Viskozimetr je přístroj používaný k měření viskozity kapalin a tokových vlastností kapalin. Pojďme diskutovat o různých typech viskozimetrů, jejich vnitřních charakteristikách a faktorech, které vedou k provádění přesných a opakovatelných měření viskozity.
V tribologii a výzkumu mazání je viskozita často označována jako nejdůležitější vlastnost základového oleje. Proč je viskozita při mazání strojů tak důležitá? Na jedné straně může příliš nízká viskozita způsobit mezifázový kontakt mezi vnitřními součástmi během pohybu, což má za následek opotřebení.
Na druhou stranu příliš vysoká viskozita nutí stroj pracovat intenzivněji, aby překonal vnitřní odpor maziva vůči proudění. Proto je důležité porozumět nejen viskozitě základního oleje, ale také tomu, jak se může měnit v důsledku kolísání provozních nebo okolních podmínek.
Viskozimetr a reometr
Viskozita je mírou odporu tekutiny vůči proudění (smykové napětí) při dané teplotě. Ne všechny kapaliny si udržují konstantní viskozitu, když se mění podmínky proudění. Kapaliny, jejichž viskozita se mění s podmínkami proudění, se nazývají nenewtonské kapaliny. Viskozita těchto typů kapalin se měří pomocí reometru. Viskozimetr měří viskozitu newtonovské kapaliny.
Kinematika a absolutní viskozita
Mezi různými viskozimetrickými metodami existují dva různé způsoby vyjádření viskozity: kinematická viskozita a absolutní viskozita. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma je v tom, že kinematická viskozita se měří pozorováním odporu tekutiny vůči proudění pod vlivem gravitace, zatímco absolutní viskozita se měří pozorováním odporu tekutiny proudit pod vlivem vnějších a řízených sil, buď kapilárami jsou také pohyb tekutiny tělem.
Kinematická viskozita se měří v centistoke (cSt), ale absolutní viskozita se měří v centipoise (cP). Pro účely srovnání se absolutní viskozita obvykle převádí na kinematickou viskozitu jejím dělením měrnou hmotností (SG) tekutiny.
cSt=cP/SG nebo převrácená hodnota rovnice: cP=cSt x SG
Metoda zkoušení viskozity
Bylo zavedeno několik metod testování viskozity, z nichž každá má své vlastní výhody. Následuje seznam nejčastěji používaných technik pro testování viskozity základního oleje.
Testování kapilárního (skleněného) viskozimetru
Primárním zařízením používaným při testování kapilárních viskozimetrů je skleněná trubice ve tvaru "U", která jí dává běžně přidružený název, U-trubice. Procedura U-trubice vyžaduje ponoření zkumavky do lázně s řízenou teplotou (obvykle 40 nebo 100 stupňů Celsia) a přesné odečty (v sekundách) času potřebného k tomu, aby v trubici proteklo pevné množství tekutiny. Trubice se z trubice odstraní odsáváním nebo gravitací. Od jedné značky k druhé.
Tento naměřený čas se pak vynásobí konstantou (vztaženou na konkrétní trubici) pro výpočet absolutní viskozity (sání) nebo kinematické viskozity (gravitace).
Test rotačního viskozimetru
Klíčovým rysem rotačního viskozimetru je rotační zařízení, nazývané vřeteno, které je ponořeno do testovací tekutiny. Krouticí moment na rotujícím hřídeli se pak používá k měření odporu tekutiny vůči proudění.
Rotační viskozimetr vypočítává absolutní viskozitu kapaliny, protože toto měření nezahrnuje gravitaci, ale je funkcí smykového napětí v kapalině. Běžná varianta tohoto viskozimetru se nazývá Brookfieldův viskozimetr.
Stabingerův viskozimetr je upravená verze rotačního viskozimetru. Využívá vylepšené nezávislé plovoucí vřeteno, které je řízeno elektromagnetickou silou pro vytváření rotace v kapalině. To je výhodné, protože odpadá obtížný úkol zohledňovat ložiskové tření přídavného motoru s hlavním hřídelem.
Testování padající koule a padajícího pístu viskozimetrem
Méně obvyklé alternativy pro měření viskozity zahrnují viskozimetry s padající kuličkou a klesajícím pístem. Při těchto testech se kulička nebo píst vhodí do kapaliny a měří se čas mezi jedním označeným bodem a druhým označeným bodem. Aby bylo možné vypočítat viskozitu ze Stokesova zákona, musí být známa známá koncová rychlost, rozměry a hustota koule nebo pístu.
Jiné zkušební metody
V určitých situacích, které nejsou běžně pozorovány při testování viskozity oleje, lze použít bublinkovou metodu. Tento test obvykle zahrnuje měření času, za který bublina stoupne o určitou vzdálenost. Tato doba měření pak může být úměrně vztažena k viskozitě kapaliny. Další varianta zahrnuje měření odolnosti sondy vůči vibracím.
Typy viskozimetrů
Ačkoli existuje několik metod pro stanovení viskozity, většina viskozimetrů se prodává komerčně tak, aby nejlépe vyhovovaly jejich zamýšlenému použití. Níže je uveden seznam těchto kategorií viskozimetrů.
Přenosný viskozimetr
Jak již název napovídá, přenosné viskozimetry jsou vhodné pro použití všude tam, kde je laboratorní prostředí nepraktické. V mnoha aplikacích v terénu a v terénu potřebují viskozimetry poskytovat rychlé a přibližné hodnoty viskozity, které často vyžadují další analýzu.
Malý polní viskozimetr
Pro přesnější měření viskozity jsou malé polní viskozimetry vhodné pro laboratorní nastavení, ale jsou cenově dostupné. Mezi takové viskozimetry patří typ U-trubice nebo viskozimetr Brookfield.
Kompletní servis viskozimetr
Pro dosažení nejvyšší přesnosti při testování viskozity je nutné použít viskozimetr s kompletním servisem. Tato zařízení jsou často schopna automaticky testovat kinematickou a absolutní viskozitu v širokém teplotním rozsahu a poskytují výpočty hustoty a specifické hmotnosti. Společným problémem, kterému čelí laboratoře pro analýzu olejů, které vyžadují vícenásobné testy na vzorcích, je schopnost provádět tyto testy s co nejmenším počtem vzorků.
Některé ze sofistikovanějších full-service viskozimetrů mohou provádět přesná měření s objemy vzorků menšími než 0,1 ml, s opakovatelností v rozmezí 0,1 %. Ve velkých laboratořích testujících stovky vzorků denně je to nezbytnou výhodou full-service viskozimetru.
Online/online viskozimetr
Zatímco většina testů viskozity oleje se provádí po získání uzavřeného vzorku, některé viskozimetry mohou poskytovat kontinuální měření viskozity v aktivních průtokových potrubích. To se obvykle provádí pomocí snímačů nebo převodníků buď přímo v řadě (část potrubí) nebo v řadě (obtok nebo snímač). Provede se měření viskozity a poté se odešle jako elektronický signál do počítače nebo jiného monitorovacího zařízení.
Faktory ovlivňující měření viskozity
Ačkoli se viskozita kapaliny zdá být snadno analyzovatelná, přesné měření takových kapalin může být obtížným úkolem. Aby bylo měření platné, je třeba znát několik faktorů a udržovat je konstantní, včetně:
teplota
Pokud jde o důležitost, poměr teploty k viskozitě je jako poměr viskozity k základnímu oleji. Jedinou odpovědností lázně s řízením teploty je zajistit, aby celý experiment měření viskozity byl udržován na přesné teplotě (obvykle 40 nebo 100 stupňů Celsia) a v rozmezí 0,02 stupně Celsia. Řízení lázně v tomto rozsahu může být náročné, a proto sofistikovanější viskozimetry obsahují jako součást jednotky i systém lázně s řízenou teplotou.
viskozimetrické sklo
Přesnost kapilárního viskozimetru závisí nejen na teplotě, ale také na přesném vnitřním průměru trubice. Z tohoto důvodu jsou tyto skleněné trubice vyrobeny z plně žíhaného nízkoexpanzního borosilikátového skla a často se dodávají s konstantou viskozimetru spojenou s trubicí jako korekčním faktorem. Je běžnou praxí každoročně rekalibrovat konstanty viskozimetru na základě teplot, při kterých bude používán, aby se zajistilo co nejmenší chyby.
Velikost viskozimetru
Velikosti viskozimetrů se liší v důsledku širokého rozsahu viskozit, které lze testovat. Doporučuje se, aby viskozimetru trvalo alespoň 200 sekund (pro ruční měření pomocí stopek), než prošel testovací kapalinou z jednoho označeného bodu do druhého, aby se předešlo lidské chybě.
Mezi měřeními opláchněte
Dalším důležitým faktorem testování viskozimetru je kvalita proplachování ve zkumavce mezi měřeními. Typicky se pro fáze čištění, oplachování a sušení používají různá rozpouštědla bez zbytků. V laboratořích, které nepřetržitě odebírají vzorky na velkoobjemových viskozimetrech, zajišťuje účinnost čištění vestavěný čisticí systém. Přesto je nutná vizuální kontrola, aby se zjistilo, zda je nutný druhý proplachovací cyklus, zejména u použitého oleje.
Mezi další důležité faktory, které mohou ovlivnit měření viskozity, patří metoda a přesnost časovacího zařízení, správná manipulace se vzorky a hloubková a průběžná kontrola kvality.
V průběhu let se měření viskozity vyvíjelo různými styly a metodami. Ke cti ASTM a Mezinárodní organizace pro standardizaci (ISO) byly také vyvinuty testovací metody, postupy, kalibrace, čištění a další faktory viskozimetrů, aby byla zajištěna přesnost a konzistence mezi různými viskozimetry.
Koneckonců, viskozita je nejdůležitější fyzikální vlastností základového oleje a úsilí o měření viskozity pečlivými metodami a přísnými normami se může rovnat spolehlivějšímu mazání stroje a v konečném důsledku delší životnosti stroje.
