Wiskozymetry, lepkościomierze - 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.