راهنمای عملی ویسکومترها
ویسکومتر ابزاری است که برای اندازه گیری ویسکوزیته سیالات و خواص جریان مایعات مورد استفاده قرار می گیرد. تجهیزات در مورد انواع مختلف ویسکومتر، ویژگی های داخلی، عواملی و فاکتورهایی که در اندازه گیری ویسکوزیته دقیق و قابل تکرار نقش دارند، بحث می نماییم.
در تریبولوژی و مطالعه روانکاری، ویسکوزیته اغلب به عنوان مهمترین ویژگی روغن پایه نامیده می شود. چرا ویسکوزیته در روانکاری ماشین بسیار مهم است؟ دلیل اول اینکه ویسکوزیته بسیار پایین است که در تماس سطحی بین اجزای داخلی در حال حرکت باعث ایجاد سایش می شود.
از طرف دیگر، گرانروی بیش از حد، دستگاه را مجبور به کار سخت تر می نماید (فشار کار بر روی دستگاه بیشتر می گردد) تا بر مقاومت داخلی روان کننده در برابر جریان غلبه کند. به همین دلیل، نه تنها ویسکوزیته روغن پایه بلکه نحوه تغییر آن در اثر نوسانات شرایط عملیاتی یا محیطی نیز مهم باشد.
ویسکومترها در مقابل رئومترها
گرانروی (Viscosity)، اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جریان (تنش برشی) در دمای معین است. از آنجا که شرایط جریان متفاوت است، تمام مایعات نمی توانند ویسکوزیت خود را حفظ نمایند. سیالی که در آن ویسکوزیته با شرایط جریان تغییر می کند، سیال غیر نیوتنی (non-Newtonian Fluid) نامیده می شود. ویسکوزیته این نوع مایعات با استفاده از رئومتر (Rheometer) اندازه گیری می شود. ویسکومترها (Viscometer) ویسکوزیته مایعات نیوتنی (Newtonian Fluid) را اندازه گیری می کنند.
ویسکوزیته سینماتیک (Kinematic) در مقابل ویسکوزیته مطلق/دینامیکی (Absolute Viscosity)
در بین روشهای مختلف ویسکومتر، دو روش متمایز وجود دارد که می توان ویسکوزیته را بیان کرد: ویسکوزیته سینماتیکی و ویسکوزیته مطلق. تفاوت اصلی بین این دو این است که ویسکوزیته سینماتیکی با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی جاذبه اندازه گیری می شود ، در حالی که ویسکوزیته مطلق با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی خارجی و کنترل شده، از طریق لوله مویین (کاپیلاری) یا توسط حرکت جسم در سیالات اندازه گیری می شود.
ویسکوزیته سینماتیکی با واحد سانتی استوک (cSt) گزارش می شود ، اما ویسکوزیته مطلق با واحد سانتی پواز (cP) گزارش می شود. به منظور مقایسه، ویسکوزیته مطلق اغلب با تقسیم بر وزن مخصوص سیال (SG) به ویسکوزیته سینماتیکی تبدیل می شود.
cSt = cP/SG یا معکوس معادله: cP = cSt x SG
روش های آزمایش ویسکوزیته
چندین روش برای آزمایش ویسکوزیته مشخص شده است که هر کدام مزایای خود را دارند. در زیر لیستی از رایج ترین تکنیک ها و روش های مورد استفاده در آزمون ویسکوزیته روغن پایه آمده است.
آزمایش ویسکومتر شیشه ای U شکل (لوله مویین)
تجهیز اصلی مورد استفاده در آزمایش ویسکومتر لوله مویین یک لوله شیشه ای به شکل کلی "U" است که نام متداول آن، U-tube است. روش لوله U مستلزم غوطه ور شدن لوله در حمام با دمای کنترل شده (معمولاً 40 یا 100 درجه سانتیگراد) و زمان دقیق (در ثانیه) برای مدت زمان لازم برای عبور جریان مایع در داخل لوله از یک نقطه مشخص به نقطه دیگر با نیروی گرانش یا مکش می باشد.
سپس این زمان اندازه گیری شده با یک ثابت (ثابت هر ویسکومتر) ضرب می شود تا ویسکوزیته مطلق (بوسیله مکش) یا ویسکوزیته سینماتیکی (بوسیله نیروی گرانش) محاسبه شود.
لوله شیشه ای U شکل
ویسکومتر لوله مویین ASTM D445-97
تست ویسکومتر دورانی (ویسکومتر روتاری)
ویژگی اصلی یک ویسکومتر چرخشی شامل یک دستگاه دوار است که به آن اسپیندل (Spindle) گفته می شود و در مایع آزمایش غوطه ور شده است. سپس گشتاور روی محور چرخشی برای اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جریان استفاده می شود.
از آنجا که این اندازه گیری شامل نیروی جاذبه نیست بلکه تابعی از تنش برشی داخلی سیال است، ویسکومتر چرخشی ویسکوزیته مطلق سیال (Absolute Viscosity) را محاسبه می کند. نوع متداول این نوع ویسکومتر ویسکومتر بروکفیلد (Brookfield) نامیده می شود.
ويسكومتر استابینگر (Stabinger) يك نوع دیگری از ويسكومتر چرخشی است. این دستگاه از یک اسپیندل شناور مستقل اصلاح شده استفاده می کند که توسط نیروهای الکترومغناطیسی کنترل می شود تا چرخش درون سیال را صورت پذیرد. دقت این روش بالاتر می باشد، زیرا کار دشوار فاکتورگیری در اصطکاک یاتاقان موتور متصل به اسپیندل را از بین می برد. (عدم تماس مستقیم به هنگام اندازه گیری گشتاور)
ویسکومتر دورانی (بروکفیلد)
ASTM D2983
آزمون ویسکومتر سقوطی گلوله (Falling Ball) و پیستون (Falling Piston)
جایگزین های کمتر رایج برای اندازه گیری گرانروی شامل ویسکومترها سقوط گلوله و سقوط پیستون است. در این روش های آزمون، یک توپ یا پیستون در مایع میافتد و زمان بین گذر از یک نقطه مشخص شده به نقطه مشخص شده دوم اندازه گیری می شود. برای محاسبه ویسکوزیته مطابق با قانون استوکس (Stokes’ Law)، باید سرعت نهایی، اندازه و چگالی توپ یا پیستون مشخص باشد.
Falling Sphere Viscometer
سایر روش های آزمون ویسکوزیته
در برخی موارد غیرعادی در آزمایش ویسکوزیته روغن ، ممکن است از روش حباب (Bubble Method) استفاده شود. این آزمایش به طور کلی شامل اندازه گیری زمان لازم برای بالا آمدن یک حباب در یک فاصله مشخص است. این زمان اندازه گیری شده می تواند متناسب با ویسکوزیته سیال باشد. نوع دیگر آزمون شامل اندازه گیری مقاومت در برابر ارتعاش از یک پروب است.
انواع ویسکومترها
اگرچه روشهای متعددی برای تعیین ویسکوزیته وجود دارد ، اما بیشتر ویسکومترها به صورت تجاری به فروش می رسند تا بهترین استفاده را داشته باشند. در زیر لیستی از این دسته ویسکومترها آمده است.
ویسکومترهای قابل حمل
همانطور که از نامش مشخص است ، ویسکومترهای قابل حمل برای استفاده در هر مکانی که در آزمایشگاه عملی نیست، در نظر گرفته شده است. در بسیاری از برنامه های کاربردی در محل، ویسکومترها برای ارائه قرائت سریع و تقریبی ویسکوزیته معمولاً به منظور تضمین تجزیه و تحلیل بیشتر مورد نیاز است.
ویسکومترهای کوچک در محل
برای اندازه گیری دقیق ویسکوزیته ، ویسکومترهای کوچک در محل برای آزمایشگاه اما با قیمت مناسب به بازار عرضه می شوند. چنین ویسکومترهایی شامل انواع U-tube یا بروکفیلد است. در حالی که انواع مختلفی از ویسکومتر U-tube وجود دارد که از معروف ترین آنها می توان به برندهای Ostwald ، Cannon-Fenske و Ubbelohde اشاره نمود.
تغییرات متداول ویسکومتر U-tube
ویسکومترهای سرویس کامل (Full-service Viscometers)
به منظور دستیابی به بالاترین درجه دقت در آزمایش ویسکوزیته ، باید از ویسکومتر سرویس کامل استفاده کرد. این ویسکومترها به طور معمول این قابلیت را دارند که ویسکوزیته سینماتیکی و مطلق را در طیف وسیعی از دما و همچنین محاسبه چگالی و وزن مخصوص را به طور خودکار آزمایش کنند. یکی از چالش های رایج آزمایشگاه های آنالیز روغن توانایی انجام تست های متعدد با حداقل نمونه است.
چندین دستگاه ویسکومتر با عملکرد کامل پیچیده تر می توانند با استفاده از حجم نمونه کمتر از 0.1 میلی لیتر اندازه گیری های دقیق را در تکرارپذیری 0.1 درصد انجام دهند. در آزمایشگاههای بزرگ که روزانه صدها نمونه را آزمایش می کنند ، این یک مزیت ضروری ویسکومترهای کامل سرویس است.
Full-Service Viscometer
ویسکومترهای خطی/آنلاین (Inline/Online Viscometers)
در حالی که اکثر آزمایش های ویسکوزیته روغن پس از دستیابی به نمونه موجود انجام می شود ، برخی از ویسکومترها می توانند قرائت ویسکوزیته را به طور مداوم در خطوط جریان فعال ارائه دهند. این امر معمولاً با استفاده از سنسور یا مبدل مستقیم (بخشی از خط لوله) یا آنلاین (جریان بای پس یا مبدل) انجام می شود. اندازه گیری ویسکوزیته گرفته می شود و سپس به صورت سیگنال به رایانه یا دستگاه نظارت به صورت الکترونیکی ارسال می شود.
Inline/Online Viscometers
عوامل موثر بر اندازه گیری گرانروی (ویسکوزیته)
اگرچه آزمون ویسکوزیته سیالات ساده به نظر می رسد، اما انجام اندازه گیری دقیق روی روغن های روانکار می تواند کار دشواری باشد. عوامل متعددی باید شناخته و ثابت نگه داشته شوند تا اندازه گیری موثر باشد، از جمله موارد زیر:
دما
از نظر اهمیت، دما نسبت به ویسکوزیته مانند ویسکوزیته نسبت به روغن پایه است. تنها وظیفه حمام کنترل دما این است که اطمینان حاصل شود که کل آزمایش اندازه گیری ویسکوزیته در دمای دقیق (معمولاً در دمای 40 یا 100 درجه سانتیگراد) باقی می ماند و در 0.02 درجه سانتی گراد کنترل می شود. مدیریت حمام در این درجه می تواند چالش برانگیز باشد. ویسکومترهای پیچیده تر شامل سیستم حمام و کنترل دما به عنوان بخشی از دستگاه است.
شیشه ویسکومتر
ویسکومترهای لوله مویین نه تنها از نظر صحت، بلکه به قطر داخلی دقیق داخل لوله نیز بستگی دارد. به همین دلیل، این لوله های شیشه ای با یک شیشه بوروسیلیکات (Borosilicat Glass) کاملاً آنیل شده و با انبساط کم شکل می گیرند و اغلب با لوله ویسکومتر مربوط به هر شرکت عامل یا فاکتور تصحیح، لحاظ می گردد. تعيين مجدد ثابت ويسكومتر به صورت سالانه و مطابق با درجه حرارتي كه در آن مورد استفاده قرار مي گيرد، براي حصول اطمينان از حداقل خطا تا حد امكان امری معمول است. روش های کالیبراسیون در ASTM D446 مشخص شده است.
اندازه ویسکومتر
اندازه ویسکومترها به دلیل تنوع زیاد ویسکوزیته هایی که ممکن است مورد آزمایش قرار گیرند، متفاوت است. توصیه می شود که یک ویسکومتر برای جلوگیری از خطای انسانی، حداقل 200 ثانیه (برای اندازه گیری دستی با استفاده از کرنومتر) طول بکشد.
شستشو ویسکومترها
یکی دیگر از فاکتورهای مهم ویسکومتر، کیفیت شستشو لوله مویین در زمان اندازه گیری ها است. به طور معمول، مراحل تمیز کردن، شستشو و خشک کردن با استفاده از حلالهای مختلف بدون پسماند انجام می شود. در آزمایشگاه هایی که نمونه ها به طور مداوم روی ویسکومترهای حجم بالا اجرا می شوند، سیستم های تمیز کننده داخلی کارایی پاکیزگی را تضمین می کنند. با این وجود ، هنوز یک بررسی بصری لازم است تا مشخص شود که آیا دومین دور شستشو، به ویژه برای روغن های استفاده شده ضروری است.
سایر عوامل مهم که می توانند بر اندازه گیری ویسکوزیته تأثیر بگذارند عبارتند از روش و دقت دستگاه زمان بندی (کرنومتر)، انتخاب نمونه مناسب و کنترل مستمر کیفیت.
اندازه گیری ویسکوزیته در طول سال ها با سبک ها و روش های مختلف تکامل یافته است. به عنوان مثال استانداردهای ASTM و ISO، روش های آزمون ویسکومتر، دستورالعمل ها، کالیبراسیون، تمیز کردن و سایر عوامل نیز برای اطمینان از دقت و سازگاری بین ویسکومترهای مختلف آماده و منتشر گردیده است.
در پایان، با توجه به اینکه ویسکوزیته مهمترین مشخصه فیزیکی روغن پایه است ، تلاش برای اندازه گیری ویسکوزیته از طریق روشهای دقیق و استانداردهای سختگیرانه می تواند با روانکاری ماشین آلات قابل اطمینان تر و در نهایت باعث طول عمر بیشتر ماشین الات خواهد شد.
Bennett Fitch, Noria Corporation
ترجمه: الهام مرثیه زاده – واحد مارکتینگ
ویرایش: مرتضی بقائی – واحد مارکتینگ