wersja mobilna
Online: 234 Poniedziałek, 2014.04.21
f

Przemysłowe pomiary lepkości

Uwaga, otwiera nowe okno. PDFDrukujEmail

Rozważając wysoki przepływ produktów w procesach przemysłowych zwykle stosowane podejście laboratoryjnie nie jest najlepszym rozwiązaniem z powodu długiego czasu upływającego pomiędzy pobraniem próbki do pomiaru a uzyskaniem wyniku. Korzystnym rozwiązaniem jest pomiar ciągły dostarczający informacji, które mogą być zastosowane do natychmiastowej kontroli jakości i wykorzystane w układach regulacji ze sprzężeniem zwrotnym.

Istniejące obecnie urządzenia do ciągłego pomiaru lepkości są wciąż obarczone wysokimi kosztami zakupu, montażu i użytkowania. Ponadto ich dokładność jest silnie uzależniona od parametrów procesu, takich jak przepływ, temperatura i ciśnienie.

W artykule zostaną omówione podstawowe metody stosowane obecnie w przemyśle do ciągłego pomiaru lepkości. Oprócz metod tradycyjnych zostaną także przedstawione współcześnie rozwijane nowe technologie, które maja dużą szansę na coraz szersze zastosowanie we współczesnych instalacjach, co wynika z możliwości znacznej redukcji kosztów implementacji i użytkowania przy zachowaniu wysokiej dokładności wskazań.

Wiskozymetria w przemyśle

Rys. 1. Budowa lepkościomierza kapilarnego: a) klasyczna, b) automatyczna

Wiskozymetria, czyli inaczej pomiary lepkości, to dział reologii – nauki dotyczącej badania zjawisk lepkości. Przyrządy do pomiaru lepkości nazywane są wiskozymetrami lub lepkościomierzami. W przemyśle lepkościomierze znajdują zastosowanie m.in. w sterowaniu jakością w procesie rafinacji, w regulowaniu lepkości oleju opałowego w elektrociepłowniach, w systemach zapewniania jakości półproduktów i wyrobów finalnych w przemyśle petrochemicznym, jak też w sterowaniu procesami drukowania poprzez określanie lepkości tuszu oraz w przemyśle papierniczym przy przetwórstwie celulozy. Stosowane są one także przy regulowaniu przygotowania produktów i kontroli jakości w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym oraz podczas przygotowania produktów i kontroli jakości w przemyśle spożywczym.

Pomiar laboratoryjny a pomiar przemysłowy

Rys. 2. Budowa lepkościomierza rotacyjnego, a) o regulowanej prędkości ścinania, b) naprężeniowy

Lepkościomierze do wykonywania pomiarów w czasie rzeczywistym są zwykle złożonymi, mechatronicznymi urządzeniami charakteryzującymi się wysokimi kosztami wytworzenia. Jest to częściowo skutkiem stosowanej w przeszłości metody projektowania, w której urządzenia do pomiaru laboratoryjnego dostosowywano do pomiaru online. Wynikało to częściowo z potrzeby szybkiego przygotowania odpowiednich przetworników pomiarowych w gotowych instalacjach bez względu na koszty ich produkcji.

Po dostosowaniu urządzeń laboratoryjnych do pomiaru przemysłowego powstało wiele firm specjalizujących się w poszczególnych rozwiązaniach. Wiele z nich ma obecnie ugruntowaną pozycję na rynku pomiaru lepkości, dostarczając klientom pełną gamę produktów – od urządzeń do pomiaru laboratoryjnego, poprzez zautomatyzowane systemy do analizy lepkości w czasie rzeczywistym, kończąc na specjalnych płynach służących do kalibracji wiskozymetrów.

Standardowe sposoby pomiaru lepkości stosowane w przemyśle są zautomatyzowanymi wersjami metod znanych z pomiarów laboratoryjnych. Istotnym ograniczeniem ich stosowania jest wymaganie utrzymania określonych warunków podczas wykonywania pomiarów. Budowa tych urządzeń jest dosyć złożona ponieważ mają one wiele części ruchomych, co powoduje że ich implementacja w rzeczywistych instalacjach przemysłowych jest stosunkowo skomplikowana.

Wiskozymetry kapilarne

Rys. 3. Główne systemy pomiarowe w wiskozymetrach rotacyjnych: a) system Couette, b) system stożka na płytce

Wiskozymetr kapilarny w swojej klasycznej wersji (rys. 1.a) składa się z cylindrycznej rurki w kształcie litery U, która zanurzona jest w płynie o kontrolowanej temperaturze. W jednej części U-rurki znajduje się kapilara czyli przewężenie do małej średnicy i określonej długości. Powyżej przewężenia znajduje się bańka szklana. W drugim ramieniu U-rurki poniżej bańki znajduje się zbiornik. Na początku pracy wiskozymetru kapilarnego płyn w wyniku zmian ciśnienia zasysany jest ze zbiornika do bańki. Następnie płyn przepływa z powrotem do zbiornika. Powyżej i poniżej bańki znajdują się znaczniki do określenia objętości płynu, która przepływa przez kapilarę. Podczas pomiaru mierzony jest czas przepływu prze kapilarę określonej objętości badanego płynu i wyznaczany współczynnik przepływu przy określonym ciśnieniu.

Bardziej wyrafinowana metoda wykorzystuje kapilarę o znanej i kontrolowanej geometrii. W tym wypadku mierzony jest spadek ciśnienia wzdłuż kryzy kapilary przy określonym współczynniku przepływu (rys.1.b). Metoda ta stosowana jest urządzeniach monitorujących lepkość w trybie rzeczywistym. Jednak instrumentarium wymagane do sterowania współczynnikiem przepływu i mierzenia ciśnienia jest dosyć złożone.

Zwykle geometria kryzy jest bardzo mała w porównaniu z całą instalacją związaną z pomiarem. Z tego powodu utrzymanie stałych współczynników przepływu w płynach niezależnie od ciśnienia jest złożone i wymaga zastosowania pomp wypornościowych. Wraz z ich wprowadzeniem, konstrukcja pompy oraz możliwość wystąpienia potencjalnego poślizgu płynu przepływającego przez pompę, co wynika z faktu, że prędkość warstwy płynu stykającej się bezpośrednio ze ścianką nie jest równa zeru, a to powoduje że przepływ nie może być uznany za laminarny - może zmienić w sposób trudny do określenia parametry zadanego współczynnika przepływu, a co za tym idzie zakłócić pomiar lepkości.

Istotnym ograniczeniem wiskozymetru kapilarnego jest możliwość wykonywania jedynie pomiaru lepkości płynów niutonowskich ponieważ tylko wtedy wynik jest jednoznaczny. Ponadto istotne jest utrzymanie stałej temperatury oraz precyzyjne sterowanie przepływem i ciśnieniem w trakcie pracy lepkościomierza, co dodatkowo komplikuje budowę urządzenia.

Wiskozymetry rotacyjne

Rys. 4. Zasada działania lepkościomierza tłokowego: a) faza napełniania cylindra zewnętrznego, tłok podniesiony, b) faza pomiaru, opuszczanie tłoka

Kolejnymi urządzeniami są lepkościomierze rotacyjne, które mierzą opór lepkościowy na kręcącym się dysku lub cylindrze. W tym przypadku następuje ścinanie badanej próbki o określonej objętości na skutek obrotów elementu pomiarowego.

Ze względu na zasadę działania wiskozymetry rotacyjne można podzielić na aparaty o nastawianej prędkości ścinania i nastawianym momencie ścinającym. W pierwszym przypadku działanie polega na pomiarze momentu skręcającego przenoszonego przez warstwę płynu umieszczonego pomiędzy dwoma elementami. Przyjmuje się założenie istniejącej, koncentrycznej przerwy wypełnionej badanym płynem pomiędzy elementem obracającym się a cylindrem. W czasie pomiaru z ustaloną prędkością obraca się cylinder zewnętrzny wypełniony płynem, tzw. kubeczek (ang. cup), podczas gdy walec wewnętrzny (ang. bob) zanurzony w badanym płynie utrzymywany jest nieruchomo przez odpowiedni serwomechanizm (rys. 2.a). Moment siły potrzebny do zrównoważenia momentu skręcającego wywieranego na wewnętrzny walec przez warstwę płynu jest miarą naprężenia ścinającego w tej warstwie. Tak więc pomiar odbywa się według zasady równoczesnego określenia prędkości kątowej wirującego elementu, oraz momentu skręcającego, związanego z tym obrotem. Moment obrotowy określa naprężenia ścinające, natomiast szybkość ścinania jest określana przez prędkość obrotową.

Rys. 5. Zasada działania wiskozymetru rotacyjnego a) z elementem pomiarowym w kształcie widełek, b) z elementem pomiarowym w kształcie pręta

W drugim rodzaju wiskozymetrów rotacyjnych, z nastawianym momentem ścinającym, zagadnienie jest odwrócone. Elementy zewnętrzne pozostają nieruchome a w ruch wprawiane są ustalonym momentem obrotowym elementy zanurzone w cieczy (rys. 2.b). Miarą lepkości próbki jest prędkość obrotowa, jaka ustali się po przyłożeniu zadanego momentu obrotowego. W obu przedstawionych przypadkach, na podstawie stałych geometrycznych wyznacza się krzywe płynięcia.

System obracającego się walca, który przedstawiono na rys. 3.a, nazywany jest Couette. Jest to sposób pomiaru płynów o małej lepkości. Płyny bardzo lepkie mierzy się w systemie stożka na płytce (cone-on-plate system), który przedstawiono na rys. 3.b. Sama metoda pomiarowa nie ulega zmianie. Systemy Couette i stożka na płytce te różnią się jedynie powierzchnią poddaną działaniu siły lepkości.

Stosunek pomiędzy momentem obrotowym a prędkością jest interpretowany jako lepkość istotna (oznaczana jako: mPa•s lub cP). Zaletą wiskozymetrów rotacyjnych jest duża dokładność. Ich błąd względny wynosi od 1% do 3%. Wykorzystanie wiskozymetru rotacyjnego jest dokładną metodą pomiarową. Jest ona jednak wrażliwa na ruchy platformy pomiarowej i przepływ płynu inny niż spowodowany przez urządzenie pomiarowe. Dodatkowym problemem jest wywołanie ruchu płynu oraz mieszania co może spowodować przyłączanie powietrza oraz przyspieszenie reakcji pomiędzy składnikami w mieszaninie.

Lepkościomierz rotacyjny wymaga stosowania kilku rodzajów wirników w celu mierzenia lepkości w szerokim zakresie, gdyż zakres pomiarowy pojedynczego wirnika jest dosyć wąski. Oznacza to, że ciągłość pomiaru jest zaburzona w trakcie wymiany wirników. Błędy pomiarowe są nieuniknione, szczególnie w płynach o niskiej lepkości. W najgorszym przypadku, pomiar lepkości może nie być możliwy gdyż zmienia się ona wraz ze stopniowo powiększającą się temperaturą w trakcie wykonywania pomiaru, co jest wynikiem sił tarcia działających działają pomiędzy wirnikiem a badanym płynem.

Wiskozymetry tłokowe

Rys. 6. Zasada działania wiskozymetru akustycznego, a) układ pomiarowy, b) graficzna reprezentacja wielkości wykorzystywanych do określenia lepkości

W wiskozymetrach tłokowych elementem ruchomym jest tłok, który przesuwa się pod wpływem działającej stałej siły w próbce badanego płynu. Próbka umieszczana jest w cylindrze o precyzyjnie kontrolowanej temperaturze. Czas wymagany do przesunięcia tłoka na określoną odległość jest proporcjonalny do lepkości badanego płynu (rys. 4.).

Typowe zautomatyzowane systemy podnoszą i opuszczają tłok wykonany z materiału ferromagnetycznego z wykorzystaniem cewek elektromagnetycznych. Położenie tłoka jest wyznaczanie poprzez pomiar reluktancji cewki znajdującej się wokół cylindra.

Do zalet wiskozymetrów tłokowych należą: ciągłe dostarczane świeżej próbki płynu oraz mechaniczne czyszczenie obszaru pomiarowego, co pozwala na dokładny pomiar lepkości. Wadą wiskozymetrów rotacyjnych jest skłonność do zatykania się przez sadzę i inne ciała stałe, tak więc nie nadają się one do pomiaru zabrudzonych płynów lub charakteryzujących się dużą granularnością. Ponadto przepływ płynu może powodować unoszenie hydrodynamiczne opadającego tłoka i w rezultacie zmienić wynik pomiaru. Wersja zautomatyzowana tej metody charakteryzuje się podgrzewaniem próbki przez mechaniczne i elektryczne systemy, które podnoszą i opuszczają tłok.

Lepkość – definicje i jednostki
{mosimage7}

Lepkość to właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Same pojęcia „lepkość” i „opór” nie są sobie równoważne. Lepkość definiowana jest dla laminarnego modelu przepływu, który opisuje w sposób uproszczony przepływ zachodzący przy małych prędkościach w postaci warstw nie ulegających mieszaniu. Lepkość charakteryzuje zdolność do przekazywania pędu pomiędzy sąsiadującymi warstwami płynu poruszającymi się z różnymi prędkościami. Zjawisko to zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy warstw naprężeń ścinających. Różnice w prędkościach warstw są opisywane przez tzw. szybkość ścinania.

Wyróżnia się dwie podstawowe miary lepkości:

1. Lepkość dynamiczna: η=t/(dg/dt),

gdzie: t - naprężenia ścinające, dg/dt – szybkość ścinania, g – prędkość warstwy płynu.

Jednostką lepkości dynamicznej jest [kg/(m•s)] (w układzie SI) lub [cP]=[g/(m•s)] tzw. centypoise (w układzie CGS).

2. Lepkość kinematyczna: ηk=(η/p),

gdzie: p - gęstość płynu.

Jednostką lepkości kinematycznej jest [m2/s] (układ SI) lub [cSt]=[mm2/s] tzw. centystokes (w układzie CGS).
W przypadku przepływu laminarnego, posługując się prawem Newtona, można obliczyć siłę oporu lepkiego występującego przy ruchu w ośrodku lepkim ciał o różnym kształcie oraz szybkość przepływu płynu. Przykładowo, przy przepływie przez rurkę o obwodzie kołowym, płyn nieściśliwy najszybciej płynie środkiem, najwolniej w pobliżu ścianek, natomiast profil prędkości przepływu jest paraboliczny, co zobrazowano na rys. 7.
W przypadku przepływów nielaminarnych, zwanych także turbulentnymi, model teoretyczny jest znacznie bardziej złożony i wymaga wprowadzania innych miar np. lepkości turbulentnej.

Lepkość względna

W celu porównania własności różnych płynów wykorzystywane jest pojęcie lepkości względnej lub lepkości umownej, która jest liczbą bezwymiarową liczoną według określonej zależności. Może być to np. stosunek lepkości dynamicznych cieczy badanej i cieczy wzorcowej h wzgl=hc / hw, gdzie: hc - lepkość dynamiczna cieczy w temperaturze tc w [Pa•s], h w - lepkość dynamiczna cieczy wzorcowej (zazwyczaj wody) w temperaturze tw w [Pa•s]. Lepkość względną wyraża się w jednostkach umownych, które stanowią stosunek czasu wypływu badanej cieczy do czasu wypływu cieczy wzorcowej lub określają czas wypływu badanej cieczy ze znormalizowanego aparatu. Pomiar odbywa się w ściśle znormalizowanych warunkach. W większości krajów europejskich, lepkość względną określa się za pomocą stopni Englera (oE). Jest to stosunek czasu wypływu 200cm3 badanej cieczy w danej temperaturze do czasu wypływu tej samej ilości wody destylowanej w temperaturze 20oC przez znormalizowaną kapilarę aparatu Englera. W Wielkiej Brytanii i USA określa się lepkość względną za pomocą sekund Redwooda. Jest to czas wypływu 50cm 3 badanej cieczy mierzony w sekundach. W zależności od rodzaju lepkościomierza Redwooda, rozróżnia się dwa rodzaje sekund Redwooda: sekundy Redwooda handlowe i sekundy Redwooda Admirality. We Francji stosowane są stopnie Barbe (oB), które określają ile cm3 cieczy wypłynie w ciągu godziny z lepkościomierza Barbego. W USA lepkość wyraża się za pomocą sekund Saybolta. Jest to czas wypływu 60cm 3 badanej cieczy z lepkościomierza Saybolta. W zależności od rodzaju lepkościomierza rozróżnia się dwa rodzaje sekund Saybolta: Saybolt Uniwersal Seconds i Saybolt Furol Seckilka barier, których pokonanie stanowi istotny czynnik potrzebny aby prowadzić dalsze badania nad tym tematem. Po pierwsze pomiar odbywa się z wysokimi prędkościami ścinania, prowadząc do zachowań nieniutonowskich, nawet w płynach, w których zachowania takie normalnie nie występują. Wymaga to innej analizy zachodzących zjawisk i może wpłynąć na dokładność pomiaru. Kolejnym problemem jest fakt pomiaru płynu jedynie w mikroskopijnym obszarze próbki przyległej do przetwornika pomiarowego. Jednorodność płynu i rozmiar jego cząsteczek są dodatkowymi własnościami, które wpływają istotnie na dokładność metody. Ponieważ głębokość penetracji d fali akustycznej jest bardzo mała i np. dla wody wynosi 0,05m, metoda pomiarowa nadaje się do pomiaru płynów charakteryzujących się granularnością materiału wielkości dziesiątych części mikrometra. Należy także podkreślić że mierzona wielkość lepkości akustycznej jest dla większości użytkowników konceptualnie inna niż mierzona innymi metodami lepkość kinematyczna.

Wiskozymetry akustyczne są urządzeniami wyjątkowo uniwersalnymi i przemysł dopiero zaczyna korzystać z ich własności, które są niezaprzeczalnie konkurencyjne wobec dotychczas stosowanych metod. Do istotnych zalet należą niska cena oraz wysoka czułość. Pomijając wibracje na poziomie atomowym, sensory w wiskozymetrach akustycznych nie mają ruchomych części i z powodu stosowania wysokich częstotliwości propagowanej fali są niezależne od warunków przepływu oraz odporne na zakłócenia. Ponadto umożliwiają pomiar lepkości w czasie rzeczywistym, co jest szczególne istotne z przemysłowego punktu widzenia.

Instalacja wiskozymetrów

Zastosowanie urządzeń mierzących lepkość w istniejącej instalacji, nawet jeśli wydaje się rozwiązaniem stosunkowo tanim, nie jest proste. Montowanie i demontaż wiskozymetrów w instalacji, gdzie istnieją wyjątkowo gwałtowne strumienie wymaga rozważenia wielu istotnych zagadnień związanych choćby z bezpieczeństwem.

Instalację wiskozymetru rozpoczyna się od wyboru miejsca pobierania płynu do analizy. Ważne jest aby próbka była jednorodna podczas całego cyklu wyznaczania lepkości. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie przewodów obejściowych (bypass) strumienia, co powoduje że tylko jego mała część skierowana jest do toru pomiarowego lepkości. Istotne parametry, takie jak tempo przepływu, ciśnienie i temperatura, powinny być stałe i kontrolowane przez cały czas trwania pomiaru.

Zautomatyzowana ekstrakcja próbki do analizy przemysłowej powinna naśladować ręczną ekstrakcję stosowaną w analizie laboratoryjnej. Ponadto powinno się wykorzystywać jeden punkt do pobierana próbki zarówno do analizy przemysłowej i analizy laboratoryjnej. Minimalizuje to różnice pomiędzy tymelement. Ruch tego elementu może powodować wypieranie płynu, co charakteryzuje np. urządzenie pomiarowe z elementem w kształcie widełek. W takim przypadku układ pomiarowy jest wrażliwy na zmiany przepływu lub zmiany gęstości mierzonego płynu. Może to być zarówno wadą jak i zaletą. Poprzez monitorowanie zmian częstotliwości rezonansowej wraz ze zmianami gęstości, można określić gęstość a co za tym idzie lepkość kinematyczną. W przypadku gdy sposób wibracji nie powoduje wypierania płynu, wiskozymetr charakteryzuje się odpornością na zmiany przepływu i gęstości.

Wiskozymetry wibracyjne można też podzielić ze względu na dwa algorytmy wyznaczania lepkości. W przypadku metody amplitudowej siła wibracji maleje wraz ze wzrostem lepkości, co może być wykorzystane dwojako. W najprostszym przypadku następuje pomiar zmiany amplitudy przy częstotliwości rezonansowej. Bardziej złożone urządzenia zwiększają energię dostarczaną do rezonatora w celu utrzymania stałej amplitudy. W tym przypadku lepkość jest funkcją energii dostarczanej do układu pomiarowego.

W metodzie pomiaru pasma przenoszenia wykorzystywany jest fakt wzrostu pasma oscylującego układu przy wzroście lepkości badanego płynu. Urządzenia wyznaczające lepkość na podstawie pasma przenoszenia działają mierząc zmiany częstotliwości oscylacji w układzie. Bardziej złożone algorytmy pomiarowe uwzględniają podczas pomiaru występujące zjawiska związane z przepływem, nieliniowości odpowiedzi układu oraz analizują wpływ zmian temperatury na gęstość badanego płynu.

Wiskozymetry akustyczne

Jednym z najbardziej niepożądanych aspektów konwencjonalnych metod pomiaru lepkości jest konieczność ruchu albo mechanizmu czujnika albo płynu. Wiskozymetry akustyczne należą do nowej rodziny sensorów wykorzystujących technologię półprzewodnikową. Ich sposób działania polega na badaniu propagacji, odbicia i rozproszenia fali akustycznej w badanym płynie. Lepkościomierze akustyczne przezwyciężają wiele ograniczeń wcześniej wymienionych sposobów pomiaru lepkości i wprowadzają nowe możliwości pomiarowe. Ponadto charakteryzują się one bardzo małymi rozmiarami.

Na początku wiskozymetry akustyczne rozwijane były szczególnie dla tych zastosowań, gdzie wykorzystanie dużych przetworników jest niemożliwe ze względu na niewielkie rozmiary układu, w którym występuje przepływ płynu. Jest to charakterystyczne podczas pomiaru lepkości oleju w silnikach samochodowych lub podczas pomiarów lepkości krwi w urządzeniach medycznych. Obecnie metoda ta jest sprawdzana w innych zastosowaniach przemysłowych, gdyż pozwala na znaczną redukcję kosztów wytworzenia przetwornika pomiarowego i jego implementacji. Ponadto umożliwia pomiar lepkoonds (SUS i SFS). W celu przeliczenia jednostek umownych na jednostki bezwzględne stosowane są zależności w postaci wzorów empirycznych lub wykresów (tzw. nomogramów).

Nowe rozwiązania i technologie

Firmy wytwarzające lepkościomierze poszukując nowych technologii, które pozwoliłyby na zmniejszenie kosztów wytworzenia przetworników pomiarowych oraz ich implementacji zaproponowały kolejne metody pomiarowe: wiskozymetry wibracyjne i akustyczne. Te ostatnie dopiero zaczynają być wykorzystywane, jednak ze względu na ich szczególną budowę i znaczną miniaturyzację mają szansę na zastosowanie w tych gałęziach przemysłu, w których wykorzystanie większych urządzeń nie było wcześniej możliwe.

Wiskozymetry wibracyjne

Rys. 7. Rozkład prędkości podczas przepływu laminarnego płynu nieściśliwego przez rurkę o przekroju kołowym

Wiskozymetry wibracyjne stosowane są w procesach przemysłowych – szczególnie w przemyśle petrochemicznym. Urządzenia tego typu pozwalają na pomiar lepkości zabrudzonych płynów oraz płynów o wysokiej lepkości (do 1McP). Obecnie w wielu zastosowaniach przemysłowych lepkościomierze tego typu są uważane za najefektywniejsze systemy do pomiaru lepkości każdego rodzaju płynu.

Podstawą działania wiskozymetru wibracyjnego jest utrzymywanie stałej w częstotliwości rezonansowej wibrującego elementu zanurzonego w mierzonym płynie. Amplituda wibracji zmienia się w zależności od lepkości płynu. Wiskozymetry wibracyjne nie mają ruchomych części, które mogłyby ulec szybkiemu zużyciu, zaś końcówka wibrująca jest bardzo mała. Ponieważ nie wszystkie tego typu urządzenia działają tak samo, warto określić występujące pomiędzy nimi różnice.

Wiskozymetry wibracyjne można kategoryzować na różne sposoby. Po pierwsze istnieje kilka ich podstawowych typów różniących się między sobą pomiarowym elementem oscylującym. W przypadku gdy jest to tzw. końcówka sferyczna, czyli sfera ze stali nierdzewnej oscylująca wokół osi biegunowej z precyzyjnie kontrolowaną amplitudą, lepkość wyznacza się przez pomiar mocy wymaganej do utrzymania stałej i określonej amplitudy oscylacji. Im wyższa lepkość, tym wyższy pobór mocy. Pomimo prostoty działania, wiskozymetr z końcówką sferyczną pozwala tylko na wyznaczenie lepkości dynamicznej.

W przypadku zanurzonej w płynie końcówki w kształcie pręta dynamiczna lepkość mierzona jest poprzez badanie tłumienia rezonatora. Jest on wzbudzony do swojej naturalnej częstotliwości poprzez wibracje skręcające (rys. 5.a). Źródło o stałej mocy wywołuje wibracje pręta, natomiast zmiany amplitudy są mierzone celu określenia lepkości. Podobnie jak w przypadku końcówki sferycznej, stosowanie pręta pozwala tyko na pomiar lepkości dynamicznej. Ponadto, w przypadku płynów o wysokiej lepkości, metoda ta może być podatna na zakłócenia.

Metoda wykorzystująca końcówkę w kształcie widełek (rys. 5.b) została zaprojektowana do zastosowań w przemyśle petrochemicznym. W tym przypadku wywoływany jest ruch oscylacyjny płytek pomiarowych zanurzonych w płynie. Są one połączone z układami napędów elektromagnetycznych poprzez płytki sprężyste. Kiedy płytki wibrują z jednostajną częstotliwością, amplituda zmienia się w zależności od oporu spowodowanego przez lepkość pomiędzy płytkami pomiarowymi a płynem. Wykorzystanie zjawiska rezonansu jest najważniejszym elementem pracy wiskozymetru wibracyjnego. W celu wytworzenia stałej amplitudy przy częstotliwości rezonansowej steruje się prądem w układzie regulacji napędów elektromagnetycznych, które wywołują oscylacje płytek sprężystych. Lepkość określa się na podstawie pomiaru prądu płynącego w układzie napędowym, pozwalającego uzyskać stałą amplitudę przy częstotliwości rezonansowej. W celu uzyskania stabilnych oscylacji sinusoidalnych. każda płytka pomiarowa jest poruszana w przeciwfazie z tą samą częstotliwością i amplitudą.

Technologia ta pozwala na równoczesny pomiar lepkości i gęstości płynu. Wykonywany jest pomiar pasma przenoszenia oraz częstotliwości wibrującej końcówki. Informacja o lepkości odczytywana jest z pasma przenoszenia, natomiast analiza częstotliwości pozwala na wyznaczenie gęstości płynu. Jest więc to technologia, która pozwala na pomiary lepkości dynamicznej oraz lepkości kinematycznej w trybie online. Dodatkowo stosowany może być element do pomiaru temperatury, który pozwala na pomiar gęstości i lepkości względem temperatury.

Inna metodą podziału wiskozymetrów wibracyjnych jest określenie sposobu w jaki porusza się wibrujący ści w czasie rzeczywistym, co jest szczególnie istotne w układach monitorowania własności przepływającego płynu i w układach regulacji.

Układ przetwornika pomiarowego składa się z dwóch podstawowym elementów. Pierwszym jest rezonator kwarcowy będący przetwornikiem wejściowym (nadajnikiem), drugi to oddzielony cienką warstwą badanego płynu hermetycznie uszczelniony przetwornik wyjściowy (odbiornik). Rezonator kwarcowy oscyluje z częstotliwością ὠ i stałą amplitudą U. Fala ścinająca penetruje płyn na głębokość d, która zależy od częstotliwości ὠ, gęstości p oraz lepkości dynamicznej płynu ƞ co opisuje równanie: d=(2ƞ•p•ὠ)1/2 . Ponieważ częstotliwość charakterystyczna dla rezonatora kwarcowego jest znana, określając głębokość penetracji d można wyznaczyć iloczyn lepkości i gęstości. Wymienione odczyty zwykle pochodzą z pomiaru reflektancji oraz utraty energii fali akustycznej pomiędzy nadajnikiem a badanym płynem. W metodzie tej wykorzystany jest pomiar strat energii przy przejściu wytworzonej przez rezonansową płytkę półprzewodnikową fali akustycznej przez badana próbkę płynu. Lepkość można wyznaczyć znając charakterystykę impedancyjną materiału, z którego wytworzony jest nadajnik: ZW=(pw•µ)1/2 oraz charakterystykę impedancyjną mierzonego płynu: Z=(ὠ•ƞ•ƥL)1/2, gdzie pW jest gęstością materiału rezonatora kwarcowego, pL gęstością cieczy, natomiast µ jest modułem elastyczności rezonatora kwarcowego, jest częstotliwością radialną generowanej fali, natomiast ƞ jest lepkością dynamiczną badanego płynu.

Straty energii przy przejściu przez badany płyn są proporcjonalne do stosunku ZL/ZW (przyjmując: ZL<< ZW). Kwadrat strat energii jest proporcjonalny do iloczynu częstotliwości, gęstości i lepkości (ὠ•n•p). Te2~(ὠ•n•pL)/(pw•ƞ). Znając charakterystykę impedancyjną rezonatora oraz częstotliwość propagowanej fali, na podstawie pomiaru strat energii wyznacza się iloczyn lepkości i gęstości co nazywane jest lepkością akustyczną: ηak=n•p[kg2/(m4•s)].

Wstępne wyniki badań z akustycznymi wiskozymetrami wskazują na możliwość konstrukcji zaawansowanego przetwornika pomiarowego, który może działać w trybie online z wysoką dokładnością. Zakres pomiarowy rozciąga się od niskich wartości lepkości poniżej 10cSt aż do 10kcSt.

Wiskozymetry akustyczne, pomimo swojej atrakcyjności mają i dwiema metodami analizy i pozwala na uzyskanie dokładniejszych wyników oraz informacji diagnostycznej dotyczącej przetwornika pomiarowego.

Istotnym etapem w instalacji i nadzoru wiskozymetru jest jego kalibracja. Często jest ona wykonywana przez firmę produkującą lepkościomierz, która na czas rekalibracji przysyła przetwornik do wymiany. Należy więc tak projektować instalację przemysłową aby w łatwy sposób można było zdemontować wiskozymetr.

Dobór wiskozymetrów do zastosowań przemysłowych

Nie istnieje jedna uniwersalna metoda pomiaru lepkości, jednak rozważając kilka podstawowych czynników można określić optymalne rozwiązanie dla większości aplikacji.

Po pierwsze należy określić rodzaj mierzonego płynu. Wiskozymetry kapilarne są bardzo prostym, tanim rozwiązaniem w przypadku płynów niutonowskich. Nie są one jednak zbyt dokładne. Płyny nieniutonowskie są wrażliwe na zmiany prędkości ścinania i mogą być dokładnie mierzone z wykorzystaniem lepkościomierzy rotacyjnych lub wibracyjnych. W przypadku płynów zawierających ciała stale nie należy wykorzystywać wiskozymetrów kapilarnych i tłokowych, gdyż nie są one odporne na powstawanie osadów i zatykanie.

Wiskozymetry wibracyjne zwykle są konstruowane w taki sposób, aby przy okazji automatycznie czyścić się podczas pracy. W przypadku płynów powodujących korozję można także określić materiał antykorozyjny jaki ma pokrywać sensor. Pomimo że dokładność pomiaru jest ważnym aspektem, często w układach regulacji w aplikacjach przemysłowych ważniejsza może być powtarzalność pomiaru. Dobra powtarzalność charakteryzuje wszystkie przedstawione metody.

W instalacjach petrochemicznych wiele pomiarów procesowych może wymagać pomiaru lepkości kinematycznej i wielkość ta jest często uważana za najważniejszy użytkowy pomiar służący do określenia jakości produktu. W większości metod stosowanych w procesach przemysłowych mierzona jest lepkość dynamiczna. Jedynie w lepkościomierzach wibracyjnych z końcówką w kształcie widełek można wykonać dodatkowo pomiar gęstości, a co za tym idzie także lepkości kinematycznej.

W aplikacjach przemysłowych, w układach regulacji, najpopularniejsze były wiskozymetry kapilarne, jednak czas odpowiedzi tych przetworników jest dosyć długi. Wiskozymetry rotacyjne i wibracyjne, które mogą być zainstalowane bezpośrednio w instalacji procesowej mają znacznie krótsze czasy odpowiedzi, a co za tym idzie pozwalają na lepszą regulację.

Zakres pomiarowy jest ważnym czynnikiem podczas wyboru typu przyrządu. Wiskozymetry kapilarne zwykle działają w dość wąskim i wymagają stosowania różnych rurek kapilarnych w celu powiększenia zakresu pomiarowego. W przypadku wiskozymetrów rotacyjnych może być istotne zastosowanie cylindrów o różnych średnicach. Metody wibracyjne mają największy zakres pomiarowy, co powoduje że są przydatne w aplikacjach w których różne rodzaje płynów mierzone są przez ten sam lepkościomierz lub podczas mieszania kilku płynów.

Koszt stosowania lepkościomierzy zależy od wybranej metody. Procesowe wiskozymetry kapilarne mogą wymagać znacznych nakładów implementacyjnych. Szczególnie gdy są wymagane dodatkowe układy, które pozwalają na utrzymanie stałych warunków wykonywania pomiaru, czyli temperatury, przepływu i ciśnienia. W przypadków urządzeń rotacyjnych koszt implementacji nie jest tak wysoki, jednak późniejsze koszty użytkowania i okresowych przeglądów mogą być znaczne. Wiskozymetry wibracyjne są zwykle najbardziej kosztowne w instalacji, jednak późniejsze ich użytkowanie jest stosunkowo tanie.

Tabele

Jakub Możaryn