ویسکومتر

ویسکومتر

ویسکومتر و انواع آن :

ویسکومتر یکی از تجهیزات آزمایشگاهی است که در آزمایشگاه ها برای اندازه گیری میزان ویسکوزیته مایعات استفاده می شود. البته لازم است بدانید که به منظور اندازه گیری موادی که ویسکوزیته آنها با جریان یافتن تغییر می کند از ابزار ویژه ای به نام رئومتر استفاده می گردد.

در حالت کلی در یک ویسکومتر دو حالت ممکن است رخ دهد:
حالت اول : مایع ویسکوز ساکن بوده و یک جسم جانبی در داخل آن ( ابزار اندازه گیری ویسکوزیته ) حرکت می کند و یا وسیله اندازه گیری ویسکوزیته ساکن بوده و سیال ویسکوز حرکت می کند. نیروی کششی که باعث به وجود آمدن حرکت نسبی سیال نسبت به سطح می شود می تواند به عنوان عاملی برای اندازه گیری ویسکوزیته استفاده شود. حالت جریان باید به گونه ای باشد که عدد رینولدز تا حدی کوچک شود که بتوان جریان را آرام فرض نمود. در دمای 20 درجه سلسیوس ویسکوزیته آب 1.002mpa.s است و ویسکوزیته جنبشی آن (نسبت ویسکوزیته با دانسیته) برابر با 1.0038mm2/s است.

لازم به ذکر است مقادیر گفته شده برای کالیبراسیون ویسکوزیمتر‌ها استفاده می شود.

ویسکومتر های U شکل (U-tube viscometers):

این نوع ویسکومتر ها رو اکثرا به افتخار ویلیام استوالد (Wilhelm Ostwald) به ویسکومتر استوالد (Ostwald viscometers) نیز شناخته شده که به آنها ویسکومتر های شیشه ای مویین نیز گفته می شود.

از انواع دیگر این ویسکومتر ها می توان به ویسکومتر های آبلهود (Ubbelohde viscometer) اشاره کرد. اصولا این نوع ویسکومتر از یک لوله شیشه ای U شکل که به طور عمودی و در یک حمام کنترل دما قرار گرفته تشکیل شده است. در یک طرف این لوله یک مقطع عمودی با قطر باریک که به طور کاملا دقیق اندازه گیری شده است قرار دارد (یک لوله مویین با قطر مشخص). در بالای این قسمت یک منطقه بر آمده قرار داشته و یک بر آمدگی دیگری نیز پایین تر از آن در سمت دیگر لوله قرار داده شده است که در زمان استفاده سیال به وسیله یک مکنده (Suction) از محفظه پایینی به محفظه بالایی کشیده می شود و سپس اجازه داده می شود تا از طریق لوله مویین به محفظه پایینی جریان پیدا کند.

دو نشانه موجود در بالا و پایین محفظه بالایی حجم مشخصی را نشان می دهند که زمان مورد نیاز تا انتقال سیال بین این دو نشانه با ویسکوزیته جنبشی متناسب است. اکثر واحد های تجاری یک فاکتور تبدیل برای این مورد تهیه می کنند که با یک مایع با مشخصات کاملا معین (مثلا آب مقطر) کالیبره می شود.
زمان مورد نیاز برای انتقال کل سیال مورد آزمایش از محفظه بالایی به پایینی که بین دو شاخص محفظه بالایی قرار گرفته است به دقت اندازه گرفته شده و با ضرب زمان محاسبه شده در ضریب تبدیل ویسکومتر به مقدار ویسکوزیته جنبشی سیال دست پیدا کنیم. به دلیل تاثیر دما در ویسکوزیته سیل این ویسکومتر ها اغلب در یک دمای ثابت و در داخل یک حمام آب قرار می گیرند.
این گونه ویسکومتر ها اغلب به صورت ویسکومتر هایی با جریان مستقیم و یا معکوس تقسیم بندی می شوند.
ویسکومتر های جریان معکوس دارای یک مخزن در قسمت بالای نشانه ها هستند ولی در ویسکومتر های با جریان مستقیم این مخزن در زیر شاخص ها قرار دارد. نوعی از ویسکومتر ها هم وجود دارند که به صورت ترکیبی از دو ویسکومتر ذکر شده هستند که برای اندازه گیری ویسکوزیته مواد کدر (مات) یا مواد لکه زا (آلاینده) طراحی شده اند.

به عبارت دیگر سیال دیواره را آلوده می کند و شناسایی عبور کل سیال بین دو شاخص و در نتیجه اندازه گیری زمان دقیق را غیر ممکن می سازد. ویسکومتر ترکیبی این اجازه را به اپراتور می دهد که به جای اندازه گیری زمان تخلیه سیال بین دو شاخص مخزن بالا زمان پر شدن مخزن پایینی را اندازه گرفته و این امر تا حد زیادی از خطای ویسکومتری می کاهد.

ویسکومتر های سقوطی (Falling sphere viscometers) :

اساس ویسکومتر های سقوطی طبق قانون استوکس (Stokes’ law) است. چنانچه سیال به صورت استاتیک در داخل یک لوله عمودی شیشه ای قرار داشته باشد اجازه می دهیم یک شار فلزی کوچک که اندازه و دانسیته آن مشخص است در داخل سیال سقوط کند . اگر شما بتوانید سرعت سقوط شار ( مدت زمان لازم برای عبور شار از میان دو شاخص) را به درستی ثبت کنید (برای راحتی کار و دقت بالا می توان از حسگر های الکترونیکی برای این کار استفاده نمود.) با در دست داشتن سرعت شار، اندازه و دانسیته شار و دانسیته سیال مورد نظر می توان از قانون استوکس برای محاسبه ویسکوزیته سیال استفاده نمود.

بایستی یک سری از گلوله های فلزی با اندازه های متفاوت برای بالا بردن دقت محاسبات استفاده شوند. در آزمایش ها معمولا از گلیسیرین به عنوان سیال استفاده می شود که دانشجویان با استفاده از تکنیک مذکور ویسکوزیته آن را محاسبه می نمایند اما می توان از انواع روغن ها و یا مواد پلیمری برای این کار استفاده کرد.

ویسکومترهای لرزشی (Vibrational viscometers):

اساس کار ویسکومتر های لرزشی اندازه گیری میزان کاهش نوسانات الکترومغناطیسی لرزاننده هنگام لرزش در داخل سیال مورد آزمایش است. لرزاننده معمولا به صورت دورانی یا ارتعاشی کار می کنند .هر قدر ویسکوزیته سیال بالا باشد به همان میزان هم میزان افت لرزش های ایجاد شده توسط لرزاننده بیشتر خواهد بود.
میزان کاهش ارتعاشات لرزاننده می تواند با یکی از روش های زیر اندازه گزفته شود:
1. اندازه گیری مقدار انرژی لازم برای ثابت نگه داشتن دامنه ارتعاشات نوسانگر در یک دامنه ارتعاشی مشخص. در این روش باید متذکر شد در سیالاتی با ویسکوزیته بالا انرژی بیشتری برای ثابت ماندن دامنه ارتعاشی نوسانگر باید صرف شود.
2. اندازه گیری زمان لازم برای توقف کامل نوسانگر بعد از خاموش شدن آن. در این روش باید یادآور شد که زمان لازم برای توقف نوسانگر با ویسکوزیته سیال متناسب بوده و هر اندازه ویسکوزیته بالا باشد مدت زمان لازم برای توقف نوسانگر نیز کمتر خواهد بود.
3. اندازه گیری فرکانس نوسانگر به صورت تابعی از کنش وارد شده به سیال و واکنش سیال نسبت به آن . که در این روش هم سیالاتی با ویسکوزیته بالا به نسبت تغییر فرکانس بیشتری هنگام تغییر فاز از خود نشان می دهند.
نتیجه ارائه شده توسط دستگاه های سنجش ویسکوزیته با روش ارتعاشی به دلیل عدم اندازه گیری تنش سطحی (shear field) برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالاتی که رفتار جریانی آن برای کاربر نامشخص است نمی تواند قابل اطمینان باشد.
ویسکومتر های لرزشی برای اندازه گیری ویسکوزیته در طی فرآیندهای صنعتی به کار می رود.
در این گونه ویسکومتر ها سنسور به میله نوسانگر متصل می گردد . تغییرات دامنه نوسانگر با ویسکوزیته سیالی که بخش لرزاننده ویسکومتر را می پوشاند متناسب است. این روش برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالات ژلاتینی و سیالاتی با ویسکوزیته بالا (بالای 1000pa.s) به کار برده می شود. در حال حاضر به علت کارایی بالای این ویسکومتر ها صنایع تمام توجه خود را معطوف استفاده بهینه از این نوع ویسکومتر ها نموده و سعی در افزایش دقت و کارآیی این نوع دارند.
این نوع از ویسکومتر ها بسیار محکم بوده و تمام اجزای آن از مقاومت بالایی برخوردارند و فقط قسمت حساس آنها حسگر کوچک تعبیه شده در بخش لرزاننده است. به همین دلیل می توان ویسکوزیته انواع مواد مختلف مخصوصا سیالات اسیدی را با این نوع ویسکومتر اندازه گیری کرد به شرط آن که یا سیال را در داخل یک پوشش مخصوص قرار داد و یا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسید ساخت که می توان به 316L, SUS316, Hastelloy, or enamel اشاره کرد.

ویسکومترهای دورانی (Rotation viscometers) :

این نوع ویسکومتر ها بر اساس اندازه گیری مقدار گشتاور لازم برای به چرخش در آوردن یک جسم خارجی در داخل سیال کار می کنند که می تواند راهی برای اندازه گیری ویسکوزیته سیال باشد.
به عنوان مثال ویسکومتر های بروکفیلد(Brookfield-type) بر اساس اندازه گیری مقدار گشتاور لازم برای چرخش یک دیسک با سرعتی مشخص در داخل سیال کار می کنند.
در ویسکومتر های Cup and bob مقدار مشخصی از سیال در داخل مخزن مخصوصی ریخته شده و گشتاور لازم برای چرخش یک دیسک در داخل سیال با یک سرعت مشخص به دقت اندازه گیری شده و گراف های آن ترسیم می شوند.
در کل دو نوع مشخص از این نوع ویسکومتر ها به کار گرفته می شوند که با نام های تجاری ”Couetteو “Searle” شناخته شده و اختلاف آنها در چرخش فنجانی و شاغولی است. دوران فنجانی در بسیاری از موارد بر دوران شاغولی برتری دارد زیرا در این روش امکان کنترل جریان های گردابی بهتر رخ می دهد. اما در این روش ثابت نگه داشتن دمای سیال تا حد زیادی دشوار است.

ویسکومترهای استابینگر (Stabinger viscometer):

با تغییر ویسکومترهای نوع چرخشی (Couette rotational viscometer) و ساخت این نوع ویسکومتر ها به دقت بسیار بالایی در اندازه گیری ویسکوزیته جنبشی سیال می توان دست پیدا کرد. سیلندر داخلی ویسکومتر های استابینگر(Stabinger Viscometer) گودتر و نسبت به ویسکومتر های نوع قبلی سبک تر طراحی شده اند. به همین دلیل به آسانی در داخل نمونه شناور می گردند و به دلیل نیروی گریز از مرکز دقیقا در بخش مرکزی قرار می گیرند. اندازه گیری سرعت و گشتاور در این نوع ویسکومتر با اندازه گیری چرخش میدان مغناطیسی و حرکات گردابی و بدون هیچ گونه تماس مستقیمی صورت می گیرد. که این امر دقت فوق العاده 50pN.m و دامنه وسیع سنجش 0.2 to 20,000 mPa·s را برای این نمونه امکان پذیر نموده است.
قابل ذکر است که این نوع ویسکومتر برای اولین بار توسط Anton Paar GmbH در سال 2000 معرفی گردید که این ویسکومتر به افتخار دکتر استابینگر(Dr. Hans Stabinger.) به این نام نامیده شد.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *