Zes Bewezen Methodes om Vloeistofvicositeit Accuraat te Meten

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

Essentieel aangeeft viscositeit de weerstand van een vloeistof tegen deformatie door afschuif- of trekkspanningen. Met andere woorden, deze eigenschap beschrijft de wrijving tussen de vloeistofmoleculen die tegenovergestelde relatieve beweging veroorzaakt tussen vloeistoffagen die met verschillende snelheden bewegen. Viscositeit kan een aanwijzing zijn over hoe een vloeistof zich zal gedragen onder een toegepaste kracht of eigen gewicht.

Hoezie viskeuzer een vloeistof is, hoe "dunner" het lijkt te zijn. Bijvoorbeeld, olie of vet hebben hogere viscositeiten dan water en lijken dus dikker.

Olie, coating, verf en lijmfabrikanten worden vaak getaakt met het bepalen van de optimale viscositeit van hun producten voor specifieke toepassingen. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Dienstvereisten & Omgevingsfactoren voor Coatings.)

Lage viscositeit vloeistoffen neigen ertoe gemakkelijker te vloeien. Daarom kan een coating met een te lage viscositeit lopen en zakken. Aan de andere kant kan een coating met een te hoge viscositeit "stijf" en moeilijk toe te passen zijn.

In dit artikel kijken we naar het verschil tussen dynamische en kinematische viscositeiten alsook de diverse methodes waarmee ze gemeten worden.

Dynamische Viscositeit

Dynamische viscositeit, ook wel absolute viscositeit genoemd, is de weerstand van een vloeistof tegen afschuifstroom door een toegepaste externe kracht. Het beschrijft de hoeveelheid interne weerstand die geboden wordt wanneer één laag van de vloeistof over een andere laag in een horizontaal vlak beweegt.

Dynamische viscositeit is met name nuttig bij het beschrijven van niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

Wiskundig kan dynamische viscositeit worden uitgedrukt als:

μ = τ dy / dc = τ/γ

Waarbij:

τ = afschuifspanning in vloeistof (N/m²).
μ = dynamische viscositeit van vloeistof (N s/m²).
dc = eenheidssnelheid (m/s).
dy = eenheidsafstand tussen lagen (m).
γ = dc / dy = afschuifsnelheid (s^-1).

De SI-eenheid voor dynamische viscositeit is N s/m² of de Pascal-seconde (Pa s). Een andere meeteenheid voor dynamische viscositeit is poise (p), waar één poise gelijk is aan één-tiende N s/m² of 1/10 Pa s.

De poise-eenheid kan soms te groot zijn voor praktische doeleinden. Om die reden wordt de centipoise (cP) eenheid vaak in zijn plaats gebruikt. In de centipoise-eenheid is één cP gelijk aan 0,01P, 0,001 N s/m² of 0,001 Pa s.

Kinematische Viscositeit

Kinematische viscositeit is simpelweg de verhouding van de dynamische viscositeit tot de dichtheid van de vloeistof. Het weerspiegelt de weerstand van een vloeistof tegen afschuifstroom onder de invloed van zwaartekracht, d.w.z. afschuifstroom door het eigen gewicht van de vloeistof.

Deze viscositeit is met name nuttig bij het beschrijven van Newtoniaanse vloeistoffen. Wiskundig kan kinematische viscositeit worden uitgedrukt als:

ν = μ / ρ

Waarbij:

ν = kinematische viscositeit (m²/s).
μ = absolute of dynamische viscositeit (N s/m²).
ρ = dichtheid (kg/m³).

De SI-eenheid voor dynamische viscositeit is m²/s. Een andere meeteenheid voor deze eigenschap is Stoke (St), waar één St gelijk is aan 10^-4 m²/s gelijk aan 1 cm²/s.

Waar de viscositeitswaarde in Stoke te groot is, wordt de kleinere eenheid centistoke (cSt) vaak in zijn plaats gebruikt. In de centistoke is één cSt gelijk aan 10^-6 m²/s = 1 mm²/s.

Hoe Wordt Viscositeit Gemeten?

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

1. Viscositeitsbekers

Viscositeitsbekers worden gebruikt om de kinematische viscositeit van een vloeistof te bepalen en zijn doorgaans gemaakt van geanodiseerd aluminium met een roestvrije staal opening. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Aluminium Corrosie Begrijpen.)

Deze relatief eenvoudige test omvat het plaatsen van de vloeistof in een container met een kleine opening aan de bodem. De vloeistof mag door de opening vloeien in een precies bedrag. De tijd die het duurt voor de vloeistof om door de opening te passeren, wordt gemeten en gecorreleerd aan viscositeit door het gebruik van tabellen die voor de gegeven beker worden geleverd.

Viscositeitsbekers worden typisch gebruikt voor het meten van de consistentie van verven, vernissen en vergelijkbare producten. Een tabel wordt dan gebruikt om effluxtijd (in seconden) om te zetten naar viscositeit in centistokes (cSt).

Ford en Zahn bekers zijn enkele van de meest gebruikte viscositeitsbeker variëteiten. Elke bekerontwerp is uniek; dus moet voorzichtig zijn bij het vergelijken van viscositeitswaarden tussen verschillende bekertypes. De waarden die een viscositeitsbeker geeft, is een absolute waarde en omvat niet de toegestane toleranties — aangezien deze aanzienlijk verschillen tussen elk van de standaarden.

2. Trillingsviscosimeters

Trillingsviscosimeters werken door een oscillerende electromechanische resonator in de testvloeistof te dompelen en de mate van demping die de vloeistof biedt te meten. De resonator oscilleert doorgaans ofwel torsioneel ofwel transversaal en de demping kan worden bepaald door:

Het vastleggen van de benodigde vermogensinvoer om het toestel te laten trillen met een constante amplitude.
Het meten van de tijdsverval van de oscillatie na het uitschakelen van de trilling.
Het meten van de frequentie van de resonator ten opzichte van variërende fasehoeken.

(Voor meer over dit onderwerp, zie: Corrosie en Elektrische Interferentie in Begraven Metallische Structuren.)

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

3. Rotatieviscosimeters

Rotatieviscosimeters werken door het moment te meten dat nodig is om een object in de testvloeistof te roteren. Hier is hoe het proces verloopt:

Eén van de oppervlakken is stationair.
Het maatoppervlak wordt gedraaid door een externe aandrijving.
Vloeistof vult de ruimte tussen de oppervlakken. Het moment dat nodig is om een schijf of bob bij een vooraf bepaalde snelheid te roteren, wordt gemeten en vastgelegd.

Het moment dat de ingestelde snelheid handhaaft, is recht evenredig met de viscositeit; daarom is het toestel in staat om viscositeit, afschuifspanning en afschuifsnelheid waarden uit te geven. Omdat een externe afschuifkracht wordt toegepast op de vloeistof, meten rotatieviscosimeters de dynamische viscositeit van een vloeistof.

Bekers, bobs, kegels en platen zijn alle typen rotatieviscosimeters. Beker en bob viscosimeters bestaan uit coaxiale cilinders van verschillende diameters. Een volume van een monster dat geschaard moet worden, wordt opgeslagen in een testcel; het moment dat nodig is om een bepaalde rotatiesnelheid te bereiken, wordt gemeten en uitgezet.

Keegel en plaat viscosimeters hebben een nauwkeurige momentmeter die wordt aangedreven als discrete rotatiesnelheid. Het gebruikt een smalle hoek kegel in nabijheid van een vlakke plaat. De viscositeit wordt berekend uit afschuifspanning en afschuifsnelheid. (Voor meer over dit onderwerp, zie: De Effecten van Corrosie op het Afschuifgedrag van Materialen.)

4. Capillair Viscosimeters

De capillair viscosimeter is een van de vroegst bekende methodes om vloeistofvicositeit te bepalen.

Deze methode meet de tijd die nodig is voor een gedefinieerd volume vloeistof om door een U-vormige capillair buis van bekende diameter en lengte te vloeien. De buis heeft meestal twee merken — een boven- en een ondermerk — die als meetreferentie worden gebruikt. De tijd die het duurt voor de vloeistof om voorbij deze merken te vloeien, is evenredig met de kinematische viscositeit; vandaar kan de viscositeit worden bepaald met standaardformules.

Capillair viscosimeters omvatten de Ostwald en Ubbelohde viscosimeters. Beide zijn U-vormige instrumenten, hebben twee glazen bollen en gebruiken capillair buizen. (Voor meer over hoe glas corrosie kan voorkomen, zie: Een Kijk op Corrosiebarrière Linnings voor Interne Corrosiebescherming.)

Een groot voordeel van de Ubbelohde viscosimeter is dat de waarden die het verkrijgt, 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 lage tot matige viscositeit vloeistoffen, terwijl de Ubbelohde viscosimeter geschikt is voor het meten van hoge viscositeit vloeistoffen.

5. Vallende Bal Viscosimeters

De vallende bal viscosimeter wordt gebruikt om de dynamische viscositeit van transparante Newtoniaanse vloeistoffen te bepalen.

Het concept omvat het meten van de tijd die het duurt voor een bal van bekende dichtheid te vallen door een monster-gevulde buis onder zwaartekracht. De buis is meestal gemonteerd op een toestel dat snel 180 graden kan roteren om herhaalde testen toe te laten. De gemiddelde tijd van drie testen wordt vastgelegd en gebruikt in een omzettingsformule om de viscositeit van het monster te bepalen.

Vallende bal viscosimeters worden gebruikt voor kwaliteitscontrole in diverse industrieën alsook in academische instellingen om wetenschappelijke methode te illustreren. De gebruiksgemak en eenvoudige methode voor het registreren van tijdmetingen zorgen voor betekenisvolle testresultaten.

6. Consistentometers

Een consistentometer is een toestel bestaande uit een metalen goot met een klein afgebakend gedeelte achter een veer-ggeladen poort. Hier is hoe het werkt:

Het te testen monster wordt achter de veer-ggeladen poort geplaatst.
De poort wordt getild, zodat het monster vrij onder eigen gewicht kan vloeien.
De afstand die de vloeistof vloeit in een specifieke tijd wordt gemeten via de toestel's gradaties.

De consistentometer meet zelf geen viscositeitswaarden direct; het stelt gebruikers in staat om hun eigen standaarden te ontwikkelen specifiek voor de geteste producten. Deze methode is populairder in de voedingsmiddelenindustrie en wordt typisch gebruikt om de viscositeit van producten te meten zoals ketchup, mayonaise, bewaarmiddelen, vulsel, soepen, babyvoeding en saladedressings. (Voor meer over de voedingsmiddelenindustrie, zie: De Corrosie-eigenschappen van Aluminium en Zijn Legeringen.)

Factoren die Viscositeit Beïnvloeden

Er zijn diverse factoren waarop vloeistofvicositeit afhangt. Deze zijn:

Vloeistof Temperatuur. Gewoonlijk neemt een vloeistof's viscositeit af met een toename in temperatuur. Echter, een gas's viscositeit neemt meestal toe met een toename in temperatuur.
Stroomcondities. Voor laminar stroom blijft een vloeistof's viscositeit constant; terwijl voor turbulente stroom viscositeit verandert.
Druk. Wanneer druk toeneemt, zal een gas's viscositeit meestal toenemen. Voor vloeistoffen, omdat ze oncomprimeerbaar zijn, heeft druk niet veel impact.
Multifase Stroom. De viscositeit van multifase stroom wordt gewijzigd door het volume van elke fase.
Opgeschorte Deeltjes.Opgeschorte materialen resulteren in toename van de viscositeit.

Newton's Wet van Viscositeit

De relatie tussen een vloeistof's afschuifspanning en afschuifsnelheid onder mechanische spanning wordt geregeld door Newton's wet van viscositeit.

Newton's viscositeitswet stelt dat, voor een gegeven temperatuur en druk, de afschuifspanning tussen twee aangrenzende lagen in een vloeistof evenredig is met de snelheidsgradienten tussen die lagen. Anders gezegd, de verhouding van afschuifspanning tot afschuifsnelheid in een vloeistof is een constante en is de viscositeitscoëfficiënt.

Echter, Newton's wet van viscositeit geldt alleen voor Newtoniaanse vloeistoffen. Niet-Newtoniaanse vloeistoffen volgen Newton's wet van viscositeit niet; en daardoor verandert hun viscositeit en hangt af van de afschuifsnelheid.

Conclusie

Viscositeit is een belangrijke vloeistofeigenschap die essentieel is voor een aantal verschillende producten in diverse industrieën.

Dynamische en kinematische viscositeiten beschrijven verschillende eigenschappen en kunnen zeer verschillende resultaten produceren bij het testen van vloeistoffen. Het is daarom belangrijk om het verschil tussen viscositeitstypen te begrijpen en de juiste testmechanismen te nemen voor het monster in kwestie.

Surrey-team Breek Rekord met Ultra-dunne, Hoek-onafhankelijke Zonnepanelen Zes Bewezen Manieren om Corrosie Falingsanalyse Frustratie te Elimineren

Samengesteld materiaal

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal