ויסקומטר הוא מכשיר המשמש למדידת צמיגות נוזלים ותכונות הזרימה של נוזלים. הבה נדון בסוגים השונים של מדי צמיגות, המאפיינים הפנימיים שלהם, והגורמים הנלווים לביצוע מדידות צמיגות מדויקות וניתנות לחזרה.
במחקר טריבולוגיה וסיכה, צמיגות מכונה לעתים קרובות התכונה החשובה ביותר של שמן בסיס. מדוע הצמיגות כה חשובה בשימון מכונות? מצד אחד, צמיגות נמוכה מדי עלולה לגרום למגע בין רכיבים פנימיים בזמן תנועה, וכתוצאה מכך לבלאי.
מצד שני, צמיגות גבוהה מדי מאלצת את המכונה לעבוד קשה יותר כדי להתגבר על ההתנגדות הפנימית של חומר הסיכה לזרימה. לכן, חשוב להבין לא רק את הצמיגות של שמן הבסיס, אלא גם כיצד היא עשויה להשתנות עקב תנודות בתנאי ההפעלה או הסביבה.
ויסקומטר וריאומטר
צמיגות היא מדד להתנגדות של נוזל לזרימה (לחץ גזירה) בטמפרטורה נתונה. לא כל הנוזלים שומרים על צמיגות קבועה כאשר תנאי הזרימה משתנים. נוזלים שצמיגותם משתנה עם תנאי הזרימה נקראים נוזלים שאינם ניוטונים. הצמיגות של סוגים אלה של נוזלים נמדדת על ידי ריאומטר. ויסקומטר מודד את הצמיגות של נוזל ניוטוני.
קינמטיקה וצמיגות מוחלטת
בין שיטות הצמיגות השונות קיימות שתי דרכים שונות לבטא צמיגות: צמיגות קינמטית וצמיגות מוחלטת. ההבדל העיקרי בין השניים הוא שצמיגות קינמטית נמדדת על ידי התבוננות בהתנגדות של נוזל לזרום בהשפעת כוח הכבידה, בעוד שהצמיגות המוחלטת נמדדת על ידי התבוננות בהתנגדות של נוזל לזרום בהשפעת כוחות חיצוניים ומבוקרים, או על ידי נימים גם תנועה של נוזל דרך הגוף.
צמיגות קינמטית נמדדת בסנטיסטוקס (cSt), אך צמיגות מוחלטת נמדדת בcentipoise (cP). למטרות השוואה, צמיגות מוחלטת מומרת בדרך כלל לצמיגות קינמטית על ידי חלוקתה במשקל הסגולי (SG) של הנוזל.
cSt=cP/SG או ההדדיות של המשוואה: cP=cSt x SG
שיטת בדיקת צמיגות
הוקמו מספר שיטות לבדיקת צמיגות, לכל אחת יתרונות משלה. להלן רשימה של הטכניקות הנפוצות ביותר לבדיקת צמיגות שמן בסיס.
בדיקת ויסקומטר נימי (זכוכית).
ההתקן העיקרי המשמש בבדיקת מד ויסקומטר נימי הוא צינור זכוכית בצורת "U", המעניק לו את שמו הנפוץ, U-tube. הליך U-tube דורש טבילת הצינור באמבטיה מבוקרת טמפרטורה (בדרך כלל 40 או 100 מעלות צלזיוס) וביצוע קריאות מדויקות (בשניות) של הזמן הנדרש לכמות קבועה של נוזל לזרום בתוך הצינור. הצינור מוסר מהצינור על ידי שאיבה או כוח משיכה. סמן אחד לסמן אחר.
זמן נמדד זה מוכפל בקבוע (הקשור לצינור הספציפי) כדי לחשב צמיגות מוחלטת (שאיבה) או צמיגות קינמטית (כוח הכבידה).
מבחן צמיג סיבובי
המאפיין המרכזי של מד ויסקומטר סיבובי כולל מכשיר מסתובב, הנקרא ציר, שקוע בנוזל הבדיקה. לאחר מכן, המומנט על הציר המסתובב משמש למדידת התנגדות הנוזל לזרימה.
מד צמיגות סיבובי מחשב את הצמיגות המוחלטת של נוזל מכיוון שמדידה זו אינה כרוכה בכבידה אלא היא פונקציה של מתח הגזירה בתוך הנוזל. וריאציה נפוצה של מד ויסקומטר זה נקראת ויסקומטר ברוקפילד.
מד ויסקומטר Stabinger הוא גרסה שונה של מד הצמיג הסיבובי. הוא משתמש בציר צף עצמאי משופר, הנשלט על ידי כוח אלקטרומגנטי כדי ליצור סיבוב בנוזל. זה יתרון מכיוון שהוא מבטל את המשימה הקשה של לקחת בחשבון את חיכוך המיסב של המנוע הנוסף עם הציר הראשי.
בדיקת מד צמיגי כדור נופל ונפילת בוכנה
חלופות פחות נפוצות למדידת צמיגות כוללות מדי צמיגות של כדור נופל ונפילת בוכנה. בבדיקות אלו, כדור או בוכנה נשמט לתוך נוזל ונמדד הזמן בין נקודה מסומנת אחת לנקודה מסומנת שניה. על מנת לחשב צמיגות מחוק סטוקס, יש לדעת את מהירות הקצה הידועים, הממדים והצפיפות של הכדור או הבוכנה.
שיטות בדיקה אחרות
במצבים מסוימים שלא נראים בדרך כלל בבדיקת צמיגות שמן, ניתן להשתמש בשיטת הבועות. בדיקה זו כוללת בדרך כלל מדידת הזמן שלוקח לבועה לעלות למרחק מסוים. זמן מדידה זה יכול להיות קשור באופן פרופורציונלי לצמיגות הנוזל. וריאציה נוספת כוללת מדידת התנגדות הגשושית לרעידות.
סוגי ויסקומטרים
למרות שישנן מספר שיטות לקביעת צמיגות, רוב הוויסקומטרים נמכרים באופן מסחרי כדי להתאים בצורה הטובה ביותר לשימוש המיועד שלהם. להלן רשימה של קטגוריות ויסקומטרים אלה.
מד ויסקומטר נייד
כפי שהשם מרמז, מדי ויסקומטר ניידים מתאימים לשימוש בכל מקום בו סביבת מעבדה אינה מעשית. ביישומי שטח ושטח רבים, מדי צמיגות צריכים לספק קריאות צמיגות מהירות ומשוערות, לעתים קרובות כדי להצדיק ניתוח נוסף.
מד צמיגי שדה קטן
לקריאות צמיגות מדויקות יותר, מדי צמיגות שדה קטנים מתאימים להגדרות מעבדה אך הם סבירים. מדי ויסקומטרים כאלה כוללים את מגוון ה-U-tube או את ה-Brookfield viscometer.
ויסקומטר שירות מלא
כדי להשיג את הדיוק הגבוה ביותר בבדיקת צמיגות, יש להשתמש במד צמיגות בשירות מלא. התקנים אלה מסוגלים לעתים קרובות לבדוק באופן אוטומטי צמיגות קינמטית ומוחלטת על פני טווח טמפרטורות רחב ולספק חישובי צפיפות ומשקל סגולי. אתגר נפוץ העומד בפני מעבדות ניתוח שמן הדורשות מספר רב של בדיקות על דגימות הוא היכולת לבצע בדיקות אלו עם כמה שפחות דגימות.
כמה ממדדי הוויסקומטר המתוחכמים יותר בשירות מלא יכולים לבצע מדידות מדויקות עם נפחי דגימה הנמוכים מ-0.1 מ"ל, עם יכולת חזרה בטווח של 0.1%. במעבדות גדולות הבודקות מאות דגימות ביום, זהו יתרון הכרחי של מד ויסקומטר בשירות מלא.
מד ויסקומטר מקוון/מקוון
בעוד שרוב בדיקות צמיגות השמן מבוצעות לאחר קבלת דגימה מכילה, חלק ממדדי הצמיגות יכולים לספק קריאות צמיגות רציפות בקווי זרימה פעילים. זה נעשה בדרך כלל עם חיישנים או מתמרים ישירות בקו (חלק מהצינור) או בקו (זרימה עוקפת או חיישן). נלקחת מדידת צמיגות ולאחר מכן נשלחת כאות אלקטרוני למחשב או למכשיר ניטור אחר.
גורמים המשפיעים על מדידת צמיגות
למרות שהצמיגות של נוזל נראית קלה לניתוח, מדידות מדויקות של נוזלים כאלה יכולה להיות משימה קשה. על מנת שמדידה תהיה תקפה, יש לדעת ולהחזיק מספר גורמים קבועים, כולל:
טֶמפֶּרָטוּרָה
מבחינת חשיבות, היחס בין טמפרטורה לצמיגות הוא כמו היחס בין צמיגות לשמן בסיס. האחריות הבלעדית של אמבט בקרת הטמפרטורה היא להבטיח שכל ניסוי מדידת הצמיגות נשמר בטמפרטורה מדויקת (בדרך כלל 40 או 100 מעלות צלזיוס) ובטווח של 0.02 מעלות צלזיוס. השליטה באמבטיה במידה זו עלולה להיות מאתגרת, וזו הסיבה שמדי ויסקומטרים מתוחכמים יותר כוללים מערכת אמבטיה מבוקרת טמפרטורה כחלק מהיחידה.
זכוכית מד ויסקו
הדיוק של מד ויסקומטר נימי תלוי לא רק בטמפרטורה, אלא גם בקוטר הפנימי המדויק של הצינור. מסיבה זו, צינורות זכוכית אלה עשויים מזכוכית בורוסיליקט מחושלת במלואה ולעתים קרובות מגיעות עם קבוע ויסקומטר הקשור לצינור כגורם תיקון. מקובל לכייל מחדש את קבועי הוויסקומטר מדי שנה על סמך הטמפרטורות שבהן הוא ישמש, כדי להבטיח שגיאה קטנה ככל האפשר.
גודל ויסקומטר
גדלי צמיגות משתנים בשל המגוון הרחב של צמיגות שניתן לבדוק. מומלץ שלמד ויסקומטר ייקח לפחות 200 שניות (עבור מדידות ידניות עם סטופר) להעביר את נוזל הבדיקה מנקודה מסומנת אחת לאחרת כדי למנוע טעויות אנוש.
לשטוף בין מדידות
גורם חשוב נוסף לבדיקת ויסקומטר הוא איכות השטיפה בתוך הצינור בין מדידות. בדרך כלל, נעשה שימוש במגוון ממיסים ללא שאריות לשלבי הניקוי, השטיפה והייבוש. במעבדות שמריצות דגימות באופן רציף על מדי ויסקוטר בנפח גבוה, מערכת ניקוי מובנית מבטיחה יעילות ניקוי. ובכל זאת, יש צורך בבדיקה ויזואלית כדי לקבוע אם יש צורך במחזור שטיפה שני, במיוחד עם שמן משומש.
גורמים חשובים נוספים שיכולים להשפיע על מדידות הצמיגות כוללים את השיטה והדיוק של מכשיר התזמון, טיפול נכון בדגימה ובקרת איכות מעמיקה ומתמשכת.
במהלך השנים, מדידת צמיגות התפתחה עם סגנונות ושיטות שונות. לזכותם של ASTM וארגון התקינה הבינלאומי (ISO), פותחו גם שיטות, נהלים, כיול, ניקוי וגורמים אחרים לבדיקה של מדי ויסקומטר כדי להבטיח דיוק ועקביות בין מדי ויסקומטר שונים.
אחרי הכל, צמיגות היא המאפיין הפיזי החשוב ביותר של שמן בסיס, ומאמצים למדידת צמיגות באמצעות שיטות זהירות ותקנים מחמירים יכולים להשוות לשימון מכונה אמין יותר ובסופו של דבר חיי מכונה ארוכים יותר.
