ویسکومتر و انواع آن

ویسکومتر دستگاهی ای برای سنجش میزان ویسکوزیته (گرانروی) مایعات است. 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:
۱- یا مایع ویسکوز ساکن است و یک شی جانبی در داخل آن (ابزار اندازه گیری ویسکوزیته) حرکت می کند.
۲- یا وسیله اندازه گیری ویسکوزیته ساکن بوده و سیال ویسکوز حرکت می کند.

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 گرانروی 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.

انواع ویسکومتر

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

ویسکومترهای U شکل (ویسکومتر استوالد)

این مدل که از لوله های شیشه ای مویین ساخته شده اند، به مدل شیشه ای مویین نیز مشهورند که خود انواع گوناگون دارند.

یکی از انواع آن که به ویسکومتر آبلهود(Ubbelohde viscometer) معروف است، اساسا از یک لوله شیشه ای U شکل که بصورت عمودی، در یک حمام کنترل دما قرار داده شده است، تشکیل شده است. در یک سمت آن، یک لوله موئین با قطر مشخص قرار دارد. در بالای این قسمت یک منطقه بر آمده قرار دارد و یک بر آمدی دیگر پایین تر از آن در سمت دیگر لوله قرار داده شده است که در هنگام استفاده سیال بوسیله یک مکنده(Suction) از محفظه پایینی به محفظه بالایی کشیده می شود .
سپس اجازه داده می شود تا از طریق لوله موئین به محفظه پایینی جریان یابد. 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 گرانروی جنبشی متناسب است. به دلیل تاثیر دما در گرانروی سیال، این دستگاه ها اغلب در یک دمای ثابت و در داخل یک حمام آب قرار می گیرند.
این مدل ها اغلب بصورت دستگاه هایی با جریان مستقیم و یا معکوس رده بندی می شوند. دستگاه های جریان معکوس دارای یک مخزن در قسمت بالای نشانه ها هستند ولی در دستگاه های با جریان مستقیم این مخزن در زیر شاخص ها قرار دارد.
گونه ای از ویسکومتر ها هم وجود دارند که بصورت ترکیبی از دو مدل مذکور هستند که برای اندازه گیری گرانروی 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. مدل 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 گرانروی می کاهد.

ویسکومترهای سقوطی
(Falling Sphere Viscometers)

معادله ناویر استوکس که پایه و اساس روابط مربوط به حرکت سیالات می‌باشد، اساس کار دستگاه های مدل سقوطی را تشکیل می دهد.

سمت چپ معادله میزان تغییرات سرعت سیال بر حسب زمان را نشان می‌دهد و سمت راست آن به نیروهایی که بر سیال وارد می‌شود، دلالت دارد.
روش کار بدین صورت است که ابتدا سیال را بصورت استاتیک در داخل یک لوله شیشه ای عمودی قرار داده و اجازه می دهیم یک شار فلزی کوچک که اندازه و دانسیته آن مشخص است در داخل سیال سقوط کند. با محاسبه سرعت سقوط شار (برای راحتی کار و بالابردن دقت محاسبه، می توان از حسگر های الکترونیکی استفاده نمود) و با دانستن اندازه و دانسیته شار و دانسیته سیال مورد نظر، می توان از قانون استوکس برای محاسبه گرانروی سیال استفاده نمود.
می توان از گلوله های فلزی با اندازه های متفاوت جهت بالا بردن دقت محاسبات استفاده کرد.

ویسکومترهای لرزشی
(Vibrational Viscometers)

مبنای کار مدل های لرزشی اندازه گیری مقدار کاهش نوسانات الکترومغناطیسی لرزاننده هنگام لرزش در داخل سیال مورد آزمایش است. لرزاننده معمولا بصورت دورانی یا ارتعاشی (بصورت دیاپازونی) کار می کند. هرچه گرانروی سیال بالا 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:
۱٫ اندازه گیری مقدار انرژی لازم جهت ثابت نگه داشتن دامنه ارتعاشات نوسانگر در یک دامنه ارتعاشی مشخص:
در این روش باید متذکر شد در سیالاتی با گرانروی بالا انرژی بیشتری جهت ثابت ماندن دامنه ارتعاشی نوسانگر باید مصرف شود.

۲٫ اندازه گیری زمان لازم جهت توقف کامل نوسانگر بعد از خاموش شدن آن:
در این روش باید متذکر شد زمان لازم جهت توقف نوسانگر با گرانروی سیال متناسب است و هر اندازه گرانروی بالاتر باشد مدت زمان لازم جهت توقف نوسانگر نیز کمتر خواهد بود.

۳٫ اندازه گیری فرکانس نوسانگر بصورت تابعی از کنش وارد شده به سیال و واکنش سیال نسبت به آن:
در این روش هم سیالاتی با گرانروی بالا، تغییر فرکانس بیشتری هنگام تغییر فاز از خود نشان می دهند.

نتیجه ارائه شده توسط دستگاه های سنجش گرانروی با روش ارتعاشی به دلیل عدم اندازه گیری تنش سطحی، جهت اندازه گیری گرانروی سیالاتی که رفتار جریانی آن برای کاربر نامشخص است نمی تواند قابل اطمینان باشد.
مدلهای لرزشی برای اندازه گیری گرانروی درطی فرآیندهای صنعتی به کار می رود.
در اینگونه دستگاه ها سنسور به میله نوسانگر متصل می شود. تغییرات دامنه نوسانگر با گرانروی سیالی که بخش لرزاننده دستگاه را می پوشاند، متناسب است. این روش برای اندازه گیری گرانروی سیالات ژلاتینی و سیالاتی با گرانروی بالا (بالای pa.s 1000) کاربرد دارد.

در حال حاضر به دلیل کارایی بالای این مدل ، صنایع توجه خود را معطوف به استفاده بهینه از این مدل ها نموده و سعی در افزایش دقت و کارآیی این نوع دارند.
این دسته از ویسکومتر ها 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 گرانروی انواع مختلف مواد بخصوص سیالات اسیدی را با این نوع ویسکوزیمتر، اندازه گرفت به شرط آنکه یا باید سیال را در داخل یک پوشش خاص قرار داد و یا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسید ساخت .

ویسکومترهای چرخشی یا دورانی
(Rotation viscometers)

اینگونه ویسکومتر ها که از استوانه های هم محور ساخته شده اند، بر اساس اندازه گیری مقدار گشتاور لازم جهت به چرخش در آوردن یک جسم خارجی در داخل سیال استوار هستند که می تواند راهی برای اندازه گیری گرانروی سیال باشد. در این ویسکومترها یک استوانه مانند سیلندر (Bob) درون استوانه دیگری (Cup)قرار گرفته، سیال در حجم محصور بین این دو استوانه ریخته می‌شود و یکی از استوانه‌ها را با سرعت زاویه ای (Ω) معینی چرخانده، گشتاور (T) را بر روی استوانه چرخان یا استوانه ثابت اندازه می‌گیریم. بنابراین رابطه گشتاور و سرعت زاویه ای به دست می‌آید. اما از طرفی تنش وارده از طرف سیال ( ) بر روی دیواره استوانه‌ها، با گشتاور رابطه مستقیم داشته و سرعت برش نیز با سرعت درون استوانه متناسب است. در نهایت از روی این روابط، ارتباط تنش و سرعت برش به دست می‌آید و با توجه به رابطه زیر، گرانروی در سرعت برش‌های مختلف به دست می‌آید:

ویسکومتر بروکفیلد

ویسکومتر بروکفیلد نوعی ویسکومتر دورانی است که در آن استوانه چرخان که اسپیندل نامیده می‌شود، شبیه دوک بوده و توسط یک پیچ که در انتهای دسته آن قرار دارد، به موتور دستگاه متصل می‌شود. استوانه ثابت نیز ظرفی می‌باشد که نمونه در آن ریخته شده است. اسپیندل را به دستگاه متصل نموده، در ظرف حاوی نمونه قرار می‌دهیم و با سرعت‌های زاویه ای معینی آن را می‌چرخانیم. ویسکومتر این امکان را به ما می‌دهد تا به وسیله پیچ تنظیم سرعت، داده‌های مربوط به سرعت‌های زاویه ای مختلف از قبیل ۱، ۵، ۱۰، ۲۰، ۵۰ و ۱۰۰ دور بر دقیقه را به دست آوریم. در هر سرعت زاویه ای، ویسکومتر گشتاور وارد بر اسپیندل را اندازه گرفته و عقربه روی آن، مقدار گشتاور را نشان می‌دهد.

در ویسکومترهای چرخشی می‌توان نوشت:

در این رابطه Ω، سرعت زاویه ای tb و tc به ترتیب تنش وارد بر Bub و Cup میباشدو f و t به ترتیب سرعت برش و تنش در فاصله بین دو استوانه میباشد.

در متد بروکفیلد نمی‌توان فرض کرد که سرعت برش در بین دو استوانه یکسان می‌باشد. بلکه با توجه به کم بودن سرعت چرخش اسپیندل می‌توان به نوعی شعاع استوانه ثابت را بی نهایت فرض کرده، تنش وارد بر آن را صفر در نظر بگیریم، یعنی tc=0 در آن صورت با دیفرانسیل گرفتن از طرفین رابطه ویسکوزیته بصورت زیر بدست می آید:

ویسکومترهای استابینگر
(Stabinger Viscometer)

با تغییر ویسکومتر های نوع چرخشی (Couette rotational viscometer) نوعی ویسکومتر ساخته می شود (ویسکومتر استابینگر )که با ان می توان به دقت بسیار بالایی در اندازه گیری ویسکوزیته جنبشی سیال، دست یافت. سیلندر داخلی ویسکومتر های استابینگر، گودتر و نسبت به ویسکومتر های نوع قبلی سبکتر 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 با اندازه گیری چرخش میدان مغناطیسی و حرکات گردابی و بدون هیچگونه تماس مستقیمی صورت می گیرد که این امر دقت فوق العاده و دامنه وسیع سنجش را برای این نمونه امکان پذیر نموده است.

ویسکومتر کربس یا ویسکومتر استورمر 
(Krebs Viscometer / Stormer Viscometer)

نوعی ویسکومتر دورانی است که در آن از یک اسپیندل با یک مدل استاندارد و یک سرعت ثابت استفاده می شود که اغلب در صنعت رنگ مورد استفاده قرار می گیرد.