آخرین ویرایش: 1397.1.21/ ساعت 14.30
اولین سوالی که با خواندن واژه "ویسکومتر" در ذهن ایجاد می‌شود، آن است که واژه ویسکوزیته که در این اصطلاح استفاده شده است، به چه معناست؟ ویسکوزیته بخش اصلی ویسکومتر را تشکیل می‌دهد و با نام گرانروی نیز شناخته می‌شود. ویسکوزیته یک مایع، اندازه‌گیری مقاومت مایع به تغییر شکل تدریجی است که به واسطه تنش‌های برشی و یا تنش‌های کششی ایجاد می‌گردد. در مایعات، ویسکوزیته به معنای غیر رسمی "غلظت" نیز شناخته می‌شود. برای مثال، ماده‌ای مانند عسل، ویسکوزیته بالاتری نسبت به آب دارد.
ویسکومترها (ویسکوزیمتر)، برای اندازه گیری ویسکوزیته مایعات طراحی شده‌اند. اندازه‌گیری ویسکوزیته مایعاتی که جریان دارند و در نتیجه ویسکوزیته متفاوتی خواهند داشت، به واسطه رئومتر انجام می‌گیرد.
در این مقاله تلاش شده است، اطلاعات مفیدی در زمینه انواع ویسکومترها، شرایط نگهداری و تعمیر ویسکومترها، شرایط محیطی نصب و راه اندازی ویسکومترها، ارائه شود.
1. ویسکومتر چیست
در حالت کلی در یک ویسکومتر دو حالت وجود دارد:
یا مایع ویسکوز ساکن است و یک شی جانبی در داخل آن(ابزار اندازه گیری ویسکوزیته) حرکت می کند و یا وسیله اندازه گیری ویسکوزیته ساکن بوده و سیال ویسکوز حرکت می کند.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 به حدی کوچک باشد که بتوان جریان را آرام فرض نمود.
در دمای 20 درجه سلسیوس ویسکوزیته آب1.002mpa.s است و ویسکوزیته جنبشی آن (نسبت ویسکوزیته با دانسیته) برابر با 1.0038mm2/s است لازم به ذکر است مقادیر فوق جهت کالیبراسیون ویسکومتر ها به کار می رود.
2. انواع ویسکومترها
2.1: ویسکومترهای U شکل (U-tube viscometers)
این نوع ویسکومتر ها بیشتر به افتخار ویلیام استوالد(Wilhelm Ostwald) با عنوان ویسکومتر استوالد(Ostwald viscometers)شناخته می شوند که به ویسکومتر های شیشه ای مویین هم مشهوراند.از انواع دیگر می توان به ویسکومتر های آبلهود(Ubbelohde viscometer) اشاره نمود.این نوع ویسکومتر اساسا از یگ لوله شیشه ای U شکل که بصورت عمودی و در یک حمام کنترل دما قرار دارد تشکیل شده است.در یک سمت این لوله یک مقطع عمودی با قطر باریک که دقیقا اندازه گیری شده است قرار دارد(یک لوله موئین با قطر مشخص).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 و 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 نشان با ویسکوزیته جنبشی متناسب است.اکثر واحد های تجاری یک فاکتور تبدیل برای این مورد تهیه می کنند که با یک مایع با مشخصات کاملا معین(مثلا آب مقطر) کالیبره می شود.
زمان مورد نیاز برای انتقال کل سیال مورد آزمایش از محفظه بالایی به پایینی که بین دو شاخص محفظه بالایی قرار گرفته است به دقت اندازه گرفته می شود با ضرب زمان بدست آمده به ضریب تبدیل ویسکومتر ویسکوزیته جنبشی سیال محاسبه می شود. به دلیل تاثیر دما در ویسکوزیته سیل این ویسکومتر ها اغلب در یک دمای ثابت و در داخل یک حمام آب قرار می گیرند. اینگونه ویسکومتر ها اغلب بصورت ویسکومتر هایی با جریان مستقیم و یا معکوس رده بندی می شوند.
ویسکومتر های جریان معکوس دارای یک مخزن در قسمت بالای نشانه ها هستند ولی در ویسکومتر 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 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 غیر ممکن 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.
2.2: ویسکومترهای سقوطی (Falling sphere viscometers)
قانون استوکس (Stokes' law) اساس ویسکومتر های سقوطی را تشکیل می دهد.در صورتی که سیال بصورت استاتیک در داخل یک لوله عمودی شیشه ای قرار دارد اجازه می دهیم یک شار فلزی کوچک که اندازه و دانسیته آن مشخص است در داخل سیال سقوط کند .اگر شما بتوانید سرعت سقوط شار ( مدت زمان لازم برای عبور شار از میان دو شاخص) را به درستی ثبت نمایید(برای راحتی کار و دقت بالا می توان از حسگر های الکترونیکی برای این کار استفاده نمود). با در دست داشتن سرعت شار،اندازه و دانسیته شار و دانسیته سیال مورد نظر می توان از قانون استوکس برای محاسبه ویسکوزیته سیال استفاده نمود.یک سری از گلوله های فلزی با اندازه ها متفاوت جهت بالا بردن دقت محاسبات باید به کار گرفته شوند.در آزمایش ها معمولا از گلیسیرین به عنوان سیال استفاده می شود که دانشجویان با استفاده از تکنیک مذکور ویسکوریته آن را محاسبه می کنند ولی می توان از انواع روغن ها و یا مواد پلیمری برای این منظور استفاده نمود.
2.3: ویسکومترهای لرزشی (Vibrational viscometers)
مبنای کار ویسکومتر های لرزشی اندازه گیری مقدار کاهش نوسانات الکترومغناطیسی لرزاننده هنگام لرزش در داخل سیال مورد آزمایش است.لرزاننده معمولا بصورت دورانی(بوسیله یک سگدست متصل به یک موتور الکتریکی) یا ارتعاشی(بصورت دیاپازونی) کار می کنند .هر قدر ویسکوزیته سیال بالا باشد به همان میزان هم میزان افت لرزش های ایجاد شده توسط لرزاننده بیشتر خواهد بود.
میزان کاهش ارتعاشات لرزاننده می تواند با یکی از روش های زیر اندازه گرفته شود:
1. 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 ویسکوزیته بالا انرژی بیشتری جهت ثابت ماندن دامنه ارتعاشی نوسانگر باید مصرف شود.
2. 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 ویسکوزیته سیال متناسب است و هر اندازه ویسکوزیته بالا باشد مدت زمان لازم جهت توقف نوسانگر نیز کمتر خواهد بود.
3. اندازه گیری فرکانس نوسانگر بصورت تابعی از کنش وارد شده به سیال و واکنش سیال نسبت به آن که در این روش هم سیالاتی با ویسکوزیته بالا به نسبت تغییر فرکانس بیشتری هنگام تغییر فاز از خود نشان می دهند.
نتیجه ارائه شده توسط دستگاه های سنجش ویسکوزیته با روش ارتعاشی به دلیل عدم اندازه گیری تنش سطحی(shear field) جهت اندازه گیری ویسکوزیته سیالاتی که رفتار جریانی آن برای کاربر نامشخص است نمی تواند قابل اطمینان باشد.
ویسکومتر های لرزشی برای اندازه گیری ویسکوزیته درطی فرآیندهای صنعتی به کار می رود.
در اینگونه ویسکومتر ها سنسوربه 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 1000pa.s) کاربرد دارد.در حال حاظر به دلیل کارایی بالای این ویسکومتر ها صنایع توجه خود را معطوف استفاده بهینه از اینگونه ویسکومتر 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 ویسکوزیته انواع مواد مختلف بخصوص سیالات اسیدی را با این نوع اندازه گرفت به شرط آنکه :یا سیال را در داخل یک پوشش خاص قرار داد و یا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسید ساخت که می توان به 316L, SUS316, Hastelloy, or enamel اشاره کرد.
2.4: ویسکومترهای دورانی (Rotation viscometers)
اینگونه ویسکومتر ها بر ایده 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 ویسکوزیته سیال باشد.
به عنوان مثال ویسکومتر های بروکفیلد (Brookfield-type) بر مبنای اندازه گیری مقدار گشتاور لازم جهت چرخش یک دیسک با سرعتی مشخص در داخل سیال کار می کنند.
در ویسکومتر هایCup and bob 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 ویسکومتر ها 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.دوران 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.
2.5: ویسکومترهای استابینگر (Stabinger Viscometer)
با تغییر ویسکومتر های نوع چرخشی (Couette rotational viscometer) و ساخت این نوع ویسکومتر ها به دقت بسیار بالایی در اندازه گیری ویسکوزیته جنبشی سیال می توان دست یافت.سیلندر داخلی ویسکومتر های استابینگر (Stabinger Viscometer) گود تر 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 العاده50pN.m و دامنه وسیع سنجش0.2 to 20,000 mPa•s را برای این نمونه امکان پذیر نموده است.
قابل ذکر است که این نوع ویسکومتر برای اولین بار توسط Anton Paar GmbH در سال 2000 معرفی گردید که این ویسکومتر به افتخار دکتر استابینگر (Dr. Hans Stabinger.) به این نام نامیده شد.
3. نگهداری و تعمیر ویسکوزیمتر:
1. از کار در مکان هایی که نوسانات برق وجود دارد بپرهیزید.
2. آب و مواد مرطوب روي دستگاه ریخته نشود.
3. به دستگاه ضربه زده نشود.
4. با ولتاژ كم روشن شود.
5. از اتصال كوتاه مداوم خروجي جلوگیري شود.
6. پس از اتمام کار کلید دستگاه را بر روی OFF قرار داده و کابل برق را قطع نمایید.
4. شرایط محیطی نصب و راه اندازی
آزمون تحویل دهی
ابتدا ویسکوزیمتر استوالد با سولفوکرومیک اسید شست و شو داده شد. سپس با آب مقطر آبکشی آن انجام گرفت. سپس به طور قائم داخل حمام آب گرم قرار داده شد. درون ویسکوزیمتر به اندازه ای که تا نیمه حباب بزرگ پر شود آب مقطر ریخته شد. در دمای محیط)58درجه سانتی گراد( ، به کمک پیپت یا مکیدن آب را به لوله ای که دارای دو حباب کوچک است به باال کشیده شد. آب تا باالترین عالمت کشیده شد و سپس هم زمان با رها کردن مکش و عبور از خط مشخص شده، کرنومتر به کار انداخته شد. سپس زمان در هنگام عبور از عالمت دوم متوقف شد. زمان در جدول داده ها ثبت گردید. این آزمایش چهار مرتبه انجام شد و برای دو دمای 68 و 78 درجه سانتی گراد نیز انجام و یادداشت گردید.
5. انواع ویسکومترهای ارائه شده در شرکت ویتا طب کوشا
شما می توانید با ورود به بخش تجهیزات آزمایشگاهی، فروشگاه ویسکومتر و فروشگاه رئومتر، با انواع ویسکومترها و رئومترها آشنا شوید. در زیر، لیست تعدادی از ویسکومترهای پرفروش ارائه شده است.