ویسکومتر موئین و انواع آن
در این نوع دستگاه ها ، مدت زمان لازم برای عبور حجم استانداردی از سیال از طول لوله ی موئین اندازه گیری می گردد. مسائل نظری مربوط به این نوع ویسکومتر ها توسط پژوهش گران مختلفی ارائه شده است . این نوع جریان را می توان با معادله ی poiseulle یا اصطلاحاً معادله ی Hagen – poiseulle توصیف نمود :
در اینجا، ویسکوزیته ، pفشار حرکتی، r شعاع لوله موئین، t زمان جریان ، v حجم جریان و l طول لوله موئین می باشد. اغلب فشار حرکتی توسط نیروی گرانشی عمل کننده روی ستون مایع ایجاد می شود . البته می توان این فشار را با اعمال هوای فشرده یا روش های مکانیکی نیز به وجود آورد ( مانند رئومتر موئین اینسترون )[1, 2, 4, 6].
حال اگر در فرمول بالا قطر لوله را جایگزین کنیم فرمول به صورت زیر تبدیل می شود:
ویسکومتر استوالد 1 یکی از ساده ترین انواع ویسکومترهای موئین شیشه ای است که در شکل زیر نشان داده شده است.
البته انواع گوناگونی از ویسکومترهای موئین شیشه ای وجود دارند که سازندگان هر کدام از آنها مزیت هایی را برای آن ها عنوان کرده اند. ویسکومترهای استوالد در اندازه های مختلف موجود می باشند و باید اندازه های موئینه صحیح برای کاربرهای ویژه انتخاب کرد . اگر قطر موئینه بسیار بزرگ باشد سیال بسیار سریع جریان می یابد و این احتمال وجود خواهد داشت که جریان سیال آشفته باشد که در این صورت تکرار پذیری نتایج پایین خواهد بود. اما اگر قطر موئینه بسیار کوچک باشد زمان طولانی برای تعیین ویسکوزیته لازم خواهد بود ولی صحت آزمایش افزایش پیدا خواهد کرد. در زمانهای بین 100 – 500 ثانیه رابطه معقولی بین سرعت و صحت وجود خواهد داشت[1, 2, 4, 6].
ویسکومترهای با جریان موئین برای نمونه های کوچک استفاده می شود، که ارزان بوده و از نظر صحت یکی از مناسب ترین ویسکومترها برای تعیین ویسکوزیته سیالات با ویسکوزیته پائین مانند حلالهای آلی، محلولهای بسیار رقیق وشیر می باشد. همچنین آن برای مشاهده تغییراتی که در اثر گرما ، هموژنیزاسیون و غیره در سیالات بوجود می آید مناسب است. این ویسکومترهای برای تعیین اینکه سیال نیوتنی است یا غیر نیوتنی مناسب نمی باشد و در سیالات غیر نیوتنی آنها ویسکوزیته ظاهری را در یک سرعت برشی معین نشان می دهند. در ویسکومترهای استوالد باید از درست بودن حجم وارد شده به ویسکومتر اطمینان حاصل شود. همچنین نباید انحراف دستگاه از حالت عمودی بیش از 1 درجه باشد.
اصلاحات متعددی در طرح پایه این ویسکومتر برای برطرف کردن این مشکلات انجام یافته است.
برای مثال ویسکومتر استوالد کانون – فنسک 2 نوع تغییر یافته ویسکومتر استوالد است که دارای کاربرد فراوان بوده و از لحاظ شکلی دارای دو بازوی خمیده می باشد که زاویه ی خمیدگی آنها به اندازه ای است که مرکز حباب بالایی را مستقیماً روی مرکز حباب پائینی قرار داده در نتیجه لوله ی موئین را از وضعیت عمودی در می آورد[1, 2, 4, 6].
ویسکومتر کانون – فنسک
روش کار با ویسکومتر استوالد به این صورت است که در عمل مقدار استانداردی از سیال را به قسمت بازوی A ویسکومتر که در وضعیت عمودی قرار دارد منتقل می کنند . البته عمودی بودن کامل دستگاه ضرورتی ندارد ولی نکته مهم این است که اگر دستگاه به شکل زاویه دار قرار دارد همان وضعیت در همه ی اندازه گیری ها تکرار شود . به هر حال ، نمونه بعد از قرار گرفتن در بازوی A دستگاه به تدریج با حرکت رو به پائین از قسمت C دستگاه و قسمت U شکل E عبور می کند . کل دستگاه را حدود 30 دقیقه داخل حمام آب با دمای ثابت نگه می دارند تا دمای دستگاه و سیال به دمای استاندارد برسد. آن گاه با اعمال مکش از بازوی B دستگاه ، سیال را از قسمت موئین F به درون حباب G می کشند تا جایی که سطح تحدب سیال بالای علامت um برسد. در این مرحله عمل مکش را قطع کرده و اجازه می دهند تا سیال از حباب G از طریق لوله موئین F تحت نیروی گرانش جریان یابد . زمان شروع آزمایش لحظه ای است که سطح سیال از نقطه um عبور می کند و لحظه ی پایان زمانی است که سطح سیال از نقطه ی lm می گذرد . عمل اندازه گیری زمان معمولاً توسط زمان سنج آزمایشگاهی انجام می پذیرد و میزان گرانروی از روی مدت زمان سپری شده محاسبه می شود.
ویسکومتر AVS/N یک نوع ویسکومتر موئین شیشه ای پیچیده است که در آن برای ثبت زمان عبور سیال از مانع های نوری 3 استفاده شده و زمان سپری شده را با دقت صدم ثانیه می توان ثبت نمود. این مسئله علاوه بر حذف خطای مربوط به راه اندازی و توقف زمان سنج های معمولی سبب می شود که کاربربعد از شروع آزمایش بتواند به کارهای دیگری پرداخته و برای یادداشت نمودن زمان آزمایش نگرانی نداشته باشد. در نوع خاصی از این ویسکومتر که شعاع ، طول لوله ی موئین و میزان حجم ثابت است مقدار فشار حرکتی متناسب با چگالی سیال و هد هیدروستاتیک 4 می باشد. در این دستگاه با ورود سیال به مخزن یا حباب G ، اندازه هد هیدرواستاتیک کاهش می یابد. هدف از این طراحی به حداقل رساندن تغییر در هد هیدرواستاتیک در طی بخش اندازه گیری شده مدت زمان جریان بوده و شکل حباب G که بیشترمدت زمان جریان هنگام نزدیک شدن اندازه هد هیدرواستاتیک به میزان متوسط آن اتفاق می افتد . تغییرات فشار هد هیدرواستاتیک تاثیری روی اندازه گیری گرانروی سیال های نیوتنی نداشته ولی در سیال های غیرنیوتنی ، بسته به میزان انحراف آنها از رفتار نیوتنی ، موثر می باشد. در سیال های نیوتنی می توان به جای فشار حرکتی
را قرار داد که در اینجا h میانگین اندازه ی هد هیدرواستاتیک ، g گرانش و ρ چگالی سیال می باشند. از آنجایی که میزان h برای ویسکوزیته معینی یک مقدار ثابتی است بنابراین ، می توان معادله ی Hagen – poiseulle را به شکل زیر خلاصه کرد[1, 2, 4, 6].
در این جا K ضریب تبدیل دستگاه بوده و مقدار آن برای هر دستگاهی ثابت است. رابطه بالا را می توان به شکل زیر بازنویسی کرد.
یا
زیرا ویسکوزیته سینماتیک برابر با می با شد.
به این ترتیب با ضرب کردن مدت زمان جریان در ضریب تبدیل دستگاه می توان ویسکوزیته سینماتیک را به دست آورد . اغلب شرکت های تامین کننده ی دستگاه های آزمایشگاهی نیز ضریب تبدیل را با یک هزینه ی ناچیز برای هر نوع ویسکومتری تعیین می کنند. چنانچه ضریب تبدیل دستگاه گم شده یا قابل دست یابی نباشد می توان با اندازه گیری جریان سیال دارای گرانروی معلو مقدار ضریب تبدیل را تعیین نمود.
در اینجا و به ترتیب مربوط به ویسکوزیته سینماتیک و مدت زمان جریان سیال استاندارد با گرانروی معلوم می باشندو با بازنویسی رابطه ی بالا رابطه ی زیر را خواهیم داشت :
در ویسکومتر با سطح معلق 5 نیازی به درست بودن حجم وارده ندارد و از این رو تغییرات در هد هیدرواستاتیک ضمن اندازه گیری را کاهش می دهد. این موضوع به ویژه زمانی مفید است که یک سری اندازه گیری در دماهای مختلف انجام دهیم چون نیازی به ارزیابی دوباره حجم سیال بین اندازه گیریها وجود ندارد.
ویسکومتر با جریان معکوس6 نوعی دیگر از ویسکومترهای اصلاح شده است. در اکثر ویسکومترهای U شکل دیگرنیرویی جهت عبور مایع از طریق لوله موئین قبل از اندازه گیری لازم است. این نیرو می تواند ویسکوزیته سیال ( وابسته به زمان ) را تغییر دهد.
ویسکومتر با جریان معکوس می تواند ویسکوزیته سیال را هنگامی که برای اولین بار در معرض نیروی برشی قرار می گیرند را اندازه گیری کند[1, 2, 4, 6].
ویسکومتر باسطح معلق
شرکت کانون 7 انواع استانداردهای ویسکوزیته مواد نیوتنی را به شکل روغن هایی با ویسکوزیته تنظیم شده عرضه می کند که برای کالیبره کردن ویسکومترهای سینماتیک بسیار مناسب است. از ویسکومترهای موئین شیشه ای به دلیل دقت بالا، راحتی کار با آنها و کم هزینه بودن به فراوانی در اندازه گیری ویسکوزیته سیال های نیوتنی دارای ویسکوزیته پائین تا متوسط استفاده می شود. به دلیل پائین بودن قیمت این دستگاهها برای سرعت دادن به کار اندازه گیری ویسکوزیته ، تعداد بیشتری دستگاه خریداری کرد و به طور هم زمان مورد استفاده قرار گیرند. توصیه می شود که هنگام خرید ، چندین دستگاه با قطرهای مختلف خریداری شوند تا بتوان دامنه وسیعی از ویسکوزیته را اندازه گیری کرد. بهتر است لوله های انتخاب شوند که زمان جریان آنها بین 200 تا 800 ثانیه است. در شکل زیر دو نوع ویسکومتر موئین شیشه ای نشان داده شده است[1, 2, 4, 6].
انجمن آزمون و مواد آمریکا روش آزمون استاندارد به شماره ASTM D445-79 را برای استفاده از ویسکومترهای موئین روی سیال های نیوتنی تحت عنوان ویسکوزیته سینماتیک سیال های کدر و شفاف چاپ کرده است. این انجمن سند مفید دیگری نیز با شماره ی ASTM D446-79تحت عنوان ویژگی های استاندارد و شیوه نامه کاربردی برای ویسکومترهای سینماتیک موئین شیشه ای منتشر کرده است.
در نسخه چاپ 2000 کتاب AOAC Official Methods of Analysis Handbook طبق شماره ی 07. 974 برای اندازه گیری ویسکوزیته آب جو از ویسکومتر موئین استوالد یا کانون – فنسک استفاده شده است . در این روش تاکید شده که پاسخ دستگاه مورد استفاده باید در دامنه ی زمانی 50 تا 150 ثانیه بوده ، دما در حدود 20 درجه و دستگاه قبل از استفاده حتماً با محلول اسید کرومیک شست و شو داده شده و کاملاً آبکشی وخشک گردد[1, 2, 4, 6].
اتحادیه تولید کنندگان مواد غذایی آمریکا نیز ویسکومتر موئین لمب – لوئیس 8 را به عنوان دستگاهی کم هزینه برای کنترل کیفیت آب گوجه فرنگی ، نکتار میوه ها ، و سایر نوشیدنی ها و مخلوط آب میوه ها و سبزی ها طراحی کرده است. این دستگاه توسط تولید کنندگان آب میوه و سبزی به عنوان استاندارد کیفی داخلی مورد استفاده بوده و متشکل از یک محفظه به قطر 3.8 میلی متر و طول 17.8 سانتی متر است که از پائین به یک لوله نشکن به طول 29 سانتی متر و به قطر 3 میلی متر وصل است که این نوع ویسکومتر درشکل زیر نشان داده شده است.
ویسکومتر لمب لوئیس
برای اندازه گیری ویسکوزیته ، محفظه را با نمونه پرکرده و اجازه می دهند تا نمونه درون لوله ی موئین پائینی جریان یابد و پس از رسیدن سیال به انتهای لوله با انگشت جلوی جریان را می گیرند تا محفظه را تا بالاترین سطح سیال پر کنند. آن گاه به محض برداشتن انگشت از ته لوله زمان سنج را به کار انداخته و تا رسیدن سطح بالایی سیال به خط نشانه زمان را با دقت 0.1 ثانیه یادداشت می کنند. دراین دستگاه ، مدت زمان رسیدن آب با دمای 24 درجه به خط نشانه حدود 13 ثانیه می باشد. این دستگاه به آسانی قابل ساخت در آزمایشگاه است. ازجمله مزیتهای مهم این دستگاه عبارتند از :
* کم هزینه بودن
* سادگی کار کردن با دستگاه
* سرعت عمل
* قابلیت کاربرد برای سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی
* غیر مبهم بودن زمان پایان اندازه گیری
سایر ویسکومترهای لوله موئینه شیشه ای
1 – ostwald.
2 – Cannon – fenske
3 – light barrier
4 – hydrostatic
5 – Suspended-level Vicometer
6 – Reverse Flow
7 – Cannon instrument co.
8 – Lamb-Lewis
—————
————————————————————
—————
————————————————————
6