ویسکومتر
ویسکومتر یا ویسکوزیمتر یا وُشک‌سنج، وسیله‌ای برای محاسبه ی ویسکوزیته سیال می‌باشد. برای موادی که ویسکوزیته آنها با جریان یافتن تغییر می کند از ویسکومتر ویژه ای به نام رئومتر استفاده می گردد. در حالت کلی در یک ویسکومتر دو حالت وجود دارد:ویسکوزیته معمولاً در قالب واحدهای پاسکال ثانیه، پاسکال میلی ثانیه، پویز، سنتی پویز، بیان می شود.
در هر دو صورت، نیروی کششی که سبب ایجاد حرکت نسبی سیال نسبت به سطح می شود می تواند به عنوان عاملی برای اندازه گیری ویسکوزیته به کار گرفته شود. حالت جریان باید به گونه ای باشد که عدد رینولدز (نسبت نیروی لختی به نیروی گرانروی) به حدی کوچک باشد که بتوان جریان را آرام فرض نمود.
در دمای ۲۰ درجه سلسیوس ویسکوزیته آب ۱٫۰۰۲mpa.s است و ویسکوزیته جنبشی آن (نسبت ویسکوزیته به چگالی) برابر با ۱٫۰۰۳۸mm2/s است. لازم به ذکر است مقادیر فوق جهت کالیبراسیون ویسکومترها به کار می رود.
ویسکومترها دارای سه شکل اساسی هستند: دورانی، مویین و سقوطی. یک ویسکومتر دورانی که گاهی اوقات ویسکومتر بروکفیلد یا پارویی نیز نامیده می شود ، از یک تنش سطحی دورانی برای اندازه گیری ویسکوزیته استفاده می کند و دارای مکانیسمی برای هم زدن است که نیروی لازم برای هم زدن یک مایع را اندازه گیری می کند . ویسکومترهای دورانی می توانند به منظور تست ویسکوزیته ی مایعات نیوتنی و غیر نیوتنی استفاده شوند . ویسکومتر مویین، که گاهی اوقات یک ویسکومتر U شکل نیز نامیده می شود ، از عمل مویین برای اندازه گیری ویسکوزیته مایعات نیوتنی استفاده می کند. مزایای استفاده از آن ها مقرون به صرفه بودن هزینه ، استفاده ی آسان ، پرتابل بودن و نیاز به نمونه هایی با اندازه ی کوچک، می باشد. ساده ترین نوع ویسکومتر، نوع سقوطی است که گاهی اوقات یک ویسکومتر هاپلر نیز نامیده می شود. از گرانش برای اندازه گیری زمانی که طول می کشد یک توپ به میان یک مایع نیوتنی سقوط کند استفاده می کند. بعد از این که سه بار اندازه گیری انجام شد، میانگین نتایج به منظور محاسبه ی ویسکوزیته گرفته می شود. مایعات نیوتنی زمانی که تحت فشار قرار می گیرند ویسکوزیته را تغییر نمی دهند، در حالی که مایعات غیر نیوتنی زمانی که تحت لرزش یا فشار قرار می گیرند ویسکوزیته را تغییر می دهند.
این نوع ویسکومترها که از لوله های شیشه ای موئین ساخته شده اند، به ویسکومتر شیشه ای مویین نیز مشهورند که خود انواع گوناگون دارند. یکی از انواع آن که به ویسکومتر آبلهود (Abbelohde) معروف است، اساساً از یک لولۀ شیشه ای U شکل که به صورت عمودی، در یک حمام کنترل دما قرار داده شده است، تشکیل شده است. در یک سمت آن، یک لولۀ موئین با قطر مشخص قرار دارد. در بالای این قسمت یک منطقۀ برآمده قرار دارد و یک برآمدگی دیگر پایین تر از آن در سمت دیگر لوله قرار داده شده است که در هنگام استفاده سیال بوسیلۀ یک مکنده از محفظۀ پایینی به محفظۀ بالایی کشیده می شود و سپس اجازه داده می شود تا از طریق لولۀ موئین به محفظۀ پایینی جریان یابد. دو نشانۀ موجود در بالا و پایین محفظۀ بالایی حجم مشخصی را نشان می دهند تا زمان مورد نیاز تا انتقال سیال بین این دو نشانه، با ویسکوزیته جنبشی متناسب است. به دلیل تأثیر دما در ویسکوزیته سیال، این ویسکومترها اغلب در یک دمای ثابت و در داخل یک حمام آب قرار می گیرند. اینگونه ویسکومترها اغلب بصورت ویسکومترهایی با جریان مستقیم و یا معکوس رده بندی می شوند. ویسکومترهای جریان معکوس دارای یک مخزن در قسمت بالای نشانه ها هستند ولی در ویسکومترهای با جریان مستقیم این مخزن در زیر شاخص ها قرار دارد. گونه ای از ویسکومترها هم وجود دارند که بصورت ترکیبی از دو ویسکومتر مذکور 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 غیرممکن می سازد. ویسکومتر ترکیبی این اجازه را به اپراتور می دهد که بجای اندازه گیری زمان تخلیه سیال بین دو شاخص مخزن بالا، زمان پر شدن مخزن پایینی را اندازه بگیرد و این امر تا حد زیادی از خطای ویسکومتری می کاهد.
معادله ناویر استوکس که پایه و اساس روابط مربوط به حرکت سیالات می باشد، اساس کار ویسکومترهای سقوطی را تشکیل می دهد.
formula_1
سمت چپ معادله میزان تغییرات سرعت سیال بر حسب زمان را نشان می دهد و سمت راست آن به نیروهایی که بر سیال وارد می شود، دلالت دارد.
روش کار بدین صورت است که ابتدا سیال را بصورت استاتیک در داخل یک لولۀ شیشه ای عمودی قرار داده اجازه می دهیم یک شار فلزی کوچک که اندازه و چگالی آن مشخص است در داخل سیال سقوط کند. با محاسبۀ سرعت سقوط شار (برای راحتی کار و بالا بردن دقت محاسبه، می توان از حسگرهای الکترونیکی استفاده نمود) و با دانستن اندازه و چگالی شار و چگالی سیال مورد نظر، می توان از قانون استوکس برای محاسبۀ چگالی سیال استفاده نمود.
می توان از گلوله های فلزی با اندازه های متفاوت جهت بالا بردن دقت محاسبات استفاده کرد.
مبنای کار ویسکومترهای لرزشی اندازه گیری مقدار کاهش نوسانات الکترومغناطیسی لرزاننده هنگام لرزش در داخل سیال مورد آزمایش است. لرزاننده معمولاً بصورت دورانی یا ارتعاشی (بصورت دیاپازونی) کار می کند. هر چه ویسکوزیته سیال بالاتر باشد به همان نسبت، میزان افت لرزش های ایجاد شده توسط لرزاننده نیز، بیشتر خواهد بود.
میزان کاهش ارتعاشات لرزاننده می تواند با یکی از روش های زیر اندازه گیری شود:ویسکومترهای لرزشی برای اندازه گیری ویسکوزیته در طی فرآیندهای صنعتی بکار می رود. در اینگونه ویسکومترها سنسور به میله نوسانگر متصل می شود. 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 ۱۰۰۰pa.s) کاربرد دارد. به دلیل کارایی بالای این ویسکومترها، صنایع توجه خود را معطوف به استفاده بهینه از اینگونه ویسکومترها نموده و سعی در افزایش دقت و کارایی این نوع دارند.
این دسته از ویسکومترها بسیار مستحکم بوده و تمام اجزای آن از مقاومت بالایی برخوردار هستند و تنها قسمت حساس آنها، حسگر کوچک تعبیه شده در بخش لرزاننده است. به همین دلیل می توان ویسکوزیته انواع مختلف مواد بخصوص سیالات اسیدی را با این ویسکوزیمتر، اندازه گرفت به شرط آنکه سیال را داخل یک پوشش خاص قرار داد و یا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسید ساخت.
اینگونه ویسکومترها (ویسکوزیمتر) بر اساس اندازه گیری مقدار گشتاور لازم جهت به چرخش درآوردن یک جسم خارجی در داخل سیال استوار هستند که می تواند راهی برای اندازه گیری ویسکوزیته سیال باشد. به عنوان مثال ویسکومترهای بروکفیلد بر مبنای اندازه گیری مقدار گشتاور لازم جهت چرخش یک دیسک با سرعتی مشخص در داخل سیال کار می کنند.
در ویسکومترهای bob and Cup مقدار معینی سیال در داخل مخزن مخصوصی ریخته می شود و گشتاور لازم جهت چرخش یک دیسک در داخل سیال با یک سرعت مشخص به دقت اندازه گیری شده و گراف های آن رسم می شوند.
در کل دو نوع مشخص از این نوع ویسکومترها (ویسکوزیمتر) مورد استفاده قرار می گیرد که با نام های تجاری”Couette و “Searle”شناخته می شوند که اختلاف آنها در چرخش فنجانی و شاغولی است. دَوَران فنجانی در بسیاری از موارد بر دوران شاغولی ارجحیت دارد زیرا در این روش امکان کنترل جریان های گردابی بهتر صورت می گیرد. اما در این متد ثابت نگه داشتن دمای سیال تا حدی دشوار است.
با تغییر ویسکومترهای نوع چرخشی (Couette rotational viscometer) و ساخت این نوع ویسکومترها به دقت بسیار بالایی در اندازه گیری ویسکوزیته جنبشی سیال می توان دست یافت. سیلندر داخلی ویسکومترهای استابینگر گودتر و نسبت به ویسکومترهای 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 دقیقاً در بخش مرکزی قرار می گیرند. اندازه گیری سرعت و گشتاور در این نوع با اندازه گیری چرخش میدان مغناطیسی و حرکات گردابی و بدون هیچگونه تماس مستقیمی صورت می گیرد. که این امر دقت فوق العاده 50pN.m و دامنه وسیع سنجش 0.2 تا 20000mPa.s را برای این نمونه امکان پذیر نموده است.
این نوع ویسکومتر برای اولین بار توسط Anton Paar در سال ۲۰۰۰ معرفی گردید که این ویسکومتر به افتخار دکتر استابینگر به این نام نامیده شد.