viscosímetro

Instrumento científico utilizado para medir la viscosidad.

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

En general, o el fluido permanece estacionario y un objeto se mueve a través de él, o el objeto está estacionario y el fluido pasa a su lado. 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 de número de Reynolds suficientemente pequeño para que exista flujo laminar .

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

Viscosímetros de laboratorio estándar para líquidos

Los viscosímetros de 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 , que llevan el nombre de Wilhelm Ostwald . Otra versión es el viscosímetro Ubbelohde , que consiste en un tubo de vidrio en forma de U mantenido verticalmente en un baño de temperatura controlada. En un brazo de la U hay una sección vertical de orificio estrecho y preciso (el capilar). Arriba hay una bombilla, con ella hay otra bombilla más abajo en el otro brazo. En uso, el líquido se aspira hacia el bulbo superior mediante succión y luego se le permite fluir hacia abajo a través del capilar hasta 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 cuentan con un factor de conversión.

Se mide el tiempo necesario para que el líquido de prueba fluya a través de un capilar de un diámetro conocido de un cierto factor 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 encima de las marcas y los de flujo directo son aquellos con el depósito debajo de las marcas. Estas clasificaciones existen para que el nivel pueda determinarse incluso cuando se miden líquidos opacos o que manchan; de lo contrario, el líquido cubrirá las marcas y hará imposible medir el momento en que el nivel pasa la marca. Esto también permite que el viscosímetro tenga más de 1 conjunto de marcas para permitir un cronograma inmediato del tiempo que lleva alcanzar la tercera marca ^{[ aclarar ]} , lo que produce 2 tiempos y permite el cálculo posterior de la determinabilidad para garantizar resultados precisos. El uso de dos tiempos en un viscosímetro en una sola ejecución sólo es posible si la muestra que se mide tiene propiedades newtonianas . De lo contrario, el cambio en el cabezal impulsor, que a su vez cambia la velocidad de corte, producirá una viscosidad diferente para los dos bulbos.

Viscosímetros de esfera descendente

Flujo rastrero 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, la ley de Stokes se puede utilizar para calcular la viscosidad del fluido. En el experimento clásico normalmente se utiliza una serie de rodamientos de bolas de acero de diferentes diámetros 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 (p. ej., partículas muy pequeñas) en un fluido viscoso continuo cambiando el límite de masa de fluido pequeño del 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 ) está 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 las partículas (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 el flujo de Stokes , por lo que el número de Reynolds debe ser pequeño.

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

Una modificación del viscosímetro de esfera descendente recta es un viscosímetro de bola rodante, que mide el tiempo de una bola que rueda cuesta abajo mientras está sumergida en el fluido de prueba. Esto se puede mejorar aún más mediante el uso de una placa en V patentada, que aumenta el número de rotaciones según la distancia recorrida, lo que permite dispositivos más pequeños y portátiles. El movimiento de rodadura controlado de la bola evita turbulencias en el fluido, que de otro modo se producirían al caer la bola. ^[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 de aire, arrastrando el material que se está midiendo hacia abajo a través del espacio libre (espacio) entre el pistón y la pared del cilindro hacia el espacio formado debajo del pistón a medida que se eleva. Luego, el conjunto generalmente se sostiene durante unos segundos y luego se deja caer por gravedad, expulsando la muestra por el mismo camino por el que entró, creando un efecto de cizallamiento 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, siendo la holgura entre el pistón y el interior del cilindro 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 del tiempo de caída en segundos de taza (conocido como taza 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 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

A veces denominado viscosímetro electromagnético o viscosímetro EMV, fue inventado en Cambridge Viscosity (formalmente Cambridge Applied Systems) en 1986. El sensor (ver figura a continuación) comprende una cámara de medición y un pistón influenciado magnéticamente. Se toman mediciones introduciendo primero una muestra en la cámara de medición controlada térmicamente donde reside el pistón. La electrónica impulsa el pistón a un movimiento oscilatorio dentro de la cámara de medición con un campo magnético controlado. Se impone un esfuerzo cortante sobre el líquido (o gas) debido al recorrido del pistón, y la viscosidad se determina midiendo el tiempo de recorrido del pistón. Los parámetros constructivos para la distancia anular entre el pistón y la cámara de medición, la intensidad del campo electromagnético y la distancia recorrida del pistón se utilizan para calcular la viscosidad según la ley de viscosidad de Newton .

Vista esquemática del viscosímetro de pistón oscilante

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

Viscosímetros vibratorios

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

1. Medir la entrada de potencia necesaria para mantener el oscilador vibrando a una amplitud constante. Cuanto mayor es la viscosidad, más potencia se necesita para mantener la amplitud de oscilación.
2. Medir el tiempo de caída de la oscilación una vez apagada la excitación. Cuanto mayor es 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 vibratorio 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 resistentes que se utilizan para medir la viscosidad en las condiciones del proceso. La parte activa del sensor es una varilla vibratoria. La amplitud de la vibración varía según la viscosidad del fluido en el que está sumergida 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 alrededor del 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 más mantenimiento, no pueden medir el fluido obstructivo 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 agregando una capa protectora, como esmalte , o cambiando el material del sensor a un material como acero inoxidable 316L . Los viscosímetros vibratorios son el instrumento en línea más utilizado 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 vibratorio. En este caso, se sumerge un cristal de cuarzo oscilante en un fluido y la influencia específica sobre el comportamiento oscilante 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 provoca el corte del fluido. El movimiento del sensor se ve entonces influenciado por las fuerzas externas (el esfuerzo cortante) del fluido, lo que afecta la respuesta eléctrica del sensor. ^[3] El procedimiento de calibración como condición previa para la determinación de la viscosidad mediante 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 flujo. ^[5]

Microbalanza de cristal de cuarzo

La microbalanza de cristal de cuarzo funciona como un viscosímetro vibratorio 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 una ampliación de los picos para las frecuencias resonantes y armónicas 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 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 del espesor de la película o del 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 el método de gota. ^{[7] [8]} En lugar de crear una película delgada 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 usando 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 sobre 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 requerido para girar un objeto en un fluido es 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 "Cup and Bob" funcionan definiendo el volumen exacto de una muestra que se cortará dentro de una celda de prueba; Se mide y representa el par necesario para alcanzar una determinada velocidad de rotación. Hay dos geometrías clásicas en los viscosímetros "cup and bob", conocidas como sistemas "Couette" o "Searle", que se distinguen según si la copa o el bob giran. En algunos casos se prefiere la copa giratoria porque reduce la aparición de vórtices de Taylor a velocidades de corte muy altas, pero la lenteja giratoria se usa más comúnmente, 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 muy 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 del esfuerzo cortante (a partir del par) y la velocidad de corte (a partir de la velocidad angular).

Si una prueba con cualquier geometría se realiza a través de una tabla de varias velocidades de corte o tensiones, los datos se pueden usar para trazar una curva de flujo, es decir, una gráfica de viscosidad frente a velocidad de corte. Si la prueba anterior se lleva a cabo con suficiente lentitud para que el valor medido (esfuerzo cortante si se controla la velocidad, o viceversa) alcance un valor estable en cada paso, se dice que los datos están en "equilibrio" y entonces se muestra el gráfico. una "curva de flujo de equilibrio". Esto es preferible a las mediciones de desequilibrio, ya que los datos generalmente se pueden replicar en muchos otros instrumentos o con otras geometrías.

Cálculo de la velocidad de corte y los factores de forma del esfuerzo cortante.

Los reómetros y viscosímetros funcionan con par 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 de "números de instrumentos" a "números de reología". Cada sistema de medición utilizado en un instrumento tiene sus "factores de forma" asociados para convertir el par en esfuerzo cortante y la velocidad angular en velocidad de corte.

Llamaremos factor de forma del esfuerzo cortante C ₁ y 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 placas paralelas, el usuario puede establecer el espacio 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 plato

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

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: El esfuerzo cortante 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 el esfuerzo cortante como el que ocurre en un radio promedio r _a .

Viscosímetro de esfera giratoria electromagnética (viscosímetro EMS)

Principio de medición del viscosímetro de esfera giratoria electromagnéticamente

El viscosímetro EMS mide la viscosidad de los líquidos mediante la observación de la rotación de una esfera impulsada por interacción electromagnética: dos imanes unidos a un rotor crean un campo magnético giratorio. La muestra ③ a medir se encuentra en un pequeño tubo de ensayo ②. Dentro del tubo hay una esfera de aluminio ④. El tubo se encuentra en una cámara con temperatura controlada ① y está colocado de modo que la esfera se encuentre 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 es monitoreado por 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 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 viscosímetro rotacional clásico 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 con temperatura controlada. El cilindro interno hueco, con forma de rotor cónico, se centra dentro de la muestra mediante efectos de lubricación hidrodinámica ^[9] y fuerzas centrífugas . De esta manera se evita por completo toda fricción en los rodamientos , un factor inevitable en la mayoría de los dispositivos giratorios. 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. Entre las fuerzas motrices y retardadoras se establece una velocidad de equilibrio del rotor, que es una medida inequívoca de la viscosidad dinámica. La medición de velocidad y par se realiza sin contacto directo mediante un sensor de efecto Hall que cuenta la frecuencia del campo magnético giratorio . Esto permite una resolución de par de alta precisión de 50  pN·m y un amplio rango de medición de 0,2 a 30.000 mPa·s con un único 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 burbuja

Los viscosímetros de burbuja se utilizan para determinar rápidamente la viscosidad cinemática de líquidos conocidos, como resinas y barnices. El tiempo necesario para que una burbuja de aire suba es directamente proporcional a la viscosidad del líquido, por lo que cuanto más rápido suba la burbuja, menor será su viscosidad. El método de comparación alfabética utiliza 4 juegos de tubos de referencia con letras, de 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 único tubo de tiempo de 3 líneas para determinar los "segundos de burbuja", que luego pueden convertirse en carreras. ^[10]

Este método es considerablemente preciso, pero las mediciones pueden variar debido a las 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 hendidura rectangular

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

Viscosímetro/reómetro de hendidura rectangular m-VROC

^[11]

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

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

dónde

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

σ es el esfuerzo 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 ranurado a un caudal constante y se mide la caída de presión. Siguiendo estas ecuaciones, la viscosidad aparente se calcula para la velocidad de corte aparente. Para un líquido newtoniano, la viscosidad aparente es la misma que la viscosidad verdadera y la medición única de la velocidad de corte es suficiente. Para líquidos no newtonianos, la viscosidad aparente no es la viscosidad verdadera. Para obtener la viscosidad real, las viscosidades aparentes se miden a múltiples velocidades de cizallamiento aparentes. Luego, las viscosidades verdaderas η a varias velocidades de corte 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 verdadera calculada es la misma que los valores del cono y la placa a la misma velocidad de corte.

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

Viscosímetro Krebs

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

Varios tipos de viscosímetros

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

En el viscosímetro ICI "Oscar", una lata sellada de fluido oscilaba torsionalmente y mediante técnicas de medición inteligentes fue posible medir tanto la viscosidad como la elasticidad de 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. Esto es similar en principio a las copas de flujo (copas de eflujo) como las copas Ford , Zahn y Shell, que utilizan diferentes formas del cono y varios tamaños de boquilla. Las mediciones se pueden realizar según 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 de sujeción de un solo lado).

Ver también

• Medición de flujo
• ecuación de poiseuille
• viscotermo

Referencias

1. Barnes, HA; Hutton, JF; Walters, K. (1989). Una introducción a la reología (5. impr. ed.). Ámsterdam: Elsevier. pag. 12.ISBN _ 978-0-444-87140-4.
2. tec-ciencia (4 de abril de 2020). "Determinación experimental de la viscosidad (viscosímetro)". tec-ciencia . Consultado el 25 de junio de 2020 .
3. WP Mason, M. Hill: Medición de la viscosidad y la elasticidad al corte de líquidos mediante un cristal que vibra torsionalmente ; Transacciones de la ASME. En: Revista de tecnología lubricante. Banda 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 | control de fluido flucon GMBH". Archivado desde el original el 2 de julio de 2015 . Consultado el 2 de julio de 2015 .<|fecha de acceso=2015-07-02 |
6. Johannsmann, Diethelm (2008). "Medidas viscoelásticas, mecánicas y dieléctricas en muestras complejas con la microbalanza de cristal de cuarzo". Química Física Física Química . 10 (31): 4516–34. Código Bib : 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 sensibilidad a la masa". Simposio internacional de control de frecuencia (IFCS) del IEEE de 2016 . Nueva Orleans, Luisiana, Estados Unidos: IEEE. págs. 1–3. doi :10.1109/FCS.2016.7546819. ISBN 9781509020911. S2CID  1584926.
8. Ash, Dean C.; Joyce, Malcolm J.; Barnes, Chris; Stand, C. Jan; Jefferies, Adrián C. (2003). "Medición de la viscosidad de aceites industriales mediante la microbalanza de cristal de cuarzo en gotas". Ciencia y tecnología de la medición . 14 (11): 1955-1962. Código Bib : 2003MeScT..14.1955A. doi :10.1088/0957-0233/14/11/013. ISSN  0957-0233. S2CID  250866968.
9. Beitz, W. y Küttner, K.-H., edición en inglés de Davies, B. J., traducción de Shields, M. J. (1994). Manual Dubbel de ingeniería mecánica. Londres: Springer-Verlag Ltd., pág. F89.
10. Manual de pinturas y revestimientos ASTM 0-8031-2060-5.
11. https://www.rheosense.com/technology
12. https://www.rheosense.com/en/en-us/en/thank-you-wrm-viscosity-correction
13. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0260877402003278#:~:text=In%20fact%2C%20the%20capillary%20viscometer,dies%20and%20no%20free%20surface.
14. https://www.rheosense.com/applications/viscosity/newtonian-non-newtonian
15. https://kb.oges.info/library/25113/marsh-funnel-drilling-fluid-viscosity-equation-for-field-use

• 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
• [1] - Alpha Technologies (anteriormente Monsanto Instruments and Equipment) - Akron, Ohio EE. UU.
• Anton Paar - Conceptos básicos de viscosimetría