6 manieren om vloeistofviscositeit te meten

Viscositeit is een van de meest essentiële fysische eigenschappen van industriële vloeistoffen, zoals coatings, verven en lijmen.

In wezen geeft viscositeit de weerstand van een vloeistof aan tegen vervorming door schuif- of trekspanningen. Met andere woorden, deze eigenschap beschrijft de wrijving tussen de vloeistofmoleculen die een tegengestelde relatieve beweging veroorzaken tussen vloeistoflagen die met verschillende snelheden bewegen. Viscositeit kan een aanwijzing zijn over hoe een vloeistof zich zal gedragen onder een uitgeoefende kracht of zijn eigen gewicht.

Hoe stroperiger een vloeistof is, hoe "dikker" deze lijkt te zijn. Olie of vet hebben bijvoorbeeld een hogere viscositeit dan water en lijken daarom dikker.

Fabrikanten van olie, coatings, verf en lijm hebben vaak de taak om de optimale viscositeit van hun producten voor specifieke toepassingen te bepalen. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie: Servicevereisten en omgevingsfactoren voor coatings .)

Vloeistoffen met een lage viscositeit hebben de neiging gemakkelijker te stromen. Daarom kan het hebben van een coating met een te lage viscositeit leiden tot uitlopen en uitzakken. Aan de andere kant kan een coating met een te hoge viscositeit "stijf" en moeilijk aan te brengen zijn.

In dit artikel zullen we kijken naar het verschil tussen dynamische en kinematische viscositeiten en naar de verschillende methoden waarmee ze worden gemeten.

Dynamische viscositeit

Dynamische viscositeit, ook bekend als absolute viscositeit, is de weerstand van een vloeistof tegen afschuifstroming als gevolg van een uitgeoefende externe kracht. Het beschrijft de hoeveelheid interne weerstand die wordt geboden wanneer een laag van de vloeistof over een andere laag in een horizontaal vlak beweegt.

Dynamische viscositeit is vooral handig bij het beschrijven van niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

Wiskundig kan dynamische viscositeit worden uitgedrukt als:

μ =τ dy / dc =τ/γ

Waar:

• τ =schuifspanning in vloeistof (N/m ² ).
• μ =dynamische viscositeit van vloeistof (N s/m ² ).
• dc =eenheidssnelheid (m/s).
• dy =eenheidsafstand tussen lagen (m).
• γ =dc / dy =afschuifsnelheid (s ^-1 ).

De SI-eenheid voor dynamische viscositeit is N s/m ² of de Pascal-seconde (Pa s). Een andere meeteenheid voor dynamische viscositeit is poise (p), waarbij één poise gelijk is aan een tiende N s/m ² of 1/10 Pa s.

De poise-eenheid kan soms te groot zijn voor praktische doeleinden. Om deze reden wordt de centipoise (cP) -eenheid vaak op zijn plaats gebruikt. In de centipoise-eenheid is één cP gelijk aan 0,01P, 0,001 N s/m ² of 0,001 Pa s.

Kinematische viscositeit

Kinematische viscositeit is eenvoudigweg de verhouding van de dynamische viscositeit tot de dichtheid van de vloeistof. Het weerspiegelt de weerstand van een vloeistof tegen afschuifstroming onder invloed van de zwaartekracht, d.w.z. afschuifstroming als gevolg van het eigen gewicht van de vloeistof.

Deze viscositeit is vooral nuttig bij het beschrijven van Newtonse vloeistoffen. Wiskundig kan de kinematische viscositeit worden uitgedrukt als:

ν =μ / ρ

Waar:

• ν =kinematische viscositeit (m ² /s).
• μ =absolute of dynamische viscositeit (N s/m ² ).
• ρ =dichtheid (kg/m ³ ).

De SI-eenheid voor dynamische viscositeit is m ² /s. Een andere maateenheid voor deze eigenschap is Stoke (St), waarbij één St gelijk is aan 10 ^-4 m ² /s is gelijk aan 1 cm ² /s.

Waar de viscositeitswaarde in Stoke te groot is, wordt hiervoor vaak de kleinere eenheid centistoke (cSt) gebruikt. In de centistoke is één cSt gelijk aan 10 ^-6 m ² /s =1 mm ² /s.

Hoe wordt de viscositeit gemeten?

Er zijn verschillende methoden om zowel dynamische als kinematische viscositeit te meten. Enkele van de meest voorkomende methoden zijn als volgt:

1. Viscositeitsbekers

Viscositeitsbekers worden gebruikt om de kinematische viscositeit van een vloeistof te bepalen en zijn meestal gemaakt van geanodiseerd aluminium met een roestvrijstalen opening. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie: Aluminiumcorrosie begrijpen .)

Deze relatief eenvoudige test omvat het plaatsen van de vloeistof in een container met een kleine opening aan de onderkant. De vloeistof kan in een precieze hoeveelheid door de opening stromen. De tijd die nodig is om de vloeistof door de opening te laten gaan, wordt gemeten en gecorreleerd aan de viscositeit door gebruik te maken van grafieken die voor de betreffende beker zijn meegeleverd.

Viscositeitsbekers worden meestal gebruikt voor het meten van de consistentie van verven, vernissen en soortgelijke producten. Vervolgens wordt een tabel gebruikt om de uitstroomtijd (in seconden) om te rekenen naar de viscositeit in centistokes (cSt).

Ford- en Zahn-bekers zijn enkele van de meest gebruikte viscositeitsbekervariëteiten. Elk bekerontwerp is uniek; dus voorzichtigheid is geboden bij het vergelijken van viscositeitswaarden tussen verschillende bekertypes. De waarden die een viscositeitsbeker geeft, zijn een absolute waarde en omvatten niet de toegestane toleranties, aangezien deze aanzienlijk verschillen tussen elk van de normen.

2. Trillingsviscosimeters

Trillingsviscosimeters werken door een oscillerende elektromechanische resonator in de testvloeistof onder te dompelen en de mate van demping van de vloeistof te meten. De resonator oscilleert in het algemeen torsie of dwars en de demping kan worden bepaald door:

• Het opnemen van het benodigde vermogen om het apparaat met een constante amplitude te laten trillen.
• Het meten van het tijdsverval van de oscillatie nadat de vibratie is uitgeschakeld.
• Meten van de frequentie van de resonator met betrekking tot verschillende fasehoeken.

De kwartsviscosimeter is een voorbeeld van een vibratieviscosimeter. Bij deze methode wordt een oscillerend kwartskristal ondergedompeld in een vloeistof en de specifieke invloed op het oscillatiegedrag bepaalt de viscositeit. Een elektrisch veld dat op de oscillator wordt aangelegd, zorgt ervoor dat de sensor beweegt en resulteert in het afschuiven van de vloeistof. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie: Corrosie en elektrische interferentie in begraven metalen constructies .)

De beweging van de sensor wordt dan beïnvloed door de externe krachten (de schuifspanning) van de vloeistof, wat de elektrische respons van de sensor beïnvloedt.

3. Rotatieviscosimeters

Rotatieviscosimeters werken door het meten van het koppel dat nodig is om een ​​object in de testvloeistof te roteren. Zo verloopt het proces:

1. Een van de oppervlakken is stationair.
2. Het pasvlak wordt gedraaid door een externe schijf.
3. Vloeistof vult de ruimte tussen de oppervlakken. Het koppel dat nodig is om een ​​schijf of bob met een vooraf bepaalde snelheid te laten draaien, wordt gemeten en geregistreerd.

Het koppel dat de ingestelde snelheid handhaaft, is recht evenredig met de viscositeit; daarom is het apparaat in staat om waarden voor viscositeit, afschuifspanning en afschuifsnelheid uit te voeren. Omdat er een externe schuifkracht op de vloeistof wordt uitgeoefend, meten rotatieviscosimeters de dynamische viscositeit van een vloeistof.

Kopjes, bobs, kegels en platen zijn alle soorten roterende viscosimeters. Cup- en bob-viscosimeters bestaan ​​uit coaxiale cilinders met verschillende diameters. Een volume van een te snijden monster wordt opgeslagen in een testcel; het koppel dat nodig is om een ​​bepaald toerental te bereiken wordt gemeten en uitgezet.

Kegel- en plaatviscosimeters hebben een nauwkeurige koppelmeter die wordt aangedreven als discrete rotatiesnelheid. Het maakt gebruik van een kegel met een smalle hoek in de nabijheid van een vlakke plaat. De viscositeit wordt berekend uit afschuifspanning en afschuifsnelheid. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie: De effecten van corrosie op het schuifgedrag van materialen .)

4. Capillaire viscositeitsmeters

De capillaire viscositeitsmeter is een van de vroegst bekende methoden om de viscositeit van vloeistoffen te bepalen.

Deze methode meet de tijd die een bepaald vloeistofvolume nodig heeft om door een U-vormige capillaire buis met bekende diameter en lengte te stromen. De buis heeft meestal twee markeringen - een bovenste en een onderste markering - die worden gebruikt als meetreferentie. De tijd die de vloeistof nodig heeft om langs deze markeringen te stromen, is evenredig met de kinematische viscositeit; vandaar dat de viscositeit kan worden bepaald met behulp van standaardformules.

Capillaire viscosimeters omvatten de Ostwald- en Ubbelohde-viscosimeters. Beide zijn U-vormige instrumenten, hebben twee glazen bollen en gebruiken capillaire buisjes. (Voor meer informatie over hoe glas corrosie kan voorkomen, zie: Een blik op corrosiewerende voeringen voor interne corrosiebescherming .)

Een groot voordeel van de Ubbelohde-viscosimeter is echter dat de verkregen waarden onafhankelijk zijn van het totale volume van de gebruikte vloeistof. Het belangrijkste verschil tussen Ostwald- en Ubbelohde-viscosimeters is dat de Ostwald-viscosimeter geschikt is voor het meten van vloeistoffen met een lage tot matige viscositeit, terwijl de Ubbelohde-viscosimeter geschikt is voor het meten van vloeistoffen met een hoge viscositeit.

5. Viscometers met vallende bol

De vallende bol-viscosimeter wordt gebruikt om de dynamische viscositeit van transparante Newtonse vloeistof te bepalen.

Het concept omvat het meten van de tijd die een bol met bekende dichtheid nodig heeft om onder zwaartekracht door een met monster gevulde buis te vallen. De buis is meestal gemonteerd op een apparaat dat snel 180 graden kan draaien om herhaald testen mogelijk te maken. De gemiddelde tijd van drie tests wordt geregistreerd en gebruikt in een conversieformule om de viscositeit van het monster te bepalen.

Viscometers met vallende bol worden gebruikt voor kwaliteitscontrole in verschillende industrieën en in academische instellingen om wetenschappelijke methoden te illustreren. Het gebruiksgemak en de ongecompliceerde methode voor het opnemen van tijdmetingen zorgen voor zinvolle testresultaten.

6. Consistentiemeters

Een consistentometer is een apparaat dat bestaat uit een metalen trog met een klein gedeelte versperd achter een veerbelaste poort. Zo werkt het:

1. Het te testen monster wordt achter de veerbelaste poort geplaatst.
2. De poort wordt opgetild, waardoor het monster onder zijn eigen gewicht vrij kan stromen.
3. De afstand die de vloeistof in een bepaalde tijd stroomt, wordt gemeten via de gradaties van het apparaat.

De consistentometer zelf meet de viscositeitswaarden niet rechtstreeks; in plaats daarvan kunnen gebruikers hun eigen normen ontwikkelen die specifiek zijn voor de producten die worden getest. Deze methode is populairder in de voedingsindustrie en wordt meestal gebruikt om de viscositeit van producten zoals ketchup, mayonaise, conserven, vullingen, soepen, babyvoeding en saladedressings te meten. (Voor meer informatie over de voedingsindustrie, zie: De corrosie-eigenschappen van aluminium en zijn legeringen .)

Factoren die de viscositeit beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren waarvan de vloeistofviscositeit afhangt. Dit zijn:

• Vloeistoftemperatuur. Gewoonlijk neemt de viscositeit van een vloeistof af met een stijging van de temperatuur. De viscositeit van een gas neemt echter gewoonlijk toe met een stijging van de temperatuur.
• Stroomcondities. Voor laminaire stroming blijft de viscositeit van een vloeistof constant; terwijl voor turbulente stroming de viscositeit verandert.
• Druk. Wanneer de druk toeneemt, zal de viscositeit van een gas gewoonlijk toenemen. Voor vloeistoffen, omdat ze onsamendrukbaar zijn, heeft druk niet veel invloed.
• Meerfasige stroom. De viscositeit van een meerfasenstroom wordt veranderd door het volume van elke fase.
• Opgeschorte deeltjes. Gesuspendeerde materialen leiden tot verhoging van de viscositeit.
  
  

Newtons wet van viscositeit

De relatie tussen de afschuifspanning van een vloeistof en de afschuifsnelheid onder mechanische spanning wordt bepaald door de viscositeitswet van Newton.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusie

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.