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.

Rodzaje płynów

W instalacjach technologicznych często występuje przepływ laminarny płynów, do których zaliczają się ciecze, gazy, piany, emulsje, zawiesiny, pasty, itp. Ponieważ charakteryzują się one różnymi właściwościami, często wprowadzany jest podział na płyny niutonowskie i nieniutonowskie. Płyny niutonowskie są doskonale lepkie. Charakteryzuje się liniową zależnością naprężenia ścinającego pomiędzy warstwami od szybkości ścinania: t= ƞ•(dg/dt) - w tym przypadku lepkość dynamiczna m ma wartość stałą. Należy podkreślić, że wartość lepkości dynamicznej zależy od własności substancji tworzącej płyn i jego parametrów termodynamicznych, takich jak temperatura i ciśnienie.

Ze wzrostem ciśnienia lepkość dynamiczna cieczy i gazów rośnie, natomiast ze wzrostem temperatury lepkość cieczy maleje, a gazów rośnie. Często oceny lepkości należy dokonać w różnych warunkach temperaturowych, jakie mogą wystąpić w procesie technologicznym. Płyny nieniutonowskie charakteryzują się zmienną, nieliniową lepkością dynamiczną:

t=f•(dg/dt). Wartość lepkości płynów nieniutonowskich zmienia się w zależności od występujących szybkości ścinania. Podczas przemysłowego pomiaru lepkości w płynach nieniutonowskich wykorzystywane są najczęściej te same przyrządy pomiarowe, jak w przypadku pomiarów lepkości w płynach niutonowskich. Należy jednak przyjąć inne procedury pomiarowe oraz dodatkowe wskaźniki charakteryzujące lepkość płynów. Płyny nieniutonowskie występują często w przemyśle petrochemicznym, rafineryjnym, farmaceutycznym i spożywczym. Krzywe płynięcia – reogramy pozwalają na zobrazowanie niektórych zależności i na podział wszystkich płynów na cztery podstawowe grupy: płyny niutonowskie, takie jak np. woda, gazy, duża część olejów, rozpuszczalniki, roztwory rozcieńczone; płyny pseudoplastyczne – np. śluzy i niektóre żele; płyny plastyczne birghamowskie, które mają tzw. granicę płynięcia (ich płyniecie następuje dopiero pod wpływem pewnego określonego naprężenia ścinającego). Przykładem są maści, pasty i zawiesiny; płyny dylantacyjne to np. bardzo gęste zawiesiny i związki wielkocząsteczkowe.

Jakub Możaryn