Viscosímetro

Instrumento científico utilizado para medir la viscosidad.

Un viscosímetro (también llamado viscosímetro ) es un instrumento que se utiliza para medir la viscosidad de un fluido . Para líquidos con viscosidades que varían con las condiciones de flujo , se utiliza un instrumento llamado reómetro . Por lo tanto, un reómetro puede considerarse un tipo especial de viscosímetro. ^[1] Los viscosímetros pueden medir solo la viscosidad constante, es decir, la viscosidad que no cambia con las condiciones de flujo.

En general, el fluido permanece estacionario y un objeto se mueve a través de él, o el objeto está estacionario y el fluido se mueve más allá de él. La resistencia causada por el movimiento relativo del fluido y una superficie es una medida de la viscosidad. Las condiciones de flujo deben tener un valor suficientemente pequeño del número de Reynolds para que haya flujo laminar .

A 20  °C, la viscosidad dinámica (viscosidad cinemática × densidad) del agua es de 1,0038 mPa·s y su viscosidad cinemática (producto del tiempo de flujo × factor) es de 1,0022 mm ² /s. Estos valores se utilizan para calibrar ciertos tipos de viscosímetros.  

Viscosímetros de laboratorio estándar para líquidos.

Los viscosímetros Ostwald miden la viscosidad de un fluido con una densidad conocida.

Viscosímetros de tubo en U

Estos dispositivos también se conocen como viscosímetros capilares de vidrio o viscosímetros de Ostwald , llamados así por Wilhelm Ostwald . Otra versión es el viscosímetro Ubbelohde , que consiste en un tubo de vidrio en forma de U colocado verticalmente en un baño de temperatura controlada. En un brazo de la U hay una sección vertical de orificio estrecho preciso (el capilar). Arriba hay un bulbo, con él hay otro bulbo más abajo en el otro brazo. En uso, el líquido se aspira hacia el bulbo superior y luego se deja fluir hacia abajo a través del capilar hacia el bulbo inferior. Dos marcas (una encima y otra debajo del bulbo superior) indican un volumen conocido. El tiempo que tarda el nivel del líquido en pasar entre estas marcas es proporcional a la viscosidad cinemática. La calibración se puede realizar utilizando un fluido de propiedades conocidas. La mayoría de las unidades comerciales se proporcionan con un factor de conversión.

Se mide el tiempo que tarda el líquido de ensayo en fluir por un capilar de diámetro conocido de un factor determinado entre dos puntos marcados. Multiplicando el tiempo empleado por el factor del viscosímetro se obtiene la viscosidad cinemática.

Estos viscosímetros se pueden clasificar como de flujo directo o de flujo inverso. Los viscosímetros de flujo inverso tienen el depósito por encima de las marcas, y los de flujo directo son aquellos con el depósito por debajo de las marcas. Estas clasificaciones existen para que el nivel se pueda determinar incluso cuando se miden líquidos opacos o que manchan, de lo contrario el líquido cubrirá las marcas y hará imposible medir el tiempo en que el nivel pasa la marca. Esto también permite que el viscosímetro tenga más de 1 juego de marcas para permitir una cronología inmediata del tiempo que tarda en alcanzar la 3.ª marca ^{[ aclarar ]} , lo que produce 2 cronometraciones y permite el cálculo posterior de la determinabilidad para garantizar resultados precisos. El uso de dos cronometraciones en un viscosímetro en una sola ejecución solo es posible si la muestra que se mide tiene propiedades newtonianas . De lo contrario, el cambio en la carga de accionamiento, que a su vez cambia la velocidad de corte, producirá una viscosidad diferente para los dos bulbos.

Viscosímetros de esfera descendente

Flujo arrastrándose más allá de una esfera

La ley de Stokes es la base del viscosímetro de esfera descendente, en el que el fluido está estacionario en un tubo de vidrio vertical. Se permite que una esfera de tamaño y densidad conocidos descienda a través del líquido. Si se selecciona correctamente, alcanza la velocidad terminal , que se puede medir por el tiempo que tarda en pasar dos marcas en el tubo. La detección electrónica se puede utilizar para fluidos opacos. Conociendo la velocidad terminal, el tamaño y la densidad de la esfera y la densidad del líquido, se puede utilizar la ley de Stokes para calcular la viscosidad del fluido. Normalmente, en el experimento clásico se utiliza una serie de cojinetes de bolas de acero de diferente diámetro para mejorar la precisión del cálculo. El experimento escolar utiliza glicerol como fluido, y la técnica se utiliza industrialmente para comprobar la viscosidad de los fluidos utilizados en los procesos. Incluye muchos aceites y líquidos poliméricos diferentes , como soluciones ^{[ aclarar ]} .

En 1851, George Gabriel Stokes derivó una expresión para la fuerza de fricción (también llamada fuerza de arrastre ) ejercida sobre objetos esféricos con números de Reynolds muy pequeños (por ejemplo, partículas muy pequeñas) en un fluido viscoso continuo cambiando el límite de masa de fluido pequeño de las ecuaciones de Navier-Stokes generalmente irresolubles :

${\displaystyle F=6\pi r\eta v,}$

dónde

${\displaystyle F}$es la fuerza de fricción,

${\displaystyle r}$es el radio del objeto esférico,

${\displaystyle \eta }$es la viscosidad del fluido,

${\displaystyle v}$es la velocidad de la partícula.

Si las partículas caen en el fluido viscoso por su propio peso, entonces se alcanza una velocidad terminal, también conocida como velocidad de sedimentación, cuando esta fuerza de fricción combinada con la fuerza de flotación equilibra exactamente la fuerza gravitacional . La velocidad de sedimentación resultante (o velocidad terminal ) viene dada por

${\displaystyle V_{\text{s}}={\frac {2}{9}}{\frac {r^{2}g(\rho _{p}-\rho _{f})}{\mu }},}$

dónde:

V _s es la velocidad de sedimentación de la partícula (m/s), verticalmente hacia abajo si ρ _p > ρ _f , hacia arriba si ρ _p < ρ _f ,

r es el radio de Stokes de la partícula (m),

g es la aceleración gravitacional (m/s ² ),

ρ _p es la densidad de las partículas (kg/m ³ ),

ρ _f es la densidad del fluido (kg/m ³ ),

μ es la viscosidad (dinámica) del fluido (Pa·s).

Tenga en cuenta que se supone que hay flujo de Stokes , por lo que el número de Reynolds debe ser pequeño.

Un factor limitante en la validez de este resultado es la rugosidad de la esfera utilizada.

Una modificación del viscosímetro de caída de esfera recta es un viscosímetro de bola rodante, que mide el tiempo que tarda una bola en rodar por una pendiente mientras está sumergida en el fluido de prueba. Esto se puede mejorar aún más utilizando una placa en V patentada, que aumenta el número de rotaciones en relación con la distancia recorrida, lo que permite dispositivos más pequeños y portátiles. El movimiento de rodadura controlado de la bola evita las turbulencias en el fluido que, de lo contrario, se producirían con una bola que cae. ^[2] Este tipo de dispositivo también es adecuado para su uso a bordo de barcos. ^{[ ¿Por qué? ]}

Viscosímetro de pistón descendente

También conocido como viscosímetro Norcross en honor a su inventor, Austin Norcross. El principio de medición de la viscosidad en este dispositivo industrial resistente y sensible se basa en un conjunto de pistón y cilindro. El pistón se eleva periódicamente mediante un mecanismo de elevación por aire, que arrastra el material que se está midiendo hacia abajo a través del espacio libre (brecha) entre el pistón y la pared del cilindro hacia el espacio formado debajo del pistón a medida que se eleva. Luego, el conjunto se mantiene normalmente en alto durante unos segundos y luego se deja caer por gravedad, expulsando la muestra por el mismo camino por el que entró, lo que crea un efecto de corte en el líquido medido, lo que hace que este viscosímetro sea particularmente sensible y bueno para medir ciertos líquidos tixotrópicos . El tiempo de caída es una medida de la viscosidad, y el espacio libre entre el pistón y el interior del cilindro forma el orificio de medición. El controlador de viscosidad mide el tiempo de caída (los segundos de tiempo de caída son la medida de la viscosidad) y muestra el valor de viscosidad resultante. El controlador puede calibrar el valor de tiempo de caída en segundos de copa (conocidos como copa de eflujo), segundo universal Saybolt (SUS) o centipoise .

El uso industrial es popular debido a su simplicidad, repetibilidad, bajo mantenimiento y longevidad. Este tipo de medición no se ve afectado por el caudal ni por las vibraciones externas. El principio de funcionamiento se puede adaptar a muchas condiciones diferentes, lo que lo hace ideal para entornos de control de procesos .

Viscosímetro de pistón oscilante

El viscosímetro electromagnético o viscosímetro EMV, a veces denominado viscosímetro electromagnético, fue inventado en Cambridge Viscosity (anteriormente Cambridge Applied Systems) en 1986. El sensor (ver la figura siguiente) comprende una cámara de medición y un pistón influenciado magnéticamente. Las mediciones se toman introduciendo primero una muestra en la cámara de medición controlada térmicamente donde se encuentra el pistón. La electrónica impulsa el pistón en un movimiento oscilatorio dentro de la cámara de medición con un campo magnético controlado. Se impone una tensión de corte en el líquido (o gas) debido al recorrido del pistón, y la viscosidad se determina midiendo el tiempo de recorrido del pistón. Los parámetros de construcción para el espaciado anular entre el pistón y la cámara de medición, la fuerza del campo electromagnético y la distancia de recorrido del pistón se utilizan para calcular la viscosidad de acuerdo con la ley de viscosidad de Newton .

Vista esquemática del viscosímetro de pistón oscilante

La tecnología del viscosímetro de pistón oscilante se ha adaptado para realizar pruebas de viscosidad de muestras pequeñas y micromuestras en aplicaciones de laboratorio. También se ha adaptado para mediciones de viscosidad a alta presión y alta temperatura tanto en entornos de laboratorio como de proceso. Los sensores de viscosidad se han escalado para una amplia gama de aplicaciones industriales, como viscosímetros de tamaño pequeño para su uso en compresores y motores, viscosímetros de flujo continuo para procesos de recubrimiento por inmersión, viscosímetros en línea para su uso en refinerías y cientos de otras aplicaciones. Las mejoras en la sensibilidad de la electrónica moderna están estimulando un crecimiento en la popularidad del viscosímetro de pistón oscilante en los laboratorios académicos que exploran la viscosidad de los gases.

Viscosímetros vibracionales

Los viscosímetros vibracionales se remontan al instrumento Bendix de la década de 1950, que pertenece a una clase que funciona midiendo la amortiguación de un resonador electromecánico oscilante sumergido en un fluido cuya viscosidad se desea determinar. El resonador generalmente oscila en torsión o transversalmente (como una viga en voladizo o un diapasón). Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la amortiguación impuesta al resonador. La amortiguación del resonador se puede medir mediante uno de varios métodos:

1. Medición de la potencia de entrada necesaria para mantener el oscilador vibrando a una amplitud constante. Cuanto mayor sea la viscosidad, más potencia se necesita para mantener la amplitud de oscilación.
2. Medición del tiempo de decaimiento de la oscilación una vez que se apaga la excitación. Cuanto mayor sea la viscosidad, más rápido decae la señal.
3. Medición de la frecuencia del resonador en función del ángulo de fase entre las formas de onda de excitación y respuesta. Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será el cambio de frecuencia para un cambio de fase determinado.

El instrumento vibracional también adolece de la falta de un campo de corte definido, lo que lo hace inadecuado para medir la viscosidad de un fluido cuyo comportamiento de flujo no se conoce de antemano.

Los viscosímetros vibratorios son sistemas industriales robustos que se utilizan para medir la viscosidad en las condiciones del proceso. La parte activa del sensor es una varilla vibratoria. La amplitud de vibración varía según la viscosidad del fluido en el que está inmersa la varilla. Estos viscosímetros son adecuados para medir fluidos obstructivos y fluidos de alta viscosidad, incluidos aquellos con fibras (hasta 1000 Pa·s). Actualmente, muchas industrias en todo el mundo consideran que estos viscosímetros son el sistema más eficiente con el que medir las viscosidades de una amplia gama de fluidos; por el contrario, los viscosímetros rotacionales requieren un mayor mantenimiento, no pueden medir fluidos obstructivos y requieren una calibración frecuente después de un uso intensivo. Los viscosímetros vibratorios no tienen partes móviles, ni partes débiles y la parte sensible suele ser pequeña. Incluso los fluidos muy básicos o ácidos se pueden medir añadiendo un revestimiento protector, como el esmalte , o cambiando el material del sensor a un material como el acero inoxidable 316L . Los viscosímetros vibratorios son los instrumentos en línea más utilizados para monitorear la viscosidad del fluido de proceso en tanques y tuberías.

Viscosímetro de cuarzo

El viscosímetro de cuarzo es un tipo especial de viscosímetro vibracional. En él, un cristal de cuarzo oscilante se sumerge en un fluido y la influencia específica en el comportamiento oscilatorio define la viscosidad. El principio de la viscosimetría de cuarzo se basa en la idea de W. P. Mason. El concepto básico es la aplicación de un cristal piezoeléctrico para la determinación de la viscosidad. El campo eléctrico de alta frecuencia que se aplica al oscilador provoca un movimiento del sensor y da como resultado el cizallamiento del fluido. El movimiento del sensor se ve influenciado por las fuerzas externas (la tensión de cizallamiento) del fluido, que afectan la respuesta eléctrica del sensor. ^[3] El procedimiento de calibración como condición previa para la determinación de la viscosidad por medio de un cristal de cuarzo se remonta a B. Bode, quien facilitó el análisis detallado del comportamiento de transmisión eléctrica y mecánica del sistema oscilante. ^[4] Sobre la base de esta calibración, se desarrolló el viscosímetro de cuarzo que permite la determinación continua de la viscosidad en líquidos en reposo y en movimiento. ^[5]

Microbalanza de cristal de cuarzo

La microbalanza de cristal de cuarzo funciona como un viscosímetro vibracional gracias a las propiedades piezoeléctricas inherentes al cuarzo para realizar mediciones de espectros de conductancia de líquidos y películas delgadas expuestas a la superficie del cristal. ^[6] A partir de estos espectros, se rastrean los cambios de frecuencia y el ensanchamiento de los picos para las frecuencias resonantes y de sobretonos del cristal de cuarzo y se utilizan para determinar los cambios en la masa, así como la viscosidad , el módulo de corte y otras propiedades viscoelásticas del líquido o la película delgada. Un beneficio de utilizar la microbalanza de cristal de cuarzo para medir la viscosidad es la pequeña cantidad de muestra necesaria para obtener una medición precisa. Sin embargo, debido a la dependencia de las propiedades viscoelásticas de las técnicas de preparación de la muestra y el espesor de la película o el líquido a granel, puede haber errores de hasta el 10% en las mediciones de viscosidad entre muestras. ^[6]

Una técnica interesante para medir la viscosidad de un líquido utilizando una microbalanza de cristal de cuarzo que mejora la consistencia de las mediciones utiliza un método de gota. ^{[7] [8]} En lugar de crear una película fina o sumergir el cristal de cuarzo en un líquido, se deja caer una sola gota del fluido de interés sobre la superficie del cristal. La viscosidad se extrae del cambio en los datos de frecuencia utilizando la siguiente ecuación

${\displaystyle \Delta f=-f_{0}^{3/2}{\sqrt {\frac {\eta _{l}\rho _{l}}{\pi \mu _{Q}\rho _{Q}}}}}$

donde es la frecuencia de resonancia,  es la densidad del fluido,  es el módulo de corte del cuarzo y  es la densidad del cuarzo. ^[8] Una extensión de esta técnica corrige el cambio en la frecuencia de resonancia por el tamaño de la gota depositada en el cristal de cuarzo. ^[7] ${\displaystyle f_{0}}$ ${\displaystyle \rho _{l}}$ ${\displaystyle \mu _{Q}}$ ${\displaystyle \rho _{Q}}$

Viscosímetros rotacionales

Los viscosímetros rotacionales utilizan la idea de que el par necesario para hacer girar un objeto en un fluido es una función de la viscosidad de ese fluido. Miden el par necesario para hacer girar un disco o una masa en un fluido a una velocidad conocida.

Los viscosímetros de "copa y pesa" funcionan definiendo el volumen exacto de una muestra que se va a cortar dentro de una celda de prueba; se mide y se representa gráficamente el par necesario para alcanzar una determinada velocidad de rotación. Existen dos geometrías clásicas en los viscosímetros de "copa y pesa", conocidos como sistemas "Couette" o "Searle", que se distinguen por si la copa o la pesa giran. La copa giratoria es la preferida en algunos casos porque reduce la aparición de vórtices de Taylor a velocidades de corte muy altas, pero la pesa giratoria es la más utilizada, ya que el diseño del instrumento también puede ser más flexible para otras geometrías.

Los viscosímetros de "cono y placa" utilizan un cono de ángulo estrecho cerca de una placa plana. Con este sistema, la velocidad de corte entre las geometrías es constante a cualquier velocidad de rotación dada. La viscosidad se puede calcular fácilmente a partir de la tensión de corte (a partir del par) y la velocidad de corte (a partir de la velocidad angular).

Si una prueba con cualquier geometría se ejecuta a través de una tabla de varias tasas de esfuerzo cortante o tensiones, los datos se pueden utilizar para trazar una curva de flujo, es decir, un gráfico de la viscosidad en función de la tasa de esfuerzo cortante. Si la prueba anterior se lleva a cabo con la suficiente lentitud para que el valor medido (la tensión cortante si se está controlando la tasa, o viceversa) alcance un valor constante en cada paso, se dice que los datos están en "equilibrio" y el gráfico es entonces una "curva de flujo en equilibrio". Esto es preferible a las mediciones que no están en equilibrio, ya que los datos generalmente se pueden replicar en varios otros instrumentos o con otras geometrías.

Cálculo de factores de forma de velocidad de corte y de esfuerzo cortante

Los reómetros y viscosímetros funcionan con par motor y velocidad angular. Dado que la viscosidad normalmente se considera en términos de esfuerzo cortante y velocidades de corte, se necesita un método para convertir los "números de instrumento" en "números de reología". Cada sistema de medición utilizado en un instrumento tiene sus "factores de forma" asociados para convertir el par motor en esfuerzo cortante y la velocidad angular en velocidad de corte.

Llamaremos al factor de forma del esfuerzo cortante C ₁ y al factor de velocidad de corte C ₂ .

esfuerzo cortante = par ÷ C ₁ .

velocidad de corte = C ₂ × velocidad angular.

Para algunos sistemas de medición, como las placas paralelas, el usuario puede establecer la distancia entre los sistemas de medición. En este caso, la ecuación utilizada es

velocidad de corte = C ₂ × velocidad angular / espacio.

viscosidad = esfuerzo cortante / velocidad de corte.

Las siguientes secciones muestran cómo se calculan los factores de forma para cada sistema de medición.

Cono y placa

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&={\frac {3}{2}}r^{3},\\C_{2}&={\frac {1}{\theta }},\end{aligned}}}$

dónde

r es el radio del cono,

θ es el ángulo del cono en radianes.

Placas paralelas

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&={\frac {3}{2}}r^{3},\\C_{2}&={\frac {3}{4}}r,\end{aligned}}}$

donde r es el radio de la placa.

Nota: La tensión de corte varía a lo largo del radio de una placa paralela. La fórmula anterior se refiere a la posición de 3/4 del radio si la muestra de prueba es newtoniana.

Cilindros coaxiales

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&=2\pi r_{\text{a}}^{2}H,\\C_{2}&={\frac {2r_{\text{i}}^{2}r_{\text{o}}^{2}}{r_{\text{a}}^{2}\left(r_{\text{o}}^{2}-r_{\text{i}}^{2}\right)}},\end{aligned}}}$

dónde:

r _a = ( r _i + r _o )/2 es el radio promedio,

r _i es el radio interior,

r _o es el radio exterior,

H es la altura del cilindro.

Nota: C ₁ toma como valor el esfuerzo cortante que ocurre en un radio promedio r _a .

Viscosímetro de esfera giratoria electromagnética (viscosímetro EMS)

Principio de medición del viscosímetro de esfera giratoria electromagnética

El viscosímetro EMS mide la viscosidad de los líquidos observando la rotación de una esfera impulsada por la interacción electromagnética: dos imanes unidos a un rotor crean un campo magnético giratorio. La muestra ③ que se va a medir se encuentra en un pequeño tubo de ensayo ②. En el interior del tubo hay una esfera de aluminio ④. El tubo se encuentra en una cámara a temperatura controlada ① y se coloca de forma que la esfera se encuentra en el centro de los dos imanes.

El campo magnético giratorio induce corrientes parásitas en la esfera. La interacción de Lorentz resultante entre el campo magnético y estas corrientes parásitas genera un par que hace girar la esfera. La velocidad de rotación de la esfera depende de la velocidad de rotación del campo magnético, la magnitud del campo magnético y la viscosidad de la muestra alrededor de la esfera. El movimiento de la esfera se monitorea mediante una cámara de video ⑤ ubicada debajo de la celda. El par aplicado a la esfera es proporcional a la diferencia en la velocidad angular del campo magnético Ω _B y la de la esfera Ω _S . Por lo tanto, existe una relación lineal entre ( Ω _B − Ω _S )/ Ω _S y la viscosidad del líquido.

Este nuevo principio de medición fue desarrollado por Sakai et al. en la Universidad de Tokio. El viscosímetro EMS se distingue de otros viscosímetros rotacionales por tres características principales:

• Todas las partes del viscosímetro que entran en contacto directo con la muestra son desechables y económicas.
• Las mediciones se realizan en un recipiente de muestra sellado.
• El viscosímetro EMS requiere sólo cantidades de muestra muy pequeñas (0,3 mL).

Viscosímetro Stabinger

Modificando el clásico viscosímetro rotacional tipo Couette, es posible combinar la precisión de la determinación de la viscosidad cinemática con un amplio rango de medición.

El cilindro exterior del viscosímetro Stabinger es un tubo lleno de muestra que gira a velocidad constante en una carcasa de cobre controlada por la temperatura. El cilindro interno hueco, con forma de rotor cónico, está centrado dentro de la muestra por efectos de lubricación hidrodinámica ^[9] y fuerzas centrífugas . De esta manera, se evita por completo toda fricción de los cojinetes , un factor inevitable en la mayoría de los dispositivos rotativos. Las fuerzas de corte del fluido giratorio impulsan el rotor, mientras que un imán dentro del rotor forma un freno de corrientes parásitas con la carcasa de cobre circundante. Se establece una velocidad de rotor de equilibrio entre las fuerzas impulsoras y retardantes, que es una medida inequívoca de la viscosidad dinámica. La medición de la velocidad y el par se implementa sin contacto directo mediante un sensor de efecto Hall que cuenta la frecuencia del campo magnético giratorio . Esto permite una resolución de par altamente precisa de 50  pN·m y un amplio rango de medición de 0,2 a 30 000 mPa·s con un solo sistema de medición. Una medición de densidad incorporada basada en el principio del tubo en U oscilante permite la determinación de la viscosidad cinemática a partir de la viscosidad dinámica medida empleando la relación

${\displaystyle \nu ={\frac {\eta }{\rho }},}$

dónde:

ν es la viscosidad cinemática (mm ² /s),

η es la viscosidad dinámica (mPa·s),

ρ es la densidad (g/cm ³ ).

Viscosímetro de burbujas

Los viscosímetros de burbuja se utilizan para determinar rápidamente la viscosidad cinemática de líquidos conocidos, como resinas y barnices. El tiempo necesario para que suba una burbuja de aire es directamente proporcional a la viscosidad del líquido, por lo que cuanto más rápido suba la burbuja, menor será la viscosidad. El método de comparación alfabética utiliza 4 juegos de tubos de referencia con letras, A5 a Z10, de viscosidad conocida para cubrir un rango de viscosidad de 0,005 a 1000 stokes . El método de tiempo directo utiliza un solo tubo de 3 líneas para determinar los "segundos de burbuja", que luego se pueden convertir a stokes. ^[10]

Este método es considerablemente preciso, pero las mediciones pueden variar debido a variaciones en la flotabilidad debido al cambio de forma de la burbuja en el tubo. ^[10] Sin embargo, esto no causa ningún tipo de error de cálculo grave.

Viscosímetro de rendija rectangular

El diseño básico de un viscosímetro/reómetro de rendija rectangular consiste en un canal de rendija rectangular con un área de sección transversal uniforme. Se bombea un líquido de prueba a un caudal constante a través de este canal. Múltiples sensores de presión montados a ras a distancias lineales a lo largo de la dirección de la corriente miden la caída de presión como se muestra en la figura:

Viscosímetro/reómetro de rendija rectangular m-VROC

^[11]

Principio de medición: El viscosímetro/reómetro de rendija se basa en el principio fundamental de que un líquido viscoso se resiste al flujo, exhibiendo una presión decreciente a lo largo de la rendija. La disminución o caída de presión ( ∆ P ) está correlacionada con la tensión de corte en el límite de la pared. La velocidad de corte aparente está directamente relacionada con la velocidad de flujo y la dimensión de la rendija. La velocidad de corte aparente, la tensión de corte y la viscosidad aparente se calculan:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\dot {\gamma }}_{\text{a}}&={\frac {6Q}{wh^{2}}},\\\sigma &={\frac {wh}{2(w+h)}}{\frac {\Delta P}{l}},\\\eta _{\text{a}}&={\frac {\sigma }{{\dot {\gamma }}_{\text{a}}}},\end{aligned}}}$

dónde

${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$es la velocidad de corte aparente (s ⁻¹ ),

σ es la tensión cortante (Pa),

η _a es la viscosidad aparente (Pa·s),

∆ P es la diferencia de presión entre el sensor de presión principal y el último sensor de presión (Pa),

Q es el caudal (ml/s),

w es el ancho del canal de flujo (mm),

h es la profundidad del canal de flujo (mm),

l es la distancia entre el sensor de presión principal y el último sensor de presión (mm).

Para determinar la viscosidad de un líquido, la muestra de líquido se bombea a través del canal de ranura a un caudal constante y se mide la caída de presión. Siguiendo estas ecuaciones, se calcula la viscosidad aparente para la tasa de cizallamiento aparente. Para un líquido newtoniano, la viscosidad aparente es la misma que la viscosidad verdadera y la medición única de la tasa de cizallamiento es suficiente. Para líquidos no newtonianos, la viscosidad aparente no es la viscosidad verdadera. Para obtener la viscosidad verdadera, las viscosidades aparentes se miden a múltiples tasas de cizallamiento aparente. Luego, las viscosidades verdaderas η a varias tasas de cizallamiento se calculan utilizando el factor de corrección de Weissenberg-Rabinowitsch-Mooney: ^[12]

${\displaystyle {\frac {1}{\eta }}={\frac {1}{2\eta _{\text{a}}}}\left(2+{\frac {\mathrm {d} \ln {{\dot {\gamma }}_{\text{a}}}}{\mathrm {d} \ln {\sigma }}}\right).}$

La viscosidad real calculada es la misma que los valores del cono y de la placa a la misma velocidad de corte.

También se puede utilizar una versión modificada del viscosímetro/reómetro de rendija rectangular para determinar la viscosidad extensional aparente .

Viscosímetro Krebs

El viscosímetro Krebs utiliza un gráfico digital y un pequeño husillo de brazo lateral para medir la viscosidad de un fluido. Se utiliza principalmente en la industria de la pintura.

Tipos de viscosímetros varios

Otros tipos de viscosímetros utilizan bolas u otros objetos. Los viscosímetros que pueden caracterizar fluidos no newtonianos se denominan habitualmente reómetros o plastómetros . Algunos instrumentos, como los viscosímetros capilares o VROC®, pueden medir tanto fluidos newtonianos como no newtonianos. ^{[13] [14]}

En el viscosímetro "Oscar" de ICI, una lata sellada de fluido se hizo oscilar torsionalmente y, mediante técnicas de medición inteligentes, fue posible medir tanto la viscosidad como la elasticidad en la muestra.

El viscosímetro de embudo Marsh mide la viscosidad a partir del tiempo ( tiempo de eflujo ) que tarda un volumen conocido de líquido en fluir desde la base de un cono a través de un tubo corto. Este método es similar en principio a las copas de flujo (copas de eflujo) como las copas Ford , Zahn y Shell, que utilizan formas de cono diferentes y varios tamaños de boquillas. Las mediciones se pueden realizar de acuerdo con las normas ISO 2431, ASTM D1200 - 10 o DIN 53411. ^[15]

El reómetro de hoja flexible mejora la precisión de las mediciones para líquidos de menor viscosidad utilizando los cambios sutiles en el campo de flujo debido a la flexibilidad de la hoja móvil o estacionaria (a veces llamada ala o voladizo con abrazadera de un solo lado).

Un viscosímetro de disco giratorio es el viscosímetro estándar para medir la viscosidad del material y el tiempo de quemado del caucho antes de la vulcanización.

Véase también

• Medición de caudal
• Ecuación de Poiseuille
• Viscotermo

Referencias

1. Barnes, HA; Hutton, JF; Walters, K. (1989). Introducción a la reología (5.ª edición impresa). Ámsterdam: Elsevier. pág. 12. ISBN 978-0-444-87140-4.
2. tec-science (4 de abril de 2020). «Determinación experimental de la viscosidad (viscosímetro)». tec-science . Consultado el 25 de junio de 2020 .
3. WP Mason, M. Hill: Medición de la viscosidad y elasticidad de corte de líquidos por medio de un cristal que vibra torsionalmente ; Transactions of the ASME. En: Journal of Lubricating Technology. Volumen 69, 1947, págs. 359–370.
4. Berthold Bode: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken . Disertación de la TU Clausthal, 1984.
5. "Viscosímetro QVis | flucon fluid control GMBH". Archivado desde el original el 2015-07-02 . Consultado el 2015-07-02 .<|fechaacceso=2015-07-02 |
6. Johannsmann, Diethelm (2008). "Medidas viscoelásticas, mecánicas y dieléctricas en muestras complejas con la microbalanza de cristal de cuarzo". Química física Química Física . 10 (31): 4516–34. Bibcode :2008PCCP...10.4516J. doi :10.1039/b803960g. ISSN  1463-9076. PMID  18665301.
7. Bai, Qingsong; Hu, Jianguo; Huang, Xianhe; Huang, Hongyuan (2016). "Uso de QCM para la medición de campo de viscosidades de líquidos en un nuevo método basado en la sensibilidad a la masa". Simposio Internacional de Control de Frecuencia (IFCS) del IEEE de 2016. Nueva Orleans, LA, EE. UU.: IEEE. págs. 1–3. doi :10.1109/FCS.2016.7546819. ISBN . 9781509020911. Número de identificación del sujeto  1584926.
8. Ash, Dean C.; Joyce, Malcolm J.; Barnes, Chris; Booth, C. Jan; Jefferies, Adrian C. (2003). "Medición de la viscosidad de aceites industriales utilizando la microbalanza de cristal de cuarzo de gotas". Measurement Science and Technology . 14 (11): 1955–1962. Bibcode :2003MeScT..14.1955A. doi :10.1088/0957-0233/14/11/013. ISSN  0957-0233. S2CID  250866968.
9. Beitz, W. y Küttner, K.-H., edición inglesa de Davies, B. J., traducción de Shields, M. J. (1994). Dubbel Handbook of Mechanical Engineering. Londres: Springer-Verlag Ltd., pág. F89.
10. Manual de pinturas y recubrimientos ASTM 0-8031-2060-5.
11. "Viscosímetro/reómetro en un chip, tecnología VROC".
12. "Corrección de viscosidad: Weissenberg-Rabinowitsch-Mooney (WRM)". Archivado desde el original el 29 de enero de 2024.
13. Shin, Sehyun; Keum, Do-Young (junio de 2003). "Medición de la viscosidad de alimentos fluidos no newtonianos con un viscosímetro capilar detector de masa". Journal of Food Engineering . 58 (1): 5–10. doi :10.1016/S0260-8774(02)00327-8.
14. "Viscosímetro/Medidor de viscosidad".
15. "El embudo de Marsh y la viscosidad del fluido de perforación: una nueva ecuación para uso en campo". kb.oges.info .

• Instituto Británico de Normas BS ISO/TR 3666:1998 Viscosidad del agua
• Instituto Británico de Normas BS 188:1977 Métodos para la determinación de la viscosidad de líquidos

Enlaces externos

• RHEOTEST Medingen GmbH - Historia y colección de instrumentos reológicos de la época de Fritz Höppler
• ASTM Internacional (ASTM D7042)
• Tablas de conversión de viscosidad
• Página de inicio - Alpha Technologies (anteriormente Monsanto Instruments and Equipment) - Akron, Ohio, EE. UU.
• Anton Paar - Fundamentos de viscosimetría