6 способов измерения вязкости жидкости

Вязкость является одним из наиболее важных физических свойств промышленных жидкостей, таких как покрытия, краски и клеи.

По сути, вязкость указывает на устойчивость жидкости к деформации под действием сдвиговых или растягивающих напряжений. Другими словами, это свойство описывает трение между молекулами жидкости, вызывающее противоположное относительное движение между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями. Вязкость может указывать на поведение жидкости под действием приложенной силы или собственного веса.

Чем более вязкая жидкость, тем «гуще» она кажется. Например, масло или смазка имеют более высокую вязкость, чем вода, и поэтому кажутся более густыми.

Производители масел, покрытий, красок и клеев часто сталкиваются с задачей определения оптимальной вязкости своих продуктов для конкретных применений. (Подробнее по этой теме см.: Требования к обслуживанию и факторы окружающей среды для покрытий .)

Жидкости с низкой вязкостью имеют тенденцию течь легче. Поэтому наличие покрытия со слишком низкой вязкостью может привести к растеканию и провисанию. С другой стороны, покрытие со слишком высокой вязкостью может быть «жестким» и трудным для нанесения.

В этой статье мы рассмотрим разницу между динамической и кинематической вязкостью, а также различные методы их измерения.

Динамическая вязкость

Динамическая вязкость, также известная как абсолютная вязкость, представляет собой сопротивление жидкости сдвиговому течению из-за приложенной внешней силы. Он описывает величину внутреннего сопротивления, возникающего при перемещении одного слоя жидкости над другим слоем в горизонтальной плоскости.

Динамическая вязкость особенно полезна при описании неньютоновских жидкостей.

Математически динамическая вязкость может быть выражена как:

μ =τdy / dc =τ/γ

Где:

• τ =касательное напряжение в жидкости (Н/м ² ).
• μ =динамическая вязкость жидкости (Н·с/м ² ).
• dc =единица скорости (м/с).
• dy =единичное расстояние между слоями (м).
• γ =dc / dy =скорость сдвига (с ^-1 ).

Единица СИ для динамической вязкости – Н·с/м ² . или паскаль-секунда (Pa s). Другой единицей измерения динамической вязкости является пуаз (p), где один пуаз равен одной десятой Н·с/м ² . или 1/10 Па с.

Единица равновесия иногда может быть слишком большой для практических целей. По этой причине вместо нее часто используется единица сантипуаз (сП). В сантипуазах один сП равен 0,01P, 0,001 Н·с/м ² или 0,001 Па с.

Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость — это просто отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Он отражает сопротивление жидкости сдвиговому течению под действием силы тяжести, т. е. сдвиговому течению под действием собственного веса жидкости.

Эта вязкость особенно полезна при описании ньютоновских жидкостей. Математически кинематическая вязкость может быть выражена как:

ν =μ / ρ

Где:

• ν =кинематическая вязкость (м ² /с).
• μ =абсолютная или динамическая вязкость (Н·с/м ² ).
• ρ =плотность (кг/м ³ ).

Единица СИ для динамической вязкости — м ² . /с. Другой единицей измерения этого свойства является стокс (Stoke), где один St равен 10 ^-4 . м ² /с равно 1 см ² /с.

Если значение вязкости в стоках слишком велико, вместо него часто используется меньшая единица сантистокс (сСт). В сантистоксе один сСт равен 10 ^-6 м ² /с =1 мм ² /с.

Как измеряется вязкость?

Существует несколько различных методов измерения как динамической, так и кинематической вязкости. Вот некоторые из наиболее распространенных методов:

1. Чашки для определения вязкости

Вискозиметры используются для определения кинематической вязкости жидкости и обычно изготавливаются из анодированного алюминия с отверстием из нержавеющей стали. (Подробнее по этой теме см.: Понимание коррозии алюминия .)

Этот относительно простой тест включает помещение жидкости в контейнер с небольшим отверстием на дне. Жидкости позволяют протекать через отверстие в точном количестве. Время, необходимое для прохождения жидкости через отверстие, измеряется и коррелируется с вязкостью с помощью диаграмм, поставляемых для данного стакана.

Вискозиметры обычно используются для измерения консистенции красок, лаков и подобных продуктов. Затем таблица используется для преобразования времени истечения (в секундах) в вязкость в сантистоксах (сСт).

Чашки Форда и Зана являются одними из наиболее часто используемых разновидностей вискозиметров. Дизайн каждой чашки уникален; таким образом, необходимо соблюдать осторожность при сравнении значений вязкости между различными типами чашек. Значения, предоставляемые вискозиметром, являются абсолютными значениями и не включают допустимые допуски, поскольку они значительно различаются между каждым из стандартов.

2. Вибрационные вискозиметры

Вибрационные вискозиметры работают, погружая колеблющийся электромеханический резонатор в испытательную жидкость и измеряя степень демпфирования предложения жидкости. Резонатор обычно колеблется либо крутильными, либо поперечными колебаниями, и демпфирование может определяться:

• Запись потребляемой мощности, необходимой для поддержания вибрации устройства с постоянной амплитудой.
• Измерение времени затухания колебаний после отключения вибрации.
• Измерение частоты резонатора по отношению к различным фазовым углам.

Кварцевый вискозиметр является одним из примеров вибрационного вискозиметра. В этом методе колеблющийся кристалл кварца погружается в жидкость, и специфическое влияние на колебательное поведение определяет вязкость. Электрическое поле, приложенное к осциллятору, заставляет датчик двигаться, что приводит к сдвигу жидкости. (Подробнее по этой теме см.: Коррозия и электрические помехи в подземных металлических конструкциях .)

Затем на движение датчика влияют внешние силы (напряжение сдвига) жидкости, которые влияют на электрический отклик датчика.

3. Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры работают путем измерения крутящего момента, необходимого для вращения объекта в тестовой жидкости. Вот как происходит процесс:

1. Одна из поверхностей неподвижна.
2. Сопрягаемая поверхность вращается внешним приводом.
3. Жидкость заполняет пространство между поверхностями. Крутящий момент, необходимый для вращения диска или боба с заданной скоростью, измеряется и записывается.

Крутящий момент, поддерживающий заданную скорость, прямо пропорционален вязкости; следовательно, устройство способно выводить значения вязкости, напряжения сдвига и скорости сдвига. Поскольку к жидкости прилагается внешняя сила сдвига, ротационные вискозиметры измеряют динамическую вязкость жидкости.

Чашки, поплавки, конусы и пластины — это все типы ротационных вискозиметров. Чашечный вискозиметр и вискозиметр Боба состоят из коаксиальных цилиндров разного диаметра. Объем образца, подлежащего резке, хранится в испытательной ячейке; крутящий момент, необходимый для достижения определенной скорости вращения, измеряется и отображается на графике.

Конусные и пластинчатые вискозиметры имеют точный измеритель крутящего момента, который приводится в движение в виде дискретной скорости вращения. Он использует узкоугольный конус в непосредственной близости от плоской пластины. Вязкость рассчитывается по напряжению сдвига и скорости сдвига. (Подробнее по этой теме см.: Влияние коррозии на поведение материалов при сдвиге .)

4. Капиллярные вискозиметры

Капиллярный вискозиметр — один из первых известных методов определения вязкости жидкости.

Этот метод измеряет время, необходимое для протекания определенного объема жидкости через U-образную капиллярную трубку известного диаметра и длины. Трубка обычно имеет две метки — верхнюю и нижнюю — которые используются в качестве эталона измерения. Время, необходимое жидкости для прохождения этих отметок, пропорционально кинематической вязкости; следовательно, вязкость можно определить по стандартным формулам.

Капиллярные вискозиметры включают вискозиметры Оствальда и Уббелоде. Оба имеют U-образную форму, имеют две стеклянные колбы и используют капиллярные трубки. (Подробнее о том, как стекло может предотвратить коррозию, см.: Обзор антикоррозионных покрытий для внутренней защиты от коррозии .)

Однако одним из основных преимуществ вискозиметра Уббелоде является то, что получаемые им значения не зависят от общего объема используемой жидкости. Основное различие между вискозиметрами Оствальда и Уббелоде заключается в том, что вискозиметр Оствальда подходит для измерения жидкостей с низкой и средней вязкостью, тогда как вискозиметр Уббелоде подходит для измерения жидкостей с высокой вязкостью.

5. Вискозиметры с падающими сферами

Вискозиметр с падающей сферой используется для определения динамической вязкости прозрачной ньютоновской жидкости.

Концепция включает измерение времени, за которое сфера известной плотности падает через заполненную образцом трубку под действием силы тяжести. Трубка обычно устанавливается на аппарат, который может быстро поворачиваться на 180 градусов, что позволяет проводить повторные испытания. Среднее время трех испытаний записывается и используется в формуле преобразования для определения вязкости образца.

Вискозиметры с падающей сферой используются для контроля качества в различных отраслях промышленности, а также в академических учреждениях для иллюстрации научного метода. Простота использования и простой метод записи измерений времени гарантируют значимые результаты испытаний.

6. Консистометры

Консистометр представляет собой прибор, состоящий из металлического желоба с небольшой секцией, запертой за подпружиненным затвором. Вот как это работает:

1. Испытуемый образец помещается за подпружиненный затвор.
2. Заслонка поднимается, позволяя образцу свободно течь под собственным весом.
3. Расстояние, которое проходит жидкость за определенное время, измеряется с помощью градаций прибора.

Сам консистометр не измеряет значения вязкости напрямую; вместо этого он позволяет пользователям разрабатывать свои собственные стандарты для тестируемых продуктов. Этот метод более популярен в пищевой промышленности и обычно используется для измерения вязкости таких продуктов, как кетчуп, майонез, варенье, начинки, супы, детское питание и заправки для салатов. (Подробнее о пищевой промышленности см.: Коррозионные свойства алюминия и его сплавов .)

Факторы, влияющие на вязкость

Существуют различные факторы, от которых зависит вязкость жидкости. Это:

• Температура жидкости. Обычно вязкость жидкости уменьшается с повышением температуры. Однако вязкость газа обычно увеличивается с повышением температуры.
• Условия потока. При ламинарном течении вязкость жидкости остается постоянной; тогда как для турбулентного потока вязкость изменяется.
• Давление. Когда давление увеличивается, вязкость газа обычно увеличивается. Поскольку жидкости несжимаемы, давление не имеет большого значения.
• Многофазный поток. Вязкость многофазного потока зависит от объема каждой фазы.
• Взвешенные частицы. Взвешенные материалы приводят к увеличению вязкости.
  
  

Закон вязкости Ньютона

Связь между напряжением сдвига жидкости и скоростью сдвига под действием механического напряжения определяется законом вязкости Ньютона.

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.

Заключение

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.