Un viscosímetre és un instrument utilitzat per mesurar la viscositat de fluids i les propietats de flux dels líquids. Anem a discutir els diferents tipus de viscosímetres, les seves característiques internes i els factors que intervenen per realitzar mesures de viscositat precises i repetibles.
En la investigació de tribologia i lubricació, la viscositat es coneix sovint com la propietat més important d'un oli base. Per què és tan important la viscositat en la lubricació de màquines? D'una banda, una viscositat massa baixa pot provocar un contacte interfacial entre components interns durant el moviment, provocant un desgast.
D'altra banda, una viscositat massa alta obliga la màquina a treballar més per superar la resistència interna del lubricant al flux. Per tant, és important entendre no només la viscositat de l'oli base, sinó també com pot canviar a causa de les fluctuacions de les condicions de funcionament o ambientals.
Viscosímetre i reòmetre
La viscositat és una mesura de la resistència d'un fluid al flux (esforç de cisalla) a una temperatura determinada. No tots els fluids mantenen una viscositat constant a mesura que canvien les condicions de flux. Els fluids la viscositat dels quals canvia amb les condicions de flux s'anomenen fluids no newtonians. La viscositat d'aquest tipus de fluids es mesura amb un reòmetre. Un viscosímetre mesura la viscositat d'un fluid newtonià.
Cinemàtica i viscositat absoluta
Entre els diferents mètodes de viscosímetre, hi ha dues maneres diferents d'expressar la viscositat: la viscositat cinemàtica i la viscositat absoluta. La principal diferència entre els dos és que la viscositat cinemàtica es mesura observant la resistència d'un fluid a fluir sota la influència de la gravetat, mentre que la viscositat absoluta es mesura observant la resistència d'un fluid a fluir sota la influència de forces externes i controlades, ja sigui per capil·lars són també el moviment del líquid pel cos.
La viscositat cinemàtica es mesura en centistokes (cSt), però la viscositat absoluta es mesura en centipoise (cP). A efectes de comparació, la viscositat absoluta es converteix normalment en viscositat cinemàtica dividint-la per la gravetat específica (SG) del fluid.
cSt=cP/SG o el recíproc de l'equació: cP=cSt x SG
Mètode de prova de viscositat
S'han establert diversos mètodes de prova de viscositat, cadascun amb els seus propis avantatges. A continuació es mostra una llista de les tècniques més utilitzades per a la prova de viscositat de l'oli base.
Prova de viscosímetre capil·lar (vidre).
El dispositiu principal utilitzat en les proves de viscosímetre capil·lar és un tub de vidre en forma d'"U", que li dóna el seu nom associat habitualment, tub en U. El procediment del tub en U requereix submergir el tub en un bany amb temperatura controlada (generalment 40 o 100 graus centígrads) i prendre lectures precises (en segons) del temps necessari perquè una quantitat fixa de fluid flueixi dins del tub. El tub s'elimina del tub per succió o gravetat. Un marcador a un altre marcador.
A continuació, aquest temps mesurat es multiplica per una constant (relacionada amb el tub específic) per calcular la viscositat absoluta (succió) o la viscositat cinemàtica (gravetat).
Prova viscosímetre rotacional
La característica clau d'un viscosímetre de rotació implica un dispositiu giratori, anomenat eix, que està immers en el fluid de prova. Aleshores, el parell de torsió de l'eix giratori s'utilitza per mesurar la resistència al flux del fluid.
Un viscosímetre de rotació calcula la viscositat absoluta d'un fluid perquè aquesta mesura no implica la gravetat sinó que és una funció de l'esforç de cisalla dins del fluid. Una variació comuna d'aquest viscosímetre s'anomena viscosímetre Brookfield.
El viscosímetre Stabinger és una versió modificada del viscosímetre rotacional. Utilitza un eix flotant independent millorat, que es controla per força electromagnètica per generar gir en el fluid. Això és avantatjós perquè elimina la difícil tasca de tenir en compte la fricció dels coixinets del motor addicional amb l'eix principal.
Prova de viscosímetre de caiguda de bola i pistó caiguda
Les alternatives menys habituals per mesurar la viscositat inclouen els viscosímetres de pistó que cauen de bola i caiguda. En aquestes proves, es deixa caure una bola o pistó en un líquid i es mesura el temps entre un punt marcat i un segon punt marcat. Per calcular la viscositat a partir de la llei de Stokes, cal conèixer la velocitat terminal coneguda, les dimensions i la densitat de la bola o del pistó.
Altres mètodes de prova
En determinades situacions que no es veuen habitualment en les proves de viscositat de l'oli, es pot utilitzar el mètode de la bombolla. Aquesta prova normalment implica mesurar el temps que triga una bombolla a pujar una distància específica. Aquest temps de mesura es pot relacionar proporcionalment amb la viscositat del fluid. Una altra variació consisteix a mesurar la resistència de la sonda a la vibració.
Tipus de viscosímetres
Tot i que hi ha diversos mètodes per determinar la viscositat, la majoria de viscosímetres es venen comercialment per adaptar-se millor a l'ús previst. A continuació es mostra una llista d'aquestes categories de viscosímetres.
Viscosímetre portàtil
Com el seu nom indica, els viscosímetres portàtils són adequats per utilitzar-los a qualsevol lloc on no sigui pràctic un entorn de laboratori. En moltes aplicacions de camp i de camp, els viscosímetres han de proporcionar lectures de viscositat ràpides i aproximades, sovint per garantir una anàlisi posterior.
Viscosímetre de petit camp
Per obtenir lectures de viscositat més precises, els viscosímetres de camp petits són adequats per a la configuració de laboratori, però són assequibles. Aquests viscosímetres inclouen la varietat U-tube o el viscosímetre Brookfield.
Viscosímetre de servei complet
Per obtenir la màxima precisió en les proves de viscositat, s'ha d'utilitzar un viscosímetre de servei complet. Aquests dispositius sovint són capaços de provar automàticament la viscositat cinemàtica i absoluta en un ampli rang de temperatures i proporcionen càlculs de densitat i gravetat específica. Un repte comú al qual s'enfronten els laboratoris d'anàlisi d'olis que requereixen múltiples proves sobre mostres és la capacitat de realitzar aquestes proves amb el menor nombre de mostres possible.
Alguns dels viscosímetres de servei complet més sofisticats poden fer mesures precises amb volums de mostra inferiors a 0,1 ml, amb una repetibilitat dins del 0,1%. En grans laboratoris que analitzen centenars de mostres al dia, aquest és un avantatge necessari d'un viscosímetre de servei complet.
Viscosímetre en línia/en línia
Tot i que la majoria de proves de viscositat d'oli es realitzen després d'obtenir una mostra continguda, alguns viscosímetres poden proporcionar lectures contínues de viscositat en línies de flux actives. Això es fa normalment amb sensors o transductors ja sigui directament en línia (part de la canonada) o en línia (flux o sensor de derivació). Es pren una mesura de viscositat i després s'envia com a senyal electrònic a un ordinador o un altre dispositiu de control.
Factors que afecten la mesura de la viscositat
Tot i que la viscositat d'un fluid sembla fàcil d'analitzar, fer mesures precises d'aquests fluids pot ser una tasca difícil. Perquè una mesura sigui vàlida, s'han de conèixer i mantenir constants diversos factors, com ara:
temperatura
Pel que fa a la importància, la relació entre la temperatura i la viscositat és com la relació entre la viscositat i l'oli base. L'única responsabilitat del bany de control de temperatura és garantir que tot l'experiment de mesura de la viscositat es mantingui a una temperatura precisa (normalment 40 o 100 graus centígrads) i dins de 0,02 graus centígrads. Controlar el bany fins a aquest punt pot ser un repte, i és per això que els viscosímetres més sofisticats inclouen un sistema de bany amb control de temperatura com a part de la unitat.
vidre viscosímetre
La precisió d'un viscosímetre capil·lar depèn no només de la temperatura, sinó també del diàmetre interior precís del tub. Per aquest motiu, aquests tubs de vidre estan fets de vidre de borosilicat de baixa expansió totalment recuit i sovint vénen amb una constant de viscosímetre associada al tub com a factor de correcció. És pràctica habitual recalibrar les constants del viscosímetre anualment en funció de les temperatures a les quals s'utilitzarà, per garantir el mínim error possible.
Mida del viscosímetre
Les mides del viscosímetre varien a causa de l'ampli ventall de viscositats que es poden provar. Es recomana que el viscosímetre trigui almenys 200 segons (per a mesures manuals amb un cronòmetre) a passar el fluid de prova d'un punt marcat a un altre per evitar errors humans.
Esbandida entre mesures
Un altre factor important de la prova del viscosímetre és la qualitat del rentat dins del tub entre mesures. Normalment, s'utilitzen una varietat de dissolvents sense residus per a les etapes de neteja, esbandida i assecat. Als laboratoris que executen mostres contínuament en viscosímetres de gran volum, un sistema de neteja integrat garanteix l'eficiència de la neteja. Tot i així, és necessària una inspecció visual per determinar si és necessari un segon cicle de rentat, especialment amb l'oli usat.
Altres factors importants que poden afectar les mesures de viscositat inclouen el mètode i la precisió del dispositiu de cronometratge, la manipulació adequada de la mostra i el control de qualitat en profunditat i continu.
Amb els anys, la mesura de la viscositat ha evolucionat amb diversos estils i mètodes. Per a l'ASTM i l'Organització Internacional per a l'Estandardització (ISO), també s'han desenvolupat mètodes, procediments, calibratge, neteja i altres factors d'assaig de viscosímetres per garantir la precisió i la coherència entre els diferents viscosímetres.
Després de tot, la viscositat és la propietat física més important d'un oli base, i els esforços per mesurar la viscositat mitjançant mètodes acurats i estàndards estrictes poden equivaler a una lubricació de la màquina més fiable i, en definitiva, una vida útil més llarga de la màquina.
