ویسکوزیته یا گرانروی چیست و چگونه اندازه گیری میشود

ویسکوزیته (Viscosity) یا گرانروی یکی از مهم‌ترین خواص فیزیکی سیالات است که میزان مقاومت یک مایع یا گاز را در برابر جریان یافتن نشان می‌دهد. به زبان ساده، ویسکوزیته مشخص می‌کند که یک سیال چقدر "غلیظ" یا "روان" است. برای مثال، عسل ویسکوزیته بسیار بالاتری نسبت به آب دارد به همین دلیل عسل به‌ آرامی جریان پیدا می‌کند در حالی که آب به‌ راحتی جاری می‌شود.

از دیدگاه علمی، ویسکوزیته ناشی از اصطکاک داخلی بین لایه‌های مختلف سیال است. هنگامی که یک مایع در حال حرکت است لایه‌های آن روی یکدیگر می‌لغزند. هرچه نیروهای بین مولکولی بیشتر باشد، مقاومت در برابر این لغزش افزایش یافته و ویسکوزیته بیشتر می‌شود. روغن‌های سنگین، شربت‌ها و پلیمرها نمونه‌هایی از موادی با ویسکوزیته بالا هستند.

انواع ویسکوزیته

ویسکوزیته معمولاً به دو شکل بیان می‌شود:

• ویسکوزیته دینامیکی (Dynamic Viscosity)
  نشان‌دهنده مقاومت واقعی سیال در برابر جریان است و واحد آن در سیستم SI برابر پاسکال - ثانیه (Pa·s) می‌باشد. در صنعت معمولاً از واحد سانتی‌پوآز (cP) استفاده می‌شود.
• ویسکوزیته سینماتیکی (Kinematic Viscosity)
  نسبت ویسکوزیته دینامیکی به چگالی سیال است و واحد آن متر مربع بر ثانیه (m²/s) یا سانتی‌استوکس (cSt) است.

به طور خلاصه، ویسکوزیته شاخصی برای سنجش میزان روانی یا غلظت یک سیال است و کنترل آن در بسیاری از فرآیندهای آزمایشگاهی و صنعتی برای تضمین کیفیت محصول ضروری است

ویسکومتر چیست

ویسکومتر وسیله ای برای سنجیدن میزان ویسکوزیته (گرانروی) مایعات است. برای موادی که ویسکوزیته آنها با جریان یافتن تغییر می کند از ویسکومتر ویژه ای به نام رئومتر استفاده می گردد. در حالت کلی در یک ویسکومتر دو حالت وجود دارد:

1. یا مایع ویسکوز ساکن است و یک شی جانبی در داخل آن (ابزار اندازه گیری ویسکوزیته) حرکت می کند.
2. یا وسیله اندازه گیری ویسکوزیته ساکن بوده و سیال ویسکوز حرکت می کند.

در هر دو صورت، 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 (نسبت نیروی لختی به نیروی گرانروی) به حدی کوچک باشد که بتوان جریان را آرام فرض نمود.

انواع ویسکومتر

• ویسکومتر U شکل (استوالد)
• ویسکومتر سقوطی
• ویسکومتر لرزشی
• ویسکومتر چرخشی (دورانی)
• ویسکومتر بروکفیلد
• ویسکومتر استابینگر
• ویسکومتر کربس

ویسکومترهای U شکل (ویسکومتر استوالد)

این نوع ویسکومتر ها که از لوله های شیشه ای مویین ساخته شده اند، به ویسکومتر شیشه ای مویین نیز مشهورند که خود انواع گوناگون دارند. یکی از انواع آن که به ویسکومتر آبلهود(Ubbelohde viscometer)  معروف است، اساسا از یک لوله شیشه ای U شکل که بصورت عمودی، در یک حمام کنترل دما قرار داده شده است، تشکیل شده است. در یک سمت آن، یک لوله موئین با قطر مشخص قرار دارد. 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 نشانه، با ویسکوزیته جنبشی متناسب است. به دلیل تاثیر دما در ویسکوزیته سیال، 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 ویسکومترهای 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.

ویسکومترهای سقوطی   (Falling sphere viscometers)

معادله ناویر استوکس که پایه و اساس روابط مربوط به حرکت سیالات می‌باشد، اساس کار ویسکومترهای سقوطی را تشکیل می دهد.

سمت چپ معادله میزان تغییرات سرعت سیال بر حسب زمان را نشان می‌دهد و سمت راست آن به نیروهایی که بر سیال وارد می‌شود، دلالت دارد.

روش کار بدین صورت است که ابتدا سیال را بصورت استاتیک در داخل یک لوله شیشه ای عمودی قرار داده و اجازه می دهیم یک شار فلزی کوچک که اندازه و دانسیته آن مشخص است در داخل سیال سقوط کند. با محاسبه سرعت سقوط شار (برای راحتی کار و بالابردن دقت محاسبه، می توان از حسگر های الکترونیکی استفاده نمود) و با دانستن اندازه و دانسیته شار و دانسیته سیال مورد نظر، می توان از قانون استوکس برای محاسبه ویسکوزیته سیال استفاده نمود.

می توان از گلوله های فلزی با اندازه های متفاوت جهت بالا بردن دقت محاسبات استفاده کرد. 

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 یا ارتعاشی (بصورت دیاپازونی) کار می کند. هرچه  ویسکوزیته سیال بالا باشد به همان نسبت، میزان افت لرزش های ایجاد شده توسط لرزاننده نیز، بیشتر خواهد بود.

میزان کاهش ارتعاشات لرزاننده می تواند با یکی از روش های زیر اندازه گیری 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 بالاتر 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: در این روش هم سیالاتی با ویسکوزیته بالا، 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، 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 روند

در اینگونه ویسکومترها سنسور به 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 pa.s 1000) کاربرد دارد.

در حال حاضر به دلیل کارایی بالای این ویسکومترها، صنایع توجه خود را معطوف به 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 مختلف مواد بخصوص سیالات اسیدی را با این نوع ویسکوزیمتر، اندازه گرفت به شرط آنکه یا باید سیال را در داخل یک پوشش خاص قرار داد و یا حسگر را از مواد مقاوم در برابر اسید ساخت .

ویسکومترهای چرخشی یا دورانی (Rotation viscometers)

اینگونه ویسکومتر ها که از استوانه های هم محور ساخته شده اند، بر اساس 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. در این ویسکومترها یک استوانه مانند سیلندر (Bob) درون استوانه دیگری  (Cup) قرار گرفته، سیال در حجم محصور بین این دو استوانه ریخته می‌شود و یکی از استوانه‌ها را با سرعت زاویه ای (Ω) معینی چرخانده، گشتاور (T) را بر روی استوانه چرخان یا استوانه ثابت اندازه می‌گیریم. بنابراین رابطه گشتاور و سرعت زاویه ای به دست می‌آید. اما از طرفی تنش وارده از طرف سیال (t) بر روی دیواره استوانه‌ها، با گشتاور رابطه مستقیم داشته و سرعت برش (v) نیز با سرعت درون استوانه متناسب است.

ویسکومتر بروکفیلد brookfield viscometers

 ویسکومتر بروکفیلد نوعی ویسکومتر دورانی است که در آن استوانه چرخان که اسپیندل نامیده می‌شود، شبیه دوک بوده و توسط یک پیچ که در انتهای دسته آن قرار دارد، به موتور دستگاه متصل می‌شود. استوانه ثابت نیز ظرفی می‌باشد که نمونه در آن ریخته شده است. اسپیندل را به دستگاه متصل نموده، در ظرف حاوی نمونه قرار می‌دهیم و با سرعت‌های زاویه ای معینی آن را می‌چرخانیم. ویسکومتر این امکان را به ما می‌دهد تا به وسیله پیچ تنظیم سرعت، داده‌های مربوط به سرعت‌های زاویه ای مختلف از قبیل 1، 5، 10، 20، 50 و 100 دور بر دقیقه را به دست آوریم. در هر سرعت زاویه ای، ویسکومتر گشتاور وارد بر اسپیندل را اندازه گرفته و نمایش میدهد. در مدل های قدیمی این نمایشگر بصورت عقربه ای بوده و امروزه بصورت نمایشگر دیجیتالی می باشد.

ویسکومترهای استابینگر (Stabinger Viscometer)

با تغییر ویسکومتر های نوع چرخشی (Couette rotational viscometer) نوعی ویسکومتر ساخته می شود (ویسکومتر استابینگر) که با ان می توان به دقت بسیار بالایی در اندازه گیری ویسکوزیته جنبشی سیال، دست یافت. سیلندر داخلی ویسکومتر های استابینگر، گودتر 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 العاده و دامنه وسیع سنجش را برای این نمونه امکان پذیر نموده است. این روش به دلیل بالا بودن هزینه ی آن به روشی تحقیقاتی و منحصر برای صنایع بسیار حساس تبدیل شده و در صنایع عمومی استفاده از این روش مقرون به صرفه نمی باشد. 

ویسکومتر کربس (Krebs Viscometer) یا ویسکومتر استورمر (Stormer Viscometer)

نوعی ویسکومتر دورانی است که در آن از یک اسپیندل با یک مدل استاندارد و یک سرعت ثابت استفاده می شود که اغلب در صنعت رنگ مورد استفاده قرار می گیرد. 

قیمت دستگاه ویسکومتر

برای خرید دستگاه ویسکومتر ابتدا باید محدوده ویسکوزیته مورد آزمون را مشخص نمایید برای این کار می توانید از کارشناسان مجرب در حوزه فروش تجهیزات آزمایشگاهی نیز کمک بگیرید.

سپس نوع نمونه از نظر نیوتنی بودن یا نبودن آن را بررسی نمایید

قیمت دستگاه ویسکومتر بسته به کشور سازنده آن و محدوده رنج اندازه گیری و همچنین قابلیت اتصال به کامپیوتر و استفاده از نرم افزار میتواند قیمت های بسیار متنوعی داشته باشد.

برای خرید ویسکومتر آزمایشگاهی بهتر است با کارشناسان شرکت فرنام تشخیص در ارتباط باشید تا بر اساس نیاز آزمایشگاه و آزمون مورد نظر، مناسب ترین گزینه را به شما معرفی کنند