wersja mobilna
Online: 272 Czwartek, 2016.09.29

Temat miesiąca

Przemysłowe pomiary lepkości

czwartek, 12 czerwca 2008 13:05

Procesy przemysłowe, w których występuje przepływ płynów, takie jak rafi nacja lub przygotowanie produktów w przemyśle farmaceutycznym, muszą sprostać wymaganiom rosnącej produktywności i coraz wyższych standardów jakości. Jednym z istotnych parametrów, który należy mierzyć i kontrolować, aby osiągnąć coraz lepsze rezultaty produkcji, jest lepkość.

Spis treści » Wiskozymetria w przemyśle
» Wiskozymetry tłokowe
» Wiskozymetry wibracyjne
» Pokaż wszystko

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.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

2016-09-28   |
Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

Stałoprądowe zasilacze nowej serii EVS zostały zaprojektowane do zastosowań w systemach magazynowania energii i innych wymagających zasilania stałym prądem, np. oczyszczania wody czy powlekania galwanicznego. W zależności od wersji mogą być chłodzone przez naturalny obieg powietrza (wersje 300 W) lub za pomocą wbudowanego wentylatora (wersje 600 W).
czytaj więcej

Huby USB do zastosowań przemysłowych

2016-09-28   | Conrad Electronic Sp. z o.o.
Huby USB do zastosowań przemysłowych

Conrad Business Supplies wprowadził do oferty nowe huby (rozdzielacze) USB 2.0 marki renkforce. Urządzenia z czterema lub siedmioma portami są przeznaczone do zastosowań przemysłowych i innych, gdzie wymagana jest wysoka stabilność mechaniczna oraz bezpieczeństwo instalacji.
czytaj więcej

Nowy numer APA