Viskosimeter

Et viskosimeter er en enhed beregnet til at måle viskositeten af væsker . Der er to typer viskosimeter: " proces " viskosimeter og laboratorium viskosimeter.

Vibrerende industrielt viskosimeter

Driftsprincip

Den aktive del af viskosimeteret er en vibrerende stang, der drives af en konstant strømforsyning. Vibrationens amplitude varierer afhængigt af viskositeten af væsken , hvor stangen er nedsænket. Disse " proces " viskosimeter er praktisk, faktisk uden sliddele, de kræver ingen vedligeholdelse. Derudover kan visse konfigurationer af vibrerende viskosimeter arbejde under meget vanskelige industrielle forhold: eksplosivt område, højt tryk 300 bar , høj temperatur 300 ° C , høj viskositet 1.000.000 mPa s .

I modsætning til roterende viskosimeter er vibrerende viskosimeter bedst egnet til industrielle viskositetsmålinger, fordi de fungerer ved høje forskydningshastigheder og kan måle meget tyktflydende, tilstoppende og fibrøse væsker.

Hovedapplikationer

Kontrol af polymerisationsreaktioner
Styring af viskositeten af blæk ved udskrivning
Kontrol forbrænding af fyringsolie tung
Teksturskontrol i fødevareindustrien
Kvalitetskontrol af alle væsker.

Faldende kugleviscometer

Det faldende kugleviskosimeter gør det muligt at bestemme væskernes viskositet i henhold til Stokes lov . Denne model er forbeholdt gennemsigtige newtonske væsker .

Viskosimeter med frit flow

Princippet er måling af produktets strømningstid for at udlede dets viskositet. Strømmen er langsom, vi har kun adgang til viskositeten ved lav forskydningshastighed ; især kan afhængigheden mellem viskositet og forskydningshastighed ikke bestemmes.

Standardiseret pasform

Den enkleste måling er at bestemme tyngdekraftens afløbstid for en standardbæger, der har en kalibreret åbning i bunden. Fordelen ved denne metode er, at den kan udføres in situ , ikke kræver forberedelse og bruger billigt udstyr.

Marsh viskosimeter

Den største forskel mellem Marsh-viskosimeteret og den standardskårne er, at den bruger en konisk tragt, der er dobbelt så høj i diameter og ofte med et volumen på en liter eller en fjerdedel af en US gallon . Også her er det tømningstiden, der måles.

Ostwald viskosimeter

Beskrivelse

Ostwald-viskosimeteret, opkaldt efter Wilhelm Ostwald , er et kapillært viskosimeter, der består af et U-rør med variabel radius. I en af U's lodrette grene er der en større pæreformet del i højden, der efterfølges direkte af en kapillær. Røret vender tilbage til sin standardbredde og udfører derefter den buede del af røret. I den anden lodrette gren er der en anden pære, større stadig, men denne gang placeret i den nederste del.

To punkter, der er placeret en over den øverste pære (A), den anden under den samme pære (B) bestemmer et kendt volumen.

Bestemmelse af en væskes dynamiske viskositet

Formålet er at måle den nødvendige tid for en væske at passere fra det øvre punkt A til det laveste punkt B. Δ t således opnåede gør det muligt at bestemme dynamiske viskositet (η) ved lav forskydningshastighed på væsken, kende dens tæthed (ρ) via den Poiseuille loven .

Vi får derefter

\ Delta t = {\ frac {k \ eta} {\ rho}}

hvor k er en konstant, der er specifik for det viskosimeter, der leveres af producenten, eller som skal bestemmes ved kalibrering med en væske med kendt densitet og viskositet . Imidlertid er k kun konstant, hvis væsken altid bringes til det samme niveau (punkt A) i starten af hver manipulation, og hvis der ikke er bobler.

I praksis hældes væsken, hvis viskositet skal bestemmes, i røret og hæves derefter til punkt A, ofte ved hjælp af en vandpumpe. Andre typer viskosimeter, der fungerer på samme model, anvendes til uigennemsigtige væsker.

Bestemmelse af viskositeten af en polymer

Denne type viskosimeter kan bruges til at bestemme en polymers viskositet ved stuetemperatur: sidstnævnte opløses i et opløsningsmiddel i forskellige koncentrationer, og derefter bestemmes den dynamiske viskositet af hver opløsning. Vi ekstrapolerer grænsen, når polymerkoncentrationen har en tendens til 1. Vi opnår således den iboende viskositet, der er noteret [η], også kaldet viskositetsindeks (IV) eller logaritmisk viskositet.

{\ mathrm {IV}} = [\ eta] = \ lim _ {{\ phi \ to 0}} {\ frac {\ eta - \ eta _ {0}} {\ phi \ cdot \ eta _ {0} }}

hvor η 0 er viskositeten af det rene opløsningsmiddel og ∅ er volumenfraktionen af det opløste stof. I praksis udtrykkes volumenfraktionen i gram pr. Deciliter, så IV udtrykkes i deciliter pr. Gram (dL / g).

Men da de anvendte opløsningsmidler ofte er giftige, anvendes denne metode sjældent i dag.

Tvungen flow kapillære reometre

Tvungen strømningskapillærreometre (kaldet højtryk) er enheder, der tvinger strømmen af væske gennem en matrice . Valget af dysens diameter og stemplets hastighed gør det muligt at variere hastighedsgradienten inden i kapillæren, det vil sige forskydningshastigheden . En trykføler bruges til at bestemme forskydningsspændingen τ (tau). ${\ dot {\ gamma}}$

I tilfælde af en "ideel" kapillær har vi det

\ tau = {\ frac {\ Delta {\ mathrm {P}}} {2 {\ mathrm {L}} / {\ mathrm {R}}}}

hvor ΔP er trykfaldet mellem starten af kapillæret (tryk målt af sensoren) og slutningen af kapillæret (atmosfærisk tryk). Parallelt med kapillæren tvinger man strømmen i en "kapillær med nul længde", som gør det muligt at bestemme indgangs- og udgangseffekterne og at trække dem ud for kun at have effekten inden i den lange kapillær (Bagleys korrektion)

\ tau = {\ frac {\ Delta {\ mathrm {P}}} {2 {\ mathrm {L}} / {\ mathrm {R}} + e}}

hvor e er det korrigerende udtryk.

I tilfælde af en newtonsk væske var der også et forhold mellem volumenstrømmen Q og forskydningshastigheden på væggen : ${\ dot {\ gamma}}$

{\ displaystyle {\ dot {\ gamma}} = {\ frac {4 \ mathrm {Q}} {\ pi \ mathrm {R} ^ {3}}}}

For en ikke-newtonsk væske har vi en "tilsluttet" strøm: hastigheden er ensartet i den centrale zone i kapillæren, og der er kun en hastighedsgradient ved periferien. Vi anvender derfor en korrigerende faktor n mellem 0 og 1: 1 for en newtonsk væske, 0 for en glideprop uden friktion på væggene (korrektion af Rabinowitsch)

{\ displaystyle {\ dot {\ gamma}} = {\ frac {4 \ mathrm {Q}} {\ pi \ mathrm {R} ^ {3}}} \ times {\ frac {3n + 1} {4n} }}

med

n = {\ frac {{\ mathrm {d}} \ log (\ tau)} {{\ mathrm {d}} \ log ({\ dot {\ gamma}})}}

Laboratorierotationsviskosimeter

Rotationsviskosimeter måler det krævede drejningsmoment for at rotere en stang, der typisk nedsænkes i en væske. De mest almindelige er typen " Brookfield " (in) . Stangen roteres af en motor, der passerer gennem en kalibreret fjeder. Strømningsmodstanden øges med stangens størrelse og / eller rotationshastighed . Nogle er tovejs med variabel hastighedskontrol. Denne type viskosimeter er ikke egnet til industrien. Faktisk på grund af tilstedeværelsen af en motor og afhængigt af hyppigheden af brugen, kan viskositetsmålingen afvige ret hurtigt, og regelmæssige kalibreringer er nødvendige. Derudover er det med disse systemer umuligt at måle væsker med meget høj viskositet, tilstopningsprodukter eller endda fiberprodukter.

En anden type rotationsviskosimeter er Couette viskosimeter : det består af to koncentriske cylindre, hvor den indre cylinder er fastgjort, og den ydre cylinder roteres af en motor. Måling af det nødvendige drejningsmoment for at forhindre rotation af den indre cylinder under påvirkning af viskositetskraften af væsken, der er indeholdt mellem de to cylindre, gør det muligt at vende tilbage til værdien af fluidets viskositet. Strømningen mellem de to cylindre er Couette flow .

Stikkende viskosimeter

Stabinger-viskosimeteret er et roterende viskosimeter baseret på det modificerede Couette-princip. Det gør det muligt at måle kinematisk viskositet over et bredt måleområde med præcision i henhold til internationale standarder ( ASTM osv.).

Viskosimeterets ydre cylinder er et rør, der roterer med konstant hastighed i en termoreguleret kobberblok. Rotoren, en konisk formet indvendig hul cylinder, flyder frit i prøven. På grund af sin lave densitet er det centreret af centrifugalkræfter . Derfor er der intet friktionsfænomen , som er uundgåeligt for de fleste instrumenter baseret på dette princip for rotationsmåling. Væskens forskydningskræfter tillader rotoren at rotere, mens en magnet inde i rotoren fungerer som en bremse på den rotation, der skabes af hvirvelstrømme med kobberblokken. I ligevægt mellem de kræfter, der driver den, og som bremser den, når rotoren en stabil rotationshastighed. Dette er et utvetydigt mål for den dynamiske viskositet. Motormomentet og rotationshastigheden måles uden kontakt af en Hall-effektføler, der måler frekvensen af magnetfeltet . Takket være denne teknik når opløsningen af motormomentet den meget lave værdi på 50 pN m . Således kan der med dette enkelt målesystem dækkes et viskositetsområde på 0,2 til 20.000 mPa s . En densitetsmålecelle ifølge det oscillerende U-rørprincip (en) bruges til at beregne den kinematiske viskositet ud fra den målte dynamiske viskositet.

Mooney viskosimeter

Dette viskosimeter er udviklet af den amerikanske fysiker og reolog Melvin Mooney ( 1893-1968) og er meget udbredt i gummiindustrien. Det anvendes i kvalitetskontrol, for valget af den grad af en gummi, eller til at styre en produktion. Den består af en rotor eller et oscillerende kammer, hvorpå der er deponeret en prøve af ikke-vulkaniseret fast gummi. Under en måling, der varer et par minutter, ved en fast temperatur mellem 100 ° C og ca. 200 ° C , dækker to temperaturstyrede bakker prøven. Enheden bestemmer det modstandsdygtige drejningsmoment. Viskositet er angivet i vilkårlige "Mooney-enheder" eller "Mooney-point" ( f.eks. 50 Mooney- point for en kvalitet af gummi).

Mooney viskosimeter.
Prøve placeret på rotoren mellem de to varmeplader.

Det tillader også bestemmelse af konstanten k , svarende til momentet i Mooney-punkter målt 1 s efter standsning af rotoren. Derudover giver en Mooney-afslapningstest størrelsen α, som er et mål for afslapningshastigheden. Jo tættere værdien af α er på 0, jo mere viser materialet elastisk opførsel.