เครื่องวัดความหนืด (Viscosity Meter)

เครื่องวัดความหนืด (viscometer) (เรียกอีกอย่างว่า Viscosity meter) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดความหนืดของของเหลว สำหรับของเหลวที่มีความหนืดซึ่งแปรผันตามสภาวะการไหล จะใช้เครื่องมือที่เรียกว่ารีโอมิเตอร์ ดังนั้น รีโอมิเตอร์จึงถือได้ว่าเป็นเครื่องวัดความหนืด (viscometer) ชนิดพิเศษเครื่องวัดความหนืด (viscometer) จะวัดภายใต้สภาวะการไหลเท่านั้น

โดยทั่วไป ของเหลวยังคงนิ่งและวัตถุเคลื่อนที่ผ่าน หรือวัตถุอยู่นิ่งและของเหลวเคลื่อนที่ผ่าน การลากที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของของไหลและพื้นผิวเป็นตัววัดความหนืด สภาวะการไหลต้องมีค่าจำนวน Reynolds เพียงเล็กน้อยเพื่อให้มีการไหลแบบราบเรียบ

ที่ 20 °C ความหนืดไดนามิก (ความหนืดจลนศาสตร์ × ความหนาแน่น) ของน้ำคือ 1.0038 mPa·s และความหนืดจลนศาสตร์ (ผลคูณของเวลาไหล × ปัจจัย) คือ 1.0022 mm2/s ค่าเหล่านี้ใช้สำหรับสอบเทียบเครื่องวัดความหนืดบางประเภท

Rotational viscometers

เครื่องวัดความหนืด (viscometer)แบบหมุนใช้แนวคิดที่ว่าแรงบิดที่จำเป็นสำหรับการหมุนวัตถุในของเหลวนั้นเป็นหน้าที่ของความหนืดของของไหลนั้น พวกเขาวัดแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนดิสก์หรือบ๊อบในของเหลวด้วยความเร็วที่ทราบ

เครื่องวัดความหนืด (viscometer) แบบ "Cup and bob" ทำงานโดยกำหนดปริมาตรที่แน่นอนของตัวอย่างที่จะตัดภายในเซลล์ทดสอบ แรงบิดที่จำเป็นเพื่อให้ได้ความเร็วในการหมุนที่แน่นอนจะถูกวัดและวางแผน มีรูปทรงคลาสสิกสองแบบในเครื่องวัดความหนืดแบบ "คัพแอนด์บ็อบ" หรือที่รู้จักในชื่อระบบ "คูเอตต์" หรือ "เซียร์ล" โดยจะแยกความแตกต่างจากการที่ถ้วยหรือลูกกลิ้งหมุน ในบางกรณีนิยมใช้ถ้วยแบบหมุนได้ เนื่องจากช่วยลดการเริ่มต้นของกระแสน้ำวนเทย์เลอร์ที่อัตราเฉือนที่สูงมาก แต่ลูกกลิ้งแบบหมุนมักใช้มากกว่า เนื่องจากการออกแบบเครื่องมือสามารถยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับรูปทรงอื่นๆ เช่นกัน

เครื่องวัดความหนืด (viscometer) "กรวยและจาน" ใช้กรวยมุมแคบใกล้กับจานแบน ด้วยระบบนี้ อัตราเฉือนระหว่างรูปทรงจะคงที่ที่ความเร็วรอบที่กำหนด ความหนืดสามารถคำนวณได้ง่ายจากแรงเฉือน (จากแรงบิด) และอัตราเฉือน (จากความเร็วเชิงมุม)

หากการทดสอบที่มีรูปทรงใดๆ ทำงานผ่านตารางที่มีอัตราเฉือนหรือความเค้นหลายอัตรา ข้อมูลสามารถใช้เพื่อวาดกราฟเส้นโค้งการไหล นั่นคือกราฟของความหนืดเทียบกับอัตราเฉือน หากการทดสอบข้างต้นดำเนินการช้าเพียงพอสำหรับค่าที่วัดได้ (ความเค้นเฉือนหากมีการควบคุมอัตราหรือในทางกลับกัน) เพื่อให้ได้ค่าคงที่ในแต่ละขั้นตอน แสดงว่าข้อมูลอยู่ที่ "สมดุล" และกราฟจะเป็น "เส้นโค้งการไหลสมดุล" วิธีนี้ดีกว่าการวัดที่ไม่สมดุล เนื่องจากโดยปกติข้อมูลสามารถทำซ้ำกับเครื่องมืออื่นๆ หลายตัวหรือกับรูปทรงอื่นๆ

Electromagnetically spinning-sphere viscometer (EMS viscometer)

เครื่องวัดความหนืดแบบ EMS วัดความหนืดของเหลวผ่านการตรวจจับการหมุนของทรงกลมที่ขับเคลื่อนโดยปฏิกิริยา

ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: แม่เหล็กสองตัวที่ติดอยู่กับโรเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนได้ ตัวอย่าง ③ ที่จะวัดอยู่ในหลอด

ทดลองขนาดเล็ก ② ภายในหลอดเป็นทรงกลมอลูมิเนียม④ หลอดตั้งอยู่ในห้องควบคุมอุณหภูมิ ① และตั้งค่าให้ทรง

กลมอยู่ตรงกลางของแม่เหล็กทั้งสอง

สนามแม่เหล็กหมุนทำให้เกิดกระแสน้ำวนในทรงกลม ปฏิกิริยาลอเรนทซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแส

น้ำวนเหล่านี้สร้างแรงบิดที่หมุนทรงกลม ความเร็วในการหมุนของทรงกลมขึ้นอยู่กับความเร็วการหมุนของสนามแม่เหล็ก

ขนาดของสนามแม่เหล็ก และความหนืดของตัวอย่างรอบๆ ทรงกลม การเคลื่อนที่ของทรงกลมถูกตรวจสอบโดยกล้อง

วิดีโอ ⑤ ซึ่งอยู่ใต้เซลล์ แรงบิดที่ใช้กับทรงกลมเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของความเร็วเชิงมุมของสนามแม่เหล็ก ΩB

และหนึ่งในทรงกลม ΩS จึงมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่าง (ΩB − ΩS)/ΩS กับความหนืดของของเหลว

หลักการวัดแบบใหม่นี้พัฒนาโดย Sakai et al ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว เครื่องวัดความหนืดแบบ EMS แตกต่างจากเครื่อง

วัดความหนืดแบบหมุนอื่นๆ โดยมีลักษณะสำคัญสามประการ:

ทุกส่วนของเครื่องวัดความหนืดแบบ EMS ที่สัมผัสโดยตรงกับตัวอย่างเป็นแบบใช้แล้วทิ้งและมีราคาไม่แพง

การวัดจะดำเนินการในภาชนะเก็บตัวอย่างที่ปิดสนิท

เครื่องวัดความหนืดแบบ EMS  ต้องการปริมาณตัวอย่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (0.3 มล.)

Stabinger viscometer

ด้วยการปรับเปลี่ยนเครื่องวัดความหนืดแบบหมุนแบบ Couette แบบคลาสสิก ทำให้สามารถรวมความแม่นยำของการ

วัดค่าความหนืดจลนศาสตร์เข้ากับช่วงการวัดที่กว้างได้

กระบอกสูบด้านนอกของเครื่องวัดความหนืดของ Stabinger เป็นหลอดบรรจุตัวอย่างที่หมุนด้วยความเร็วคงที่ในตัวเรือน

ทองแดงที่ควบคุมอุณหภูมิ กระบอกสูบภายในกลวง

– มีรูปร่างเป็นโรเตอร์ทรงกรวย – ถูกจัดให้อยู่กึ่งกลางภายในตัวอย่างโดยผลของการหล่อลื่นแบบไฮโดรไดนามิก[9] และ

แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ด้วยวิธีนี้ แรงเสียดทานทั้งหมดเป็นปัจจัยที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ใน

 หลีกเลี่ยงอุปกรณ์หมุนส่วนใหญ่อย่างเต็มที่ แรงเฉือนของของเหลวที่หมุนได้จะขับเคลื่อนโรเตอร์ ในขณะที่แม่เหล็ก

ภายในโรเตอร์จะสร้างเบรกกระแสวนด้วย

ตัวเรือนทองแดงโดยรอบ ความเร็วโรเตอร์สมดุลถูกสร้างขึ้นระหว่างแรงขับเคลื่อนและแรงหน่วง ซึ่งเป็นการวัดความหนืด

แบบไดนามิกที่ชัดเจน

 การวัดความเร็วและแรงบิดจะดำเนินการโดยไม่มีการสัมผัสโดยตรงโดยเซ็นเซอร์ Hall-effect ที่นับความถี่ของสนามแม่

เหล็กหมุน สิ่งนี้ทำให้

 ความละเอียดแรงบิดที่แม่นยำสูงที่ 50 pN·m และช่วงการวัดที่กว้างตั้งแต่ 0.2 ถึง 30,000 mPa·s ด้วยระบบการวัด

เดียว การวัดความหนาแน่นในตัว

ตามหลักการของการสั่นของหลอดรูปตัวยูช่วยให้สามารถกำหนดความหนืดจลนศาสตร์จากความหนืดไดนามิกที่วัดได้

โดยใช้ความสัมพันธ์

ซึ่ง:

ν คือ ความหนืดจลนศาสตร์ (mm2/s),

η คือ ความหนืดไดนามิก (mPa·s)

ρ คือ ความหนาแน่น (g/cm3)

Bubble Viscometer

เครื่องวัดความหนืดแบบฟองใช้เพื่อกำหนดความหนืดจลนศาสตร์ของของเหลวที่รู้จัก เช่น เรซินและวาร์นิชอย่างรวดเร็ว
เวลาที่ต้องใช้เพื่อให้ฟองอากาศเพิ่มขึ้นนั้นแปรผันโดยตรงกับความหนืดของของเหลว ดังนั้นยิ่งฟองอากาศสูงขึ้นเร็ว ความหนืดก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น วิธีการเปรียบเทียบตามตัวอักษรใช้ชุดหลอดอ้างอิงที่เป็นตัวอักษร 4 ชุด A5 ถึง Z10 ที่มีความหนืดที่รู้จักเพื่อให้ครอบคลุมช่วงความหนืดตั้งแต่ 0.005 ถึง 1,000 สโตก วิธีการตรงเวลาใช้ไทม์ไทม์ 3 บรรทัดเส้นเดียวในการกำหนด "ฟองสบู่วินาที" ซึ่งอาจแปลงเป็นสโต๊ค[10]

วิธีการนี้มีความแม่นยำมากแต่การวัดอาจแตกต่างกันไปเนื่องจากความแปรปรวนของการลอยตัวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของฟองอากาศในท่อ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้เกิดการคำนวณผิดพลาดอย่างร้ายแรงใดๆ

Rectangular-slit viscometer

การออกแบบพื้นฐานของเครื่องวัดความหนืด/รีโอมิเตอร์แบบร่องสี่เหลี่ยมประกอบด้วยช่องร่องสี่เหลี่ยมที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอ ของเหลวทดสอบถูกสูบด้วยอัตราการไหลคงที่ผ่านช่องทางนี้ เซ็นเซอร์ความดันหลายตัวติดตั้งแบบฝังที่ระยะห่างเชิงเส้นตามทิศทางที่ชาญฉลาดเพื่อวัดแรงดันตกคร่อมดังแสดงในภาพ:

หลักการวัด: เครื่องวัดความหนืดของร่องสลิต/รีโอมิเตอร์ยึดตามหลักการพื้นฐานที่ว่าของเหลวหนืดต้านทานการไหล โดยแสดงแรงดันที่ลดลงตลอดความยาวของร่อง ความดันลดลงหรือลดลง (∆P) มีความสัมพันธ์กับความเค้นเฉือนที่ขอบผนัง อัตราเฉือนที่ชัดเจนเกี่ยวข้องโดยตรงกับอัตราการไหลและขนาดของร่อง คำนวณอัตราเฉือนปรากฏ แรงเฉือน และความหนืดปรากฏ:

เพื่อตรวจสอบความหนืดของของเหลว ตัวอย่างของเหลวจะถูกสูบผ่านช่องร่องที่อัตราการไหลคงที่ และวัดแรงดันตก ตามสมการเหล่านี้ ความหนืดปรากฏจะถูกคำนวณสำหรับอัตราเฉือนปรากฏ สำหรับของเหลวของนิวตัน ความหนืดปรากฏจะเหมือนกับความหนืดจริง และการวัดอัตราเฉือนเดียวก็เพียงพอแล้ว สำหรับของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตัน ความหนืดปรากฏไม่ใช่ความหนืดจริง เพื่อให้ได้ความหนืดที่แท้จริง ความหนืดปรากฏจะถูกวัดที่อัตราเฉือนปรากฏหลายอัตรา จากนั้น ค่าความหนืดจริง η ที่อัตราเฉือนต่างๆ จะคำนวณโดยใช้ตัวคูณการแก้ไข Weissenberg–Rabinovitsch–Mooney:

ความหนืดจริงที่คำนวณได้จะเหมือนกับค่ากรวยและแผ่นที่อัตราเฉือนเท่ากัน

นอกจากนี้ยังสามารถใช้เครื่องวัดความหนืด/รีโอมิเตอร์แบบร่องสี่เหลี่ยมรุ่นดัดแปลงเพื่อกำหนดความหนืดส่วนขยายที่ปรากฏได้