Вискозиметр – это прибор, используемый для измерения вязкости жидкости и её текучести. Давайте обсудим различные типы вискозиметров, особенности их конструкции и факторы, влияющие на выполнение точного и воспроизводимого измерения вязкости. В трибологии и при изучении смазочных материалов вязкость часто упоминается как наиболее важная характеристика базового масла. Почему же вязкость так важна при смазывании машины? Слишком низкая вязкость может привести к контакту движущихся поверхностей внутренних компонентов, из-за чего начнётся износ. А слишком высокая вязкость повысит нагрузку на машину, потому что, чтобы преодолеть внутреннее сопротивление текучести смазочного материала, она должна выполнять больше работы. Поэтому очень важно понимать не только вязкость базового масла, но и то, как она может изменяться в зависимости от условий эксплуатации или окружающей среды.
Чем вискозиметры отличаются от реометров?
Вязкость – это показатель сопротивления жидкости течению (напряжению сдвига) при заданной температуре. Вязкость некоторых жидкостей меняется по мере изменения характеристик потока. Жидкость, вязкость которой изменяется в зависимости от условий потока, называется неньютоновской. Вязкость таких жидкостей измеряется с помощью реометров. Вискозиметры, в свою очередь, измеряют вязкость ньютоновских жидкостей — то есть тех, у которых вязкость остаётся постоянной при изменении скорости сдвига.
Капиллярный вискозиметр с U-образной стеклянной трубкой, в котором движение происходит за счёт гравитации. Соответствует стандарту ASTM D445-97.Чем кинематическая вязкость отличается от абсолютной?
Вязкость можно замерять разными способами, но двумя самыми распространёнными подходами является замер абсолютной вязкости и кинематической. Основное различие заключается в том, что кинематическая вязкость измеряется путём наблюдения за течением жидкости под действием силы тяжести, а как абсолютная вязкость измеряется путём наблюдения за течением жидкости под действием внешней и контролируемой силы, либо через капилляр, либо при перемещении тела через жидкость. Кинематическая вязкость указывается в сантистокc (cSt), а абсолютная вязкость – в сантипуазах (cP). Эти параметры можно сравнить с помощью формулы: cSt = cP/SG или же обратной формулы: cP = cSt x SG, где SG означает относительную плотность (special gravity).
Методы определения вязкости
Для определения вязкости было разработано несколько методов, каждый из которых имеет свои преимущества. Ниже приведен список наиболее распространённых методов, используемых для определения вязкости базовых масел.
Испытание с помощью капиллярного (стеклянного) вискозиметра
Самой главной составляющей данного прибора является изогнутая стеклянная трубка, которую называют U-образной из-за её формы. Процедура испытания заключается в том, что сначала трубка, в которой уже есть масло, помещается в ванну с постоянной температурой (обычно 40 °C или 100 °C), затем отсчитывается время в секундах, за которое масло в трубке проходит под действием гравитации от одной отметки до другой. Затем это время умножается на постоянную величину (определяется параметрами конкретной трубки) для расчёта абсолютной вязкости (всасывание) или кинематической вязкости (гравитация).
Ротационный вискозиметр (Brookfield) ASTM D2983Испытание на ротационном вискозиметре
В данном случае масло помещается в ёмкость, внутри которой вращается шпиндель. По крутящему моменту шпинделя можно определить вязкость. Гравитация не играет роли во время данного испытания. Здесь идёт замер внутреннего сдвигающего напряжения жидкости, то есть чем выше вязкость, тем выше крутящий момент, потому что тем сложнее идёт вращение шпинделя. Таким образом, ротационный вискозиметр определяет абсолютную, а не кинематическую вязкость. Распространённой моделью такого вискозиметра является Brookfield. Также существует усовершенствованная модель – вискозиметр Штабингера. В вискозиметре Штабингера шпиндель не прикреплён к остальной конструкции, а располагается автономно и вращается за счёт воздействия электромагнитной силы. У этого метода есть свои преимущества, потому что при расчёте вязкости не надо учитывать трение подшипника мотора шпинделя.
Вискозиметрия методом падающего шарика и падающего поршня
Так называются менее распространённые методы измерения вязкости. Шарик или поршень свободно тонет в жидкости. Измеряется время, за которое он проходит от одной отметки до другой. Для расчёта вязкости по закону Стокса нужно знать конечную скорость, размер и плотность шарика или поршня.
Другие методы испытаний
В некоторых редких случаях может использоваться метод определения вязкости по скорости подъёма пузырьков. Во время этого испытания замеряется время, за которое пузырёк проходит определённое расстояние. Вязкость жидкости пропорциональна этому времени. Ещё вязкость можно замерить на основе сопротивления жидкости вибрации с помощью чувствительного элемента.
Типы вискозиметров
В данный момент на рынке представлены разные виды вискозиметров. Сейчас мы про них поговорим.
Портативные вискозиметры
Как понятно по названию, портативные вискозиметры предназначены не для лабораторий, а для ситуаций, когда их надо переносить с места на место. Очень часто вязкость надо замерить прямо на предприятии или в полевых условиях – портативные вискозиметры прекрасно подходят для этих случаев. На основе такого анализа можно сделать выводы, следует ли отправлять масло на дальнейшие более подробные испытания. 62 % специалистов по смазыванию используют тот или иной тип вискозиметра для анализа масла согласно результатам опроса на портале machinerylubrication.com.
Небольшие вискозиметры для размещения на предприятии
Если вы хотите получить наиболее точные данные в результате анализа, надо задействовать полнофункциональный вискозиметр. Как правило, эти устройства могут замерять как кинематическую, так и абсолютную вязкость в широком диапазоне температур, а также вычислять плотность. Одна из трудностей, с которой сталкиваются лаборатории по анализу масла, – это необходимость провести несколько анализов на пробе ограниченного объёма. Чем меньше масла расходуется за одно испытание, тем больше испытаний можно провести. Существуют высокотехнологичные вискозиметры, способные провести точные измерения с повторяемостью 0,1 %, используя пробу объёмом менее 0,1 миллилитра. Поэтому в крупных лабораториях, обрабатывающих сотни проб за день, полнофункциональные вискозиметры являются необходимостью.
Вискозиметры, установленные на линии
Обычно анализ вязкости проводится на уже отобранной пробе, но некоторые вискозиметры способны измерять вязкость масла, которое находится в работе. Обычно это достигается с помощью датчика или преобразователя, который находится непосредственно внутри линии (внутри трубопровода) или на линии (то есть в качестве байпас-трубы или преобразователя). Данные с датчиков поступают на компьютер или какое-либо другое дополнительное устройство мониторинга.
Факторы, влияющие на измерение вязкости
Распространенные типы вискозиметров с U-образной трубкойНесмотря на то что на первый взгляд замер вязкости кажется простой задачей, тут есть свои тонкости. Во время проведения испытания надо учитывать и контролировать несколько факторов, таких как:
- ТемператураС точки зрения важности вязкость зависит от температуры так же, как базовое масло зависит от вязкости. Ванные с регулируемой температурой используются во время замера вязкости как раз для того, чтобы измеряемое масло было определённой температуры (замер при 40 °C и 100 °C является стандартной практикой) с отклонениями не более ±0,02 °C.
Поддержание температуры в ванне может быть сложной задачей, поэтому в наиболее технологичных вискозиметрах ванна является частью общей конструкции прибора. - Стекло вискозиметраТочность капиллярных вискозиметров зависит не только от температуры, но и от точного внутреннего диаметра трубки. По этой причине эти стеклянные трубки изготавливаются из полностью отожжённого боросиликатного стекла с низким коэффициентом расширения.
Одним из параметров трубки, который указывается в техническом паспорте прибора, является её постоянная, которая используется при расчёте вязкости в качестве поправочного коэффициента.
Как минимум раз в год нужно проводить повторную калибровку вискозиметра при температуре, при которой он обычно используется, чтобы обеспечить как можно меньшую погрешность. Методы калибровки указаны в стандарте ASTM D446. - Размер вискозиметраВискозиметры различаются по размеру из-за большого разнообразия значений вязкости, которые могут быть измерены.
Рекомендуется, чтобы измеряемая жидкость внутри вискозиметра проходила от одной отметки до другой не менее чем за 200 секунд (при измерениях вручную с использованием секундомера) во избежание человеческой ошибки. - Промывка между замерамиЕщё одним важным фактором, влияющим на точность испытаний, является качество промывки трубки вискозиметра между измерениями.
Как правило, этапы очистки, промывки и сушки выполняются с использованием различных растворителей, испаряющихся без следа. В лабораториях, где идёт большой поток проб, вискозиметры обычно обладают встроенной системой очистки.
Тем не менее, всё равно всегда следует проверять результаты промывки, чтобы понять, следует ли провести её повторно, особенно после анализа отработанных масел. - К другим важным факторам, которые могут повлиять на измерение вязкости, относятся точность и механизм работы хронометра, правильное обращение с пробами, а также тщательный и непрерывный контроль качества.
Уже на протяжении многих лет технология измерения вязкости не прекращает развиваться и совершенствоваться. Благодаря ASTM и ISO методы испытаний вязкости, процедуры калибровки, очистки и другие факторы меняются с целью повышения точности измерений. Всё-таки именно вязкость является наиболее важным физическим свойством базового масла. Качественное измерение вязкости с помощью эффективных методов и строгих стандартов приводит к повышению надёжности смазывания оборудования и, в конечном счёте, к увеличению срока его службы.
- Автор статьи:Беннетт Фитч, Корпорация Noria
- Источник:Viscometers A Practical Guide