsjonseffekten.
Hovedforskjellen mellom et reometer og et viskosimeter er at reometer har en tendens til å utøve en form for skjærkraft på stoffet de tester.
Hvordan forbereder du en prøve for måling?
I både reologi- og viskositetsmålinger påvirker prøvepreparering måleresultatene.
Dette gjelder spesielt ved måling av prøver ved lave skjærhastigheter.
Det er viktig å ikke riste eller røre prøven før måling, da dette vil utsette prøven for udefinerte skjærbelastninger med mindre prøven har sediment eller annen løsrivelse. I dette tilfellet må konsekvente metoder og verktøy brukes for omrøring eller risting.
Påføringsmetoden din bør også være konsekvent, for eksempel en skje eller slikkepott.
Pipette- eller sprøytepåføring er kun egnet for bruk med oljer, harpikser eller løsemidler. Som med andre stoffer kan disse påføringsmetodene øke skjærbelastningen, og dermed redusere målinger og skjevheter.
Prøv å sørge for at det ikke er luftbobler da disse kan simulere ikke-newtonsk oppførsel og gi feilaktige målinger.
Prøvevolumet du bruker må samsvare med målemetoden du bruker. For mye eller for lite utvalg kan føre til målefeil.
Følg veiledning om ventetider. Forberedelse stresser prøven og krever en restitusjonsperiode. Når målesystemet er på plass, kan det hende at prøvestrukturen må regenereres før nøyaktige målinger kan gjøres.
Du må også sørge for å forhindre at prøven tørker ut, da dette kan føre til at målingene dine blir for høye.
Hvilke faktorer påvirker viskositetsmålinger?
Selv om prosessen med å måle en væskes viskositet kan virke enkel, er det noen faktorer å vurdere hvis disse målingene skal være nøyaktige.
Temperatur er en nøkkelfaktor. Funksjonen til et termostatbad er å opprettholde en presis temperatur gjennom hele prosessen. Du bør kunne kontrollere badetemperaturen til innenfor 0.02 grader fra ønsket temperatur (vanligvis 40 eller 100 grader).
Et temperaturkontrollert karsystem gjør det lettere for deg å gjøre dette.
I et kapillærviskosimeter må diameteren på det U-formede glasset være nøyaktig for nøyaktig måling. Derfor er disse glassene ofte produsert ved bruk av lavekspansjonsborosilikatglass. Dette bidrar til å minimere feil og rekalibrere kapillærviskosimeteret årlig.
Det er også viktig å skylle og tørke grundig mellom målingene med et løsemiddel som ikke er igjen.
Viskositetsmålere varierer i størrelse for å måle forskjellige typer viskositeter. Uavhengig av instrumentstørrelse anbefaler han at minimumstiden et viskosimeter skal ta en måling er 200 sekunder. Dette gjør at væske kan passere mellom de merkede punktene.
Hvilke bransjer drar nytte av viskosimeter og reometre?
Viskosimeter og reometre brukes i en rekke bransjer og sektorer.
Disse inkluderer:
Farmasøytiske produkter, bioteknologi og klinisk forskning
Petrokjemi og petroleum
kosthold
Kjemisk industri
Skjønnhet og kosmetikk
bevisinnsamling
Miljøtesting
Produksjons-FoU.
Her er noen eksempler på bruksområder for viskositetsmåling i ulike bransjer.
Lim
Måling av viskositet er viktig ved produksjon av lim. Avhengig av typen lim og dets endelige påføring, må det flyte med en viss optimal hastighet.
Lim med lav viskositet flyter friere enn lim med høy viskositet. For noen er målet å få limet til å sitte fast på ett sted, mens for andre er målet å spre det bredere.
mat
I næringsmiddelindustrien hjelper viskositetsmåling med å maksimere produksjonseffektiviteten og sikre kostnadseffektivitet.
Der produkter føres i rør som en del av produksjonen, påvirker viskositeten hastigheten på denne overføringen og hvor lang tid det tar å stivne eller tørke ulike matvarer, eller hvor lang tid det tar å dispensere dem inn i emballasjen.
Viskositet kan ha en enorm innvirkning på matproduksjonsprosessen og er en stor bidragsyter til matens tekstur.
Eventuelle parti-til-batch-inkonsekvenser kan resultere i et produkt som ikke oppfyller forbrukerstandarder.
Olje
Viskositet er veldig viktig i oljer. Det vil bestemme tetningseffektiviteten til oljen og dens forbrukshastighet.
Oljeviskositet påvirker de termiske friksjonsrelaterte temperaturene til lagre, girsett og sylindre. Det vil påvirke effektiviteten til maskineriet og hvor raskt det starter og går ved forskjellige temperaturer.
Du måler den kinematiske viskositeten til en olje, noe som gir deg dens viskositetsindeks (VI). Oljer med høyere VI er mer effektive, og reduserer dermed forbruket og reduserer slitasje i smøring.
En annen faktor målt i olje er dens evne til å motstå skjærkraft under hydrodynamisk smøring.
Det er viktig at oljens viskositet stemmer overens med temperaturforholdene, hastigheten og belastningen til delene den smører.
spesifikk
I betongindustrien er plastviskositeten og flytespenningen til betong avgjørende for dens bearbeidbarhet og hellbarhet.
De reologiske egenskapene til betong bestemmer dens mekaniske kvalitet, holdbarhet og generelle kvalitet.
For å sikre bærekraften til betongkonstruksjoner og brukbarheten til betongen under bygging, må den ha riktig viskositet.
kosmetikk
I skjønnhets- og kosmetikkindustrien er måling av viskositet et sentralt element i kvalitetskontrollen.
For eksempel må leppepomade ha høy viskositet for å sikre at den fester seg ordentlig til huden og beskytter den.
Kroppssprayer krever derimot lav viskositet for å flyte fritt og jevnt fra dispenserne.
Der kosmetikkselskaper beskriver produkter som luksuriøse, er det mer sannsynlig at disse produktene krever høyere viskositeter for å forsterke dette inntrykket.
Du kan bruke et kapillærviskosimeter til å teste viskositeten til mange olje- og vannbaserte kosmetiske forbindelser fordi de er newtonske væsker. Men andre forbindelser vil ha ikke-newtonske egenskaper og vil kreve reologisk testing.
Derfor er det viktig å velge riktig viskosimeter eller reometer basert på omfanget av dine behov.
Hvordan velge et viskosimeter?
Som vi har sett, har viskosimeter og reometre et bredt spekter av bruksområder.
Hvilke faktorer bør vurderes når man velger et instrument for å måle viskositet?
Hvilken type viskositet trenger du å måle, absolutt viskositet, kinematisk viskositet eller begge deler?
Hvor skal du utføre arbeidet ditt, i et laboratoriemiljø, på farten eller andre steder?
Hvor komplekst eller variabelt er materialet du ønsker å måle?
Generelt er reometre mer allsidige og dyrere enn viskosimeter, men reometre vil måle ikke-newtonske væsker.
Når det gjelder typer viskosimeter og reometre, finnes det et stort utvalg instrumentkategorier, inkludert:
Bærbart håndholdt viskosimeter
Glass kapillær viskosimeter
rotasjonsviskosimeter
Kulelager og luftlager reometre.
