ویسکومتر

 

انواع ویسکومتر

• ویسکومتر U شکل (استوالد)
• ویسکومتر سقوطی
• ویسکومتر لرزشی
• ویسکومتر چرخشی (دورانی)
• ویسکومتر بروکفیلد
• ویسکومتر استابینگر
• ویسکومتر کربس

کاربردهای ویسکومتر

ویسکومترها کاربردهای گسترده و متنوعی در علم مواد و صنایع شیمیایی برای موادی مانند روغن، آسفالت، پلاستیک، موم، رنگ، پوشش و چسب دارند. آنها همچنین برای غذاها و نوشیدنی ها و محصولات مراقبت شخصی مانند لوازم آرایشی، شامپو و خمیر دندان استفاده می شوند.

اندازه گیری ویسکوزیته هنگام در نظر گرفتن شرایط فرآیند برای موادی که نیاز به پمپاژ یا لوله کشی دارند، مهم است. ویسکوزیته همچنین بر عملکرد غوطه وری و پوشش تأثیر می گذارد، که به ویژه مربوط به رنگ ها و جوهرها است.

ویسکوزیته یک معیار غیرمستقیم بسیار مفید برای خواص مواد از جمله وزن مولکولی و چگالی است که هر دو بر رفتار جریان تأثیر می‌گذارند. بنابراین می توان از ویسکومترها برای نظارت بر ثبات دسته ای و کنترل کیفیت استفاده کرد.

کاربردهای مثال عبارتند از:

اندازه گیری دبی روغن موتور در شرایط دمایی مختلف
تجزیه و تحلیل خواص جریان شیر برای طراحی سیستم های لوله کشی مناسب
بررسی ویسکوزیته مرباها و شربت ها برای اطمینان از قوام دسته ای.
از آنجایی که تغییرات در ویسکوزیته منعکس کننده تغییرات وزن مولکولی است، ویسکومترها برای مشخص کردن پلاستیک ها استفاده می شوند. آنها به ویژه در سنتز پلیمر مفید هستند زیرا سرعت جریان را می توان برای تعیین تغییر طول پلیمر از طریق فرآیندهای مختلف استفاده کرد.

در بسیاری از موارد مفید صنعتی، ویسکوزیته با افزایش فعالیت آنزیمی کاهش می یابد. ویسکومتر برای تعیین فعالیت آنزیم هایی مانند سلولاز، پروتئاز، آمیلاز و پکتیناز استفاده می شود.

انواع ویسکومتر

روش های زیادی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد، اما آنها به دو روش اساسی تقسیم می شوند. یا یک جسم، مانند یک کره یا یک تیغه روتور، از طریق یک ماده ثابت حرکت می کند، یا این ماده از یک جسم ثابت یا از کنار آن عبور می کند. در هر صورت، مقاومت در برابر جریان اندازه گیری می شود.

ویسکومترهای مویرگی

ویسکومترهای مویرگی که به عنوان ویسکومتر لوله یو یا شیشه نیز شناخته می شوند، اغلب در محیط های آزمایشگاهی استفاده می شوند. ویسکوزیته با زمان بندی مدت زمانی که طول می کشد تا یک سیال شفاف یا نیمه شفاف بین دو نقطه از یک لوله مویین جریان یابد، اندازه گیری می شود.

برای مایعات مات، تعیین زمانی که نمونه از نقطه ای در لوله عبور کرده است دشوار است، بنابراین لازم است از ویسکومترهای جریان معکوس استفاده شود که فقط بخش زمان بندی مویرگ ویسکومتر را در طول اندازه گیری واقعی خیس می کنند. ویسکومترهای Cannon-Fenske Opaque، Zeitfuchs Cross-Arm و BS/IP/RF از شرکت CANNON Instrument (کالج ایالتی، PA؛ www.cannoninstrument.com) همگی از انواع جریان معکوس هستند. ویسکومترهای جریان معکوس باید قبل از انجام اندازه گیری مجدد، تمیز، خشک و پر شوند.

ویسکومترهای مویرگی می توانند دستی یا اتوماتیک باشند. ابزارهای اتوماتیک از حسگرهای نوری مادون قرمز برای نمونه های شفاف یا از سنسورهای حرارتی برای نمونه های مات استفاده می کنند.

ویسکومترهای چرخشی

ویسکومترهای چرخشی ساده که به عنوان ویسکومترهای نوع بروکفیلد نیز شناخته می شوند، از فنر پیچشی برای اندازه گیری گشتاور مورد نیاز برای چرخش یک دوک در ماده استفاده می کنند. تغییر سرعت و اندازه روتور امکان اندازه گیری دامنه های مختلف ویسکوزیته را فراهم می کند.

شکل 1 – ویسکومتر Stabinger SVM 3000 از Anton Paar ویسکوزیته دینامیکی و چگالی روغن ها و سوخت ها را اندازه گیری می کند.
SVM 3000 (شکل 1) از Anton Paar (اشلند، VA؛ www.anton-paar.com) از اصل اندازه گیری Stabinger استفاده می کند. یک روتور مغناطیسی سبک وزن در یک لوله پر از مایع شناور است که با سرعت ثابت می چرخد. نیروهای ویسکوزیته سیال نمونه، روتور را به حرکت در می آورد، که منجر به سرعت روتور تعادلی می شود که به عنوان معیاری از ویسکوزیته سیال ثبت می شود.

هندسه های مختلف دوک مانند استوانه، استوانه کواکسیال، صفحه موازی و صفحه مخروطی در رئومترها برای ایجاد نیروهای برشی مختلف استفاده می شود. رئومترها ابزارهای پیچیده تری نسبت به ویسکومترها هستند و برای اندازه گیری ویسکوزیته وابسته به سرعت جریان در سیالات غیر نیوتنی استفاده می شوند.

ویسکومترهای توپ نورد، توپ در حال سقوط، کره و پیستون
Lovis 2000 M/ME از Anton Paar یک میکروویسکومتر بر اساس اصل توپ نورد است. یک توپ از طریق یک مویرگ بسته و پر از نمونه که با زاویه مشخصی متمایل شده است می چرخد. سنسورهای القایی زمان چرخش توپ را بین دو علامت تعیین می کنند.

به روشی مشابه، ویسکومترهای توپ یا کره در حال سقوط، مدت زمانی را که طول می‌کشد تا یک توپ یا کره تحت تأثیر گرانش قرار گیرد، از طریق یک لوله پر از نمونه که متمایل به آن است، اندازه‌گیری می‌کنند. ویسکومترهای پیستون در حال سقوط بر اساس یک اصل مشابه عمل می کنند، اما مقاومت در برابر افتادن پیستون از مواد را اندازه می گیرند.

ملاحظات خرید ویسکومتر

انتخاب ویسکومتر فرآیند پیچیده ای است و به نوع نمونه، ویسکوزیته، کدورت، حجم نمونه در دسترس، توان عملیاتی مورد نیاز و سطح اتوماسیون مورد نیاز بستگی دارد. حداقل عوامل زیر را باید در نظر گرفت:

محدوده ویسکوزیته

دقت
کنترل دما
حجم نمونه و قابلیت ریزحجم
اتوماسیون و رابط کامپیوتر
الزامات نظارتی و استانداردهای صنعت.
محدوده ویسکوزیته
ویسکوزیته در ثانیه پاسکال (Pa·s) اندازه گیری می شود، به عبارت دیگر، مقدار فشار لازم برای دستیابی به نرخ معین f

کم. ویسکوزیته معمولاً بر حسب سانتیپویز (cP) بیان می شود که واحدی است که توسط آژانس استاندارد ASTM International استفاده می شود. 1 cP برابر با 1 mPa·s است. آب در دمای 20 درجه سانتیگراد دارای ویسکوزیته دینامیکی 1.002 cP است. ویسکوزیته سینماتیکی نسبت ویسکوزیته دینامیکی به چگالی است. واحد اندازه گیری استوک (St) است.

ویسکومترهای Thermo Scientific Gilmont Falling-ball (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA; www.thermoscientific.com) یک روش ساده، دقیق، مقرون به صرفه و مطلق برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالات شفاف تا 200 cP ارائه می دهد.

Viscotek DSV از Malvern Instruments (Malvern, U.K.؛ www.malvern.com) مستقیماً ویسکوزیته نسبی محلول های پلیمری رقیق را با استفاده از فناوری سنجش فشار اندازه گیری می کند و دارای محدوده ویسکوزیته <1 mPa·s تا 20 mPa·s است.

در بیشتر ویسکومترهای مویرگی شیشه ای، نمونه ها تحت نیروی گرانش جریان دارند، اما ویسکومترهای خلاء می توانند برای اندازه گیری مواد بسیار ویسکوز استفاده شوند.

ویسکومترهای خلاء به یک خلاء بسیار دقیق کنترل شده برای کشیدن مایع از طریق مویرگ نیاز دارند. تنظیم کننده های خلاء دیجیتال CANNON (DVR) را می توان همراه با ویسکومترهای خلاء برای اندازه گیری سیمان آسفالتی در دمای 60 درجه سانتی گراد (140 درجه فارنهایت) طبق ASTM D 2171 استفاده کرد.

محدوده گشتاور برای ویسکومترهای چرخشی، محدوده ویسکوزیته ای را که دستگاه می تواند اندازه گیری کند، تعیین می کند. High Shear CAP-2000+ از آزمایشگاه های مهندسی بروکفیلد (Middleboro, MA؛ www.brookfieldengineering.com) گستره گشتاور را با گشتاور استاندارد 181,000 dyne·cm یا گشتاور کم 7970 dyne·cm ارائه می دهد. سرعت چرخش بین 5 تا 1000 دور در دقیقه متغیر است و در نتیجه محدوده اندازه گیری ویسکوزیته 0.2-15000 cP است.

دقت

دقت یک ویسکومتر نه تنها به مهندسی خود ابزار بستگی دارد، بلکه به نحوه دقیق کنترل دما نیز بستگی دارد. معمول است که اندازه گیری های ویسکوزیته مکرر انجام شود که برای دستیابی به یک نتیجه با دقت مرتبط میانگین گیری می شود.

استانداردهای ویسکوزیته برای بررسی دقت ویسکومتر استفاده می شود و می تواند برای تأیید انطباق با سیستم های کیفیت صنعت مهم باشد. بررسی کنید که سازنده استانداردهای مناسب برای برنامه شما را ارائه دهد. استانداردهای سیلیکون و روغن معدنی بروکفیلد یک مقدار ویسکوزیته سیال را ارائه می دهند که در 25 درجه سانتیگراد ثابت است. این شرکت توصیه می کند استانداردهای ویسکوزیته را به صورت سالانه جایگزین کنید.

کنترل دما

ویسکوزیته اکثر مواد با افزایش دما کاهش می یابد. موادی مانند روغن موتور در معرض تغییرات معمول دمایی در استفاده هستند و اندازه گیری ویسکوزیته در دماهای مختلف مورد نیاز است. بنابراین برای ویسکومترها کنترل دما بسیار مهم است.

ویسکومتر مروارید سیاه از CANNON Instrument Co. دارای کنترل دمای داخلی Peltier برای همه سیستم های اندازه گیری است. برخی از سیستم ها امکان اضافه کردن تجهیزات خنک کننده را دارند که منجر به محدوده دمایی زیر 0 درجه سانتیگراد می شود.

حجم نمونه و قابلیت ریزحجم

حجم نمونه برای نمونه های بیولوژیکی به ویژه در آزمایشگاه بالینی مهم است. سری SV-A از A&D Weighing (سان خوزه، کالیفرنیا؛ www.andonline.com/weighing) امکان اندازه گیری دقیق اندازه نمونه به کوچکی 2 میلی لیتر را با دقت 1٪ فراهم می کند. ویسکومتر کانن-منینگ Semi-Micro Extra Low Change U-tube از CANNON Instrument Co. ویسکوزیته سینماتیکی را با کمتر از 0.5 میلی لیتر نمونه اندازه گیری می کند.

شکل 2 – ویسکومتر DV2T از Brookfield Engineering دارای یک 5 اینچ است. نمایش رنگی برای راهنمایی کاربران از طریق ایجاد آزمایش و جمع آوری داده ها.

اتوماسیون و رابط کامپیوتر

ساده‌ترین ویسکومترها امکان اندازه‌گیری را در یک زمان می‌دهند، اما برای اندازه‌گیری‌های مداوم یا اندازه‌گیری در دماهای مختلف، داشتن یک سیستم خودکار مفید است. سیستم‌های ویسکوزیته سینماتیک نیمه خودکار از UIC, Inc. (Joliet, IL; www.uicinc.com) می‌توانند ویسکوزیته حداکثر 12 نمونه را به طور همزمان و مستقل تعیین کنند.

برخی از ابزارهای خودکار را می توان به رایانه شخصی متصل کرد. بررسی کنید که آیا نرم افزار سازنده می تواند در صورت نیاز به سیستم آزمایشگاهی داخلی شما متصل شود یا خیر.

نرم‌افزار WinCT-Viscometer از A&D Weighing از یک رابط RS232C برای نمایش پیشرفت اندازه‌گیری از ویسکومتر ارتعاشی موج سینوسی سری SV در زمان واقعی بر روی رایانه شخصی استفاده می‌کند. نتایج اندازه گیری شده را می توان ذخیره یا تجزیه و تحلیل کرد.

ویسکومتر DV2T

از آزمایشگاه های مهندسی بروکفیلد (شکل 2) دارای یک 5 اینچ است. نمایش رنگی برای راهنمایی کاربران از طریق ایجاد آزمایش و جمع آوری داده ها. پروتکل های تست چند مرحله ای را می توان با استفاده از نرم افزار Program Generator ایجاد کرد و از طریق یک درایو فلش USB در DV2T آپلود کرد. داده های آزمایشی را می توان چاپ کرد یا به رایانه شخصی فرستاد.

الزامات نظارتی و استانداردهای صنعت
مطمئن شوید که ویسکومتر انتخابی شما برای استانداردهای صنعت ASTM یا ISO مورد نیاز شما تایید شده است.

ویسکومتر Thermo Scientific HAAKE Falling Ball نوع C از Thermo Fisher Scientific ویسکوزیته مایعات و گازهای نیوتنی شفاف را اندازه گیری می کند. این استاندارد استاندارد ISO 12058 را دارد و به عنوان یک ابزار مرجع رسمی پذیرفته شده است.

Viscom مویرگی شیشه ای اتوماتیک PolyVISC

eter از شرکت CANNON Instrument یک واحد رومیزی برای آنالیز ویسکوزیته پلیمر محلول رقیق است. هر دو نمونه شفاف و مات را می توان با دقت مورد نیاز ASTM D 2857 اندازه گیری کرد.