مقياس اللزوجة

مقياس اللزوجة (أو مقياس اللزوجة ) هو جهاز يُستخدم لقياس لزوجة السوائل . يقيس مقياس اللزوجة اللزوجة الثابتة فقط، أي اللزوجة التي لا تتغير بتغير ظروف التدفق . أما بالنسبة للسوائل ذات اللزوجة المتغيرة بتغير ظروف التدفق، فيُستخدم جهاز يُسمى مقياس اللزوجة الريولوجية . لذا، يُمكن اعتبار مقياس اللزوجة الريولوجية نوعًا خاصًا من مقياس اللزوجة. ^{[ 1 ]}

بشكل عام، إما أن يبقى المائع ساكنًا ويتحرك الجسم خلاله، أو يكون الجسم ساكنًا ويتحرك المائع من فوقه. وتُعدّ مقاومة الماء الناتجة عن الحركة النسبية بين المائع والسطح مقياسًا للزوجة. ويجب أن تكون قيمة عدد رينولدز صغيرة بما يكفي لحدوث التدفق الصفائحي .

عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تبلغ اللزوجة الديناميكية للماء (اللزوجة الحركية × الكثافة) 1.0038 ملي باسكال.ثانية ، بينما تبلغ لزوجته الحركية (ناتج زمن التدفق × عامل) 1.0022 مليمتر ^مربع /ثانية. تُستخدم هذه القيم لمعايرة أنواع معينة من مقاييس اللزوجة.

مقاييس اللزوجة المختبرية القياسية للسوائل

مقاييس اللزوجة الأنبوبية على شكل حرف U

تُعرف هذه الأجهزة أيضًا باسم مقاييس لزوجة الأنابيب الشعرية الزجاجية أو مقاييس لزوجة أوستوالد ، نسبةً إلى فيلهلم أوستوالد . وهناك نوع آخر هو مقياس لزوجة أوبيلوده ، الذي يتكون من أنبوب زجاجي على شكل حرف U مثبت عموديًا في حمام مائي ذي درجة حرارة مضبوطة. يحتوي أحد أذرع حرف U على قسم رأسي ذي تجويف ضيق ودقيق (الأنبوب الشعري). يوجد فوقه انتفاخ، ويوجد انتفاخ آخر أسفله على الذراع الآخر. عند الاستخدام، يُسحب السائل إلى الانتفاخ العلوي بالشفط، ثم يُترك ليتدفق عبر الأنبوب الشعري إلى الانتفاخ السفلي. تشير علامتان (واحدة أعلى الانتفاخ العلوي والأخرى أسفله) إلى حجم معلوم. يتناسب الزمن اللازم لمرور مستوى السائل بين هاتين العلامتين طرديًا مع اللزوجة الحركية. يمكن إجراء المعايرة باستخدام سائل ذي خصائص معروفة. تُزود معظم الوحدات التجارية بمعامل تحويل.

يُقاس الزمن اللازم لتدفق سائل الاختبار عبر أنبوب شعري ذي قطر معلوم بمعامل معين بين نقطتين محددتين. وبضرب الزمن المستغرق بمعامل مقياس اللزوجة، تُحسب اللزوجة الحركية.

يمكن تصنيف مقاييس اللزوجة هذه إلى نوعين: مقاييس التدفق المباشر ومقاييس التدفق العكسي. في مقاييس التدفق العكسي، يكون الخزان أعلى من العلامات، بينما في مقاييس التدفق المباشر، يكون الخزان أسفل العلامات. وُضعت هذه التصنيفات لتحديد مستوى السائل حتى عند قياس السوائل المعتمة أو المُلوِّنة، وإلا سيغطي السائل العلامات، مما يجعل من المستحيل قياس الوقت الذي يتجاوز فيه مستوى السائل العلامة. كما يسمح هذا التصميم بوجود أكثر من مجموعة علامات في مقياس اللزوجة، مما يتيح قياس الوقت اللازم للوصول إلى العلامة الثالثة مباشرةً ، وبالتالي الحصول على قياسين زمنيين، مما يسمح بحساب قابلية التحديد لاحقًا لضمان دقة النتائج. لا يُمكن استخدام قياسين زمنيين في مقياس لزوجة واحد في عملية واحدة إلا إذا كانت العينة المقاسة ذات خصائص نيوتونية . وإلا، فإن تغيير ضغط التشغيل، الذي بدوره يُغير معدل القص، سيُنتج لزوجة مختلفة للبصيلتين.

مقياس اللزوجة ذو الكرة الساقطة

يُعدّ قانون ستوكس أساس مقياس اللزوجة بالكرة الساقطة، حيث يكون السائل ساكنًا داخل أنبوب زجاجي رأسي. تُترك كرة ذات حجم وكثافة معلومين لتنزل عبر السائل. إذا تم اختيارها بشكل صحيح، فإنها تصل إلى سرعة نهائية ، والتي يمكن قياسها من خلال الزمن الذي تستغرقه لتجاوز علامتين على الأنبوب. يمكن استخدام الاستشعار الإلكتروني للسوائل المعتمة. بمعرفة السرعة النهائية، وحجم وكثافة الكرة، وكثافة السائل ، يُمكن استخدام قانون ستوكس لحساب لزوجة السائل. عادةً ما تُستخدم سلسلة من كرات الصلب ذات أقطار مختلفة في التجربة الكلاسيكية لتحسين دقة الحساب. تستخدم التجربة المدرسية الجلسرين كسائل، وتُستخدم هذه التقنية صناعيًا للتحقق من لزوجة السوائل المستخدمة في العمليات. تشمل هذه التقنية العديد من الزيوت المختلفة وسوائل البوليمر مثل المحاليل .

في عام 1851، اشتق جورج غابرييل ستوكس تعبيرًا عن قوة الاحتكاك (وتسمى أيضًا قوة السحب ) التي تؤثر على الأجسام الكروية ذات أرقام رينولدز الصغيرة جدًا (مثل الجسيمات الصغيرة جدًا) في سائل لزج مستمر عن طريق تغيير حد كتلة السائل الصغيرة لمعادلات نافيير-ستوكس التي لا يمكن حلها بشكل عام :

F=6\pi r\eta v,

أين

$F$ هي قوة الاحتكاك،

$r$ يمثل نصف قطر الجسم الكروي،

$\eta$ لزوجة السائل،

$v$ هي سرعة الجسيم.

إذا كانت الجسيمات تسقط في السائل اللزج بفعل وزنها، فإنها تصل إلى سرعة نهائية، تُعرف أيضًا بسرعة الترسيب، عندما تتوازن قوة الاحتكاك مع قوة الطفو تمامًا مع قوة الجاذبية . وتُعطى سرعة الترسيب الناتجة (أو السرعة النهائية ) بالعلاقة التالية:

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

أين:

V s

هي سرعة ترسب الجسيمات (م/ث)، عموديًا إلى الأسفل إذا كانت

ρ p > ρ f

، وإلى الأعلى إذا كانت

ρ p < ρ f

.

يمثل

r

نصف قطر ستوكس للجسيم (متر).

g

هو تسارع الجاذبية الأرضية (م/ث² ⁾ ،

ρ p

هي كثافة الجسيمات (كجم/م³ )،

ρ f

هي كثافة السائل (كجم/م³ )،

μ هي

لزوجة السائل (الديناميكية) (باسكال.ثانية).

لاحظ أنه تم افتراض تدفق ستوكس ، لذا يجب أن يكون رقم رينولدز صغيرًا.

أحد العوامل المحددة لصحة هذه النتيجة هو خشونة الكرة المستخدمة.

يُعد مقياس لزوجة الكرة المتدحرجة تعديلاً لمقياس لزوجة الكرة الساقطة المستقيمة، حيث يقيس زمن تدحرج كرة أسفل منحدر وهي مغمورة في سائل الاختبار. ويمكن تحسين هذا المقياس باستخدام صفيحة على شكل حرف V حاصلة على براءة اختراع، مما يزيد عدد دورات الكرة بالنسبة للمسافة المقطوعة، وبالتالي يسمح بتصميم أجهزة أصغر حجماً وأكثر سهولة في الحمل. وتتجنب حركة التدحرج المتحكم بها للكرة حدوث اضطرابات في السائل، والتي قد تحدث في حالة سقوط الكرة. ^{[ 2 ]} كما يُعد هذا النوع من الأجهزة مناسباً للاستخدام على متن السفن.

مقياس لزوجة المكبس الساقط

يُعرف أيضًا باسم مقياس لزوجة نوركروس نسبةً إلى مخترعه، أوستن نوركروس. يعتمد مبدأ قياس اللزوجة في هذا الجهاز الصناعي المتين والحساس على مجموعة مكبس وأسطوانة. يُرفع المكبس دوريًا بواسطة آلية رفع هوائية، ساحبًا المادة المراد قياسها إلى أسفل عبر الفجوة (الخلوص) بين المكبس وجدار الأسطوانة إلى الحيز المتشكل أسفل المكبس أثناء رفعه. تُثبّت المجموعة عادةً لبضع ثوانٍ، ثم تُترك لتسقط بفعل الجاذبية، دافعةً العينة للخارج عبر المسار نفسه الذي دخلت منه، مما يُحدث تأثير قص على السائل المقاس، الأمر الذي يجعل مقياس اللزوجة هذا حساسًا للغاية ومناسبًا لقياس بعض السوائل الانسيابية . يُعد زمن السقوط مقياسًا للزوجة، حيث تُشكّل الفجوة بين المكبس وداخل الأسطوانة فتحة القياس. يقيس جهاز التحكم في اللزوجة زمن السقوط (زمن السقوط بالثواني هو مقياس اللزوجة) ويعرض قيمة اللزوجة الناتجة. يمكن لجهاز التحكم معايرة قيمة زمن السقوط إلى ثوانٍ الكأس (المعروفة باسم كأس التدفق)، أو ثانية سايبولت العالمية (SUS) أو سنتيبواز .

يحظى هذا النوع من القياس بشعبية واسعة في المجال الصناعي نظرًا لبساطته، وقابليته للتكرار، وانخفاض تكاليف صيانته، وطول عمره. كما أنه لا يتأثر بمعدل التدفق أو الاهتزازات الخارجية. ويمكن تكييف مبدأ تشغيله مع ظروف تشغيلية متنوعة، مما يجعله مثاليًا لبيئات التحكم في العمليات .

مقياس لزوجة المكبس المتذبذب

يُشار إليه أحيانًا باسم مقياس اللزوجة الكهرومغناطيسي أو مقياس لزوجة EMV، وقد تم اختراعه في شركة Cambridge Viscosity (المعروفة سابقًا باسم Cambridge Applied Systems) عام 1986. يتكون المستشعر (انظر الشكل أدناه) من حجرة قياس ومكبس يتأثر بالمجال المغناطيسي. تُجرى القياسات بإدخال عينة أولًا في حجرة القياس المُتحكم بدرجة حرارتها، حيث يوجد المكبس. تُحرك الدوائر الإلكترونية المكبس في حركة اهتزازية داخل حجرة القياس بواسطة مجال مغناطيسي مُتحكم به. يُسلط إجهاد قص على السائل (أو الغاز) نتيجة لحركة المكبس، وتُحدد اللزوجة بقياس زمن حركة المكبس. تُستخدم معايير التصميم الخاصة بالمسافة الحلقية بين المكبس وحجرة القياس، وقوة المجال الكهرومغناطيسي، ومسافة حركة المكبس لحساب اللزوجة وفقًا لقانون نيوتن للزوجة .

رسم تخطيطي لمقياس اللزوجة ذي المكبس المتذبذب

تم تطوير تقنية مقياس اللزوجة ذي المكبس المتذبذب لاختبار لزوجة العينات الصغيرة والميكروية في التطبيقات المختبرية. كما تم تكييفها لقياس اللزوجة تحت الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية في كل من البيئات المختبرية والصناعية. وتم تصميم مستشعرات اللزوجة لتناسب نطاقًا واسعًا من التطبيقات الصناعية، مثل مقاييس اللزوجة صغيرة الحجم المستخدمة في الضواغط والمحركات، ومقاييس اللزوجة التدفقية لعمليات الطلاء بالغمس، ومقاييس اللزوجة المدمجة في خطوط الإنتاج المستخدمة في مصافي النفط، بالإضافة إلى مئات التطبيقات الأخرى. وقد ساهم تحسين حساسية هذه التقنية بفضل الإلكترونيات الحديثة في زيادة شعبية مقياس اللزوجة ذي المكبس المتذبذب في المختبرات الأكاديمية التي تُعنى بدراسة لزوجة الغازات.

مقاييس اللزوجة الاهتزازية

يعود تاريخ مقاييس اللزوجة الاهتزازية إلى جهاز بنديكس في خمسينيات القرن الماضي، وهو من فئة الأجهزة التي تعمل عن طريق قياس التخميد لمرنان كهروميكانيكي متذبذب مغمور في سائل يُراد تحديد لزوجته. يتذبذب المرنان عادةً في اتجاه الالتواء أو بشكل عرضي (مثل عارضة ناتئة أو شوكة رنانة). كلما زادت اللزوجة، زاد التخميد الواقع على المرنان. يمكن قياس تخميد المرنان بإحدى الطرق التالية:

قياس الطاقة اللازمة للحفاظ على اهتزاز المذبذب بسعة ثابتة. كلما زادت اللزوجة، زادت الطاقة المطلوبة للحفاظ على سعة التذبذب.
قياس زمن اضمحلال التذبذب بعد إيقاف الإثارة. كلما زادت اللزوجة، اضمحلال الإشارة أسرع.
قياس تردد الرنان كدالة لزاوية الطور بين موجات الإثارة والاستجابة. كلما زادت اللزوجة، زاد تغير التردد لتغير طور معين.

كما يعاني الجهاز الاهتزازي من نقص في مجال القص المحدد، مما يجعله غير مناسب لقياس لزوجة سائل لا يُعرف سلوك تدفقه مسبقًا.

تُعدّ مقاييس اللزوجة الاهتزازية أنظمة صناعية متينة تُستخدم لقياس اللزوجة في ظروف التشغيل. يتكون الجزء الفعال من المستشعر من قضيب اهتزازي، وتختلف سعة الاهتزاز تبعًا للزوجة السائل المغمور فيه. تُناسب هذه المقاييس قياس لزوجة السوائل المُسببة للانسداد والسوائل عالية اللزوجة، بما في ذلك تلك التي تحتوي على ألياف (حتى 1000 باسكال.ثانية). حاليًا، تعتبر العديد من الصناعات حول العالم هذه المقاييس النظام الأكثر كفاءة لقياس لزوجة مجموعة واسعة من السوائل؛ في المقابل، تتطلب مقاييس اللزوجة الدورانية صيانة أكثر، ولا يُمكنها قياس لزوجة السوائل المُسببة للانسداد، كما تتطلب معايرة متكررة بعد الاستخدام المكثف. لا تحتوي مقاييس اللزوجة الاهتزازية على أجزاء متحركة أو أجزاء ضعيفة، وعادةً ما يكون الجزء الحساس صغيرًا. حتى السوائل شديدة الحموضة أو القاعدية يُمكن قياسها بإضافة طبقة واقية، مثل المينا ، أو بتغيير مادة المستشعر إلى مادة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 316L . تُعد مقاييس اللزوجة الاهتزازية أكثر الأدوات استخدامًا على نطاق واسع لمراقبة لزوجة سائل العملية في الخزانات والأنابيب.

مقياس لزوجة كوارتز

مقياس اللزوجة الكوارتزي هو نوع خاص من مقاييس اللزوجة الاهتزازية. في هذا النوع، تُغمر بلورة كوارتز متذبذبة في سائل، ويُحدد تأثير التذبذب على اللزوجة. يعتمد مبدأ قياس اللزوجة بالكوارتز على فكرة دبليو. بي. ماسون. وتتمثل الفكرة الأساسية في استخدام بلورة كهرضغطية لتحديد اللزوجة. يُحدث المجال الكهربائي عالي التردد المُطبق على المذبذب حركةً في المستشعر، مما يؤدي إلى قص السائل. تتأثر حركة المستشعر بالقوى الخارجية (إجهاد القص) للسائل، والتي بدورها تؤثر على الاستجابة الكهربائية للمستشعر. ^{[ 3 ]} يعود إجراء المعايرة، كشرط أساسي لتحديد اللزوجة باستخدام بلورة الكوارتز، إلى بي. بود، الذي سهّل التحليل المُفصّل لسلوك النقل الكهربائي والميكانيكي للنظام المتذبذب. ^{[ 4 ]} بناءً على هذه المعايرة، تم تطوير مقياس اللزوجة الكوارتزي الذي يسمح بتحديد اللزوجة بشكل مستمر في السوائل الساكنة والمتدفقة. ^{[ 5 ]}

ميزان دقيق من بلورات الكوارتز

يعمل ميزان الكوارتز البلوري الدقيق كمقياس لزوجة اهتزازي بفضل الخصائص الكهروإجهادية المتأصلة في الكوارتز، وذلك لقياس أطياف التوصيل للسوائل والأغشية الرقيقة المعرضة لسطح البلورة. ^{[ 6 ]} ومن هذه الأطياف، يتم تتبع انزياحات التردد وتوسع قمم ترددات الرنين والترددات التوافقية لبلورة الكوارتز، وتُستخدم هذه القياسات لتحديد التغيرات في الكتلة، بالإضافة إلى اللزوجة ، ومعامل القص ، وغيرها من الخصائص المرنة اللزجة للسائل أو الغشاء الرقيق. ومن مزايا استخدام ميزان الكوارتز البلوري الدقيق لقياس اللزوجة صغر حجم العينة المطلوبة للحصول على قياس دقيق. ومع ذلك، ونظرًا لاعتماد الخصائص المرنة اللزجة على تقنيات تحضير العينة وسُمك الغشاء أو السائل، فقد تصل نسبة الخطأ في قياسات اللزوجة بين العينات إلى 10%. ^{[ 6 ]}

تُعدّ تقنية التقطير طريقةً مثيرةً للاهتمام لقياس لزوجة السوائل باستخدام ميزان بلوري كوارتز دقيق، مما يُحسّن من دقة القياسات. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} فبدلاً من تكوين طبقة رقيقة أو غمر بلورة الكوارتز في السائل، تُقطّر قطرة واحدة من السائل المراد قياس لزوجته على سطح البلورة. تُستخرج اللزوجة من تغير بيانات التردد باستخدام المعادلة التالية.

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

أين $f_{0}$ هو التردد الرنيني، $\rho _{l}$ هي كثافة السائل، $\mu _{Q}$ هو معامل القص للكوارتز، و $\rho _{Q}$ هي كثافة الكوارتز. ^{[ 8 ]} ويعمل امتداد هذه التقنية على تصحيح الانزياح في تردد الرنين بحسب حجم القطرة المترسبة على بلورة الكوارتز. ^{[ 7 ]}

مقاييس اللزوجة الدورانية

تعتمد مقاييس اللزوجة الدورانية على مبدأ أن عزم الدوران اللازم لتدوير جسم في سائل ما هو دالة للزوجة ذلك السائل. وهي تقيس عزم الدوران اللازم لتدوير قرص أو كرة في سائل بسرعة معلومة.

تعمل مقاييس اللزوجة من نوع "الكأس والكرة" بتحديد الحجم الدقيق للعينة المراد قصها داخل خلية الاختبار؛ حيث يُقاس عزم الدوران اللازم لتحقيق سرعة دوران معينة ويُرسم بيانيًا. يوجد نوعان كلاسيكيان من مقاييس اللزوجة من نوع "الكأس والكرة"، يُعرفان بنظامي "كويت" و"سيرل"، ويُميز بينهما بناءً على ما إذا كان الكأس أو الكرة يدور. يُفضل استخدام الكأس الدوار في بعض الحالات لأنه يقلل من ظهور دوامات تايلور عند معدلات القص العالية جدًا، ولكن الكرة الدوارة هي الأكثر شيوعًا، حيث يمكن تصميم الجهاز بمرونة أكبر لاستخدام أشكال هندسية أخرى أيضًا.

تستخدم مقاييس اللزوجة "المخروطية والصفيحة" مخروطًا ضيق الزاوية قريبًا من صفيحة مسطحة. في هذا النظام، يكون معدل القص بين الشكلين الهندسيين ثابتًا عند أي سرعة دوران معينة. ويمكن حساب اللزوجة بسهولة من إجهاد القص (من عزم الدوران) ومعدل القص (من السرعة الزاوية).

إذا أُجري اختبارٌ بأي شكلٍ هندسيٍّ عبر جدولٍ يتضمن عدة معدلات قص أو إجهادات، يُمكن استخدام البيانات لرسم منحنى التدفق، أي رسم بياني للزوجة مقابل معدل القص. إذا أُجري الاختبار المذكور ببطءٍ كافٍ حتى تصل القيمة المقاسة (إجهاد القص إذا كان المعدل مُتحكمًا به، أو العكس) إلى قيمة ثابتة في كل خطوة، يُقال إن البيانات في حالة "توازن"، ويُسمى الرسم البياني حينها "منحنى تدفق التوازن". يُفضَّل هذا على القياسات غير المتوازنة، حيث يُمكن عادةً تكرار البيانات عبر أجهزةٍ أخرى متعددة أو بأشكالٍ هندسيةٍ مختلفة.

حساب معاملات شكل معدل القص وإجهاد القص

تعتمد أجهزة قياس اللزوجة والريوميترات على عزم الدوران والسرعة الزاوية. ولأن اللزوجة تُقاس عادةً بدلالة إجهاد القص ومعدلات القص، فمن الضروري وجود طريقة لتحويل "أرقام الجهاز" إلى "أرقام الريولوجيا". ولكل نظام قياس مستخدم في الجهاز "معاملات شكل" خاصة به لتحويل عزم الدوران إلى إجهاد قص، وتحويل السرعة الزاوية إلى معدل قص.

سنسمي عامل شكل إجهاد القص $C 1$ وعامل معدل القص $C 2$ .

إجهاد القص = عزم الدوران ÷

C 1

.

معدل القص =

C 2

× السرعة الزاوية.

في بعض أنظمة القياس، مثل نظام الألواح المتوازية، يمكن للمستخدم ضبط المسافة بين نظامي القياس. في هذه الحالة، تكون المعادلة المستخدمة هي:

معدل القص =

C 2

× السرعة الزاوية / الفجوة.

اللزوجة = إجهاد القص / معدل القص.

توضح الأقسام التالية كيفية حساب عوامل الشكل لكل نظام قياس.

مخروط وصحن

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

أين

r

هو نصف قطر المخروط،

θ

هي زاوية المخروط بالراديان.

صفيحة متوازية

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

حيث $r$ هو نصف قطر الصفيحة.

ملاحظة: يختلف إجهاد القص عبر نصف القطر في حالة الصفيحة المتوازية. تشير الصيغة أعلاه إلى موضع ثلاثة أرباع نصف القطر إذا كانت عينة الاختبار نيوتونية.

أسطوانات متحدة المحور

{\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}}

أين:

ra = (ri + ro) /2

هو نصف القطر المتوسط

،

يمثل r i

نصف القطر الداخلي،

r o

هو نصف القطر الخارجي،

يمثل H

ارتفاع الأسطوانة.

ملاحظة: $C 1$ يأخذ إجهاد القص على أنه يحدث عند نصف قطر متوسط $r a$ .

مقياس لزوجة الكرة الدوارة الكهرومغناطيسية (مقياس لزوجة EMS)

يقيس مقياس اللزوجة الكهرومغناطيسي (EMS) لزوجة السوائل من خلال مراقبة دوران كرة بفعل التفاعل الكهرومغناطيسي: حيث يُولّد مغناطيسان متصلان بدوار مجالًا مغناطيسيًا دوارًا. توضع العينة المراد قياسها (③) في أنبوب اختبار صغير (②). ويحتوي الأنبوب على كرة من الألومنيوم (④). يوضع الأنبوب في حجرة مضبوطة الحرارة (①) بحيث تكون الكرة في مركز المغناطيسين.

يُحدث المجال المغناطيسي الدوار تيارات دوامية في الكرة. وينتج عن تفاعل لورنتز بين المجال المغناطيسي وهذه التيارات الدوامية عزم دوران يُدير الكرة. وتعتمد سرعة دوران الكرة على سرعة دوران المجال المغناطيسي، وشدته، ولزوجة العينة المحيطة بالكرة. وتُراقَب حركة الكرة بواسطة كاميرا فيديو (⑤) مثبتة أسفل الخلية. ويتناسب عزم الدوران المؤثر على الكرة طرديًا مع الفرق بين السرعة الزاوية للمجال المغناطيسي $($ $ΩB$ $) والسرعة$ الزاوية للكرة $(ΩS) . وبالتالي$ $،$ توجد علاقة خطية بين $(ΩB - ΩS)/ ΩS$ ولزوجة السائل.

طُوّر مبدأ القياس الجديد هذا بواسطة ساكاي وآخرون في جامعة طوكيو. يتميز مقياس اللزوجة EMS عن مقاييس اللزوجة الدورانية الأخرى بثلاث خصائص رئيسية:

جميع أجزاء مقياس اللزوجة التي تتلامس مباشرة مع العينة يمكن التخلص منها وغير مكلفة.
تُجرى القياسات في وعاء عينة مغلق.
لا يتطلب مقياس اللزوجة EMS سوى كميات صغيرة جدًا من العينة (0.3 مل).

مقياس لزوجة ستابينجر

من خلال تعديل مقياس اللزوجة الدوراني الكلاسيكي من نوع كويت، من الممكن الجمع بين دقة تحديد اللزوجة الحركية ونطاق قياس واسع.

يتكون الأنبوب الخارجي لمقياس لزوجة ستابينجر من أنبوب مملوء بالعينة يدور بسرعة ثابتة داخل غلاف نحاسي مُتحكم بدرجة حرارته. أما الأنبوب الداخلي المجوف، المصمم على شكل دوار مخروطي، فيتمركز داخل العينة بفعل تأثيرات التزييت الهيدروديناميكي ^{[ 9 ]} وقوى الطرد المركزي . وبهذه الطريقة، يتم تجنب احتكاك المحامل ، وهو عامل لا مفر منه في معظم الأجهزة الدوارة. تدفع قوى القص الناتجة عن السائل الدوار، بينما يشكل مغناطيس داخل الدوار مكبحًا للتيارات الدوامية مع الغلاف النحاسي المحيط. يتم تحقيق سرعة دوران متوازنة بين القوى الدافعة والمثبطة، وهو مقياس دقيق للزوجة الديناميكية. يتم قياس السرعة وعزم الدوران دون تلامس مباشر بواسطة مستشعر تأثير هول الذي يحسب تردد المجال المغناطيسي الدوار . يتيح ذلك دقة عالية لعزم الدوران تصل إلى 50 بيكو نيوتن متر ، ونطاق قياس واسع من 0.2 إلى 30,000 ملي باسكال ثانية باستخدام نظام قياس واحد. يُتيح قياس الكثافة المدمج، القائم على مبدأ الأنبوب المتذبذب على شكل حرف U، تحديد اللزوجة الحركية من اللزوجة الديناميكية المقاسة باستخدام العلاقة التالية:

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

أين:

ν

هي اللزوجة الحركية (مم² ^/ ثانية)،

η

هي اللزوجة الديناميكية (مللي باسكال·ثانية)،

ρ

هي الكثافة (جم/سم ³ ).

مقياس لزوجة الفقاعات

تُستخدم مقاييس اللزوجة الفقاعية لتحديد اللزوجة الحركية بسرعة لسوائل معروفة مثل الراتنجات والورنيش. يتناسب زمن صعود فقاعة الهواء طرديًا مع لزوجة السائل، فكلما زادت سرعة صعود الفقاعة، انخفضت اللزوجة. تستخدم طريقة المقارنة الأبجدية أربع مجموعات من أنابيب مرجعية مُرمّزة، من A5 إلى Z10، ذات لزوجة معروفة لتغطية نطاق لزوجة من 0.005 إلى 1000 ستوكس . أما طريقة الزمن المباشر فتستخدم أنبوبًا زمنيًا واحدًا بثلاثة خطوط لتحديد "ثواني الفقاعة"، والتي يمكن تحويلها بعد ذلك إلى ستوكس. ^{[ 10 ]}

تتميز هذه الطريقة بدقة عالية، ولكن قد تختلف القياسات بسبب تباينات الطفو الناتجة عن تغير شكل الفقاعة داخل الأنبوب. ^{[ 10 ]} ومع ذلك، لا يتسبب هذا في أي خطأ حسابي جسيم.

مقياس لزوجة ذو شق مستطيل

يتكون التصميم الأساسي لمقياس اللزوجة/مقياس التدفق ذي الشق المستطيل من قناة ذات شق مستطيل بمساحة مقطع عرضي منتظمة. يُضخ سائل الاختبار بمعدل تدفق ثابت عبر هذه القناة. تقيس عدة مستشعرات ضغط مثبتة بشكل متساطح على مسافات خطية على طول اتجاه التدفق انخفاض الضغط كما هو موضح في الشكل:

مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة ذو الشق المستطيل — مقياس اللزوجة/مقياس التدفق ذو الشق المستطيل m-VROC

^{[ 11 ]}

مبدأ القياس: يعتمد مقياس اللزوجة/مقياس التدفق ذو الشق على المبدأ الأساسي القائل بأن السائل اللزج يقاوم التدفق، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط على طول الشق. يرتبط انخفاض الضغط ( $ΔP$ ) بإجهاد القص عند حدود الشق. يرتبط معدل القص الظاهري ارتباطًا مباشرًا بمعدل التدفق وأبعاد الشق. يتم حساب معدل القص الظاهري، وإجهاد القص، واللزوجة الظاهرية كما $يلي :$

{\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}}

أين

{\dot {\gamma }}

معدل القص الظاهري (ثانية⁻¹ ⁾ ،

σ

هو إجهاد القص (باسكال)،

η a

هي اللزوجة الظاهرية (باسكال.ثانية)،

يمثل ∆P

فرق

الضغط بين مستشعر الضغط الرئيسي ومستشعر الضغط الأخير (باسكال).

Q

هو معدل التدفق (مل/ث)،

يمثل w

عرض قناة التدفق (مم)،

يمثل h

عمق قناة التدفق (مم)،

l

هي المسافة بين مستشعر الضغط الأمامي ومستشعر الضغط الأخير (مم).

لتحديد لزوجة سائل ما، تُضخ عينة السائل عبر قناة شقّية بمعدل تدفق ثابت، ويُقاس انخفاض الضغط. وباتباع هذه المعادلات، تُحسب اللزوجة الظاهرية لمعدل القص الظاهري. بالنسبة للسوائل النيوتونية، تكون اللزوجة الظاهرية مساوية للزوجة الحقيقية، ويكفي قياس معدل قص واحد. أما بالنسبة للسوائل غير النيوتونية، فإن اللزوجة الظاهرية لا تمثل اللزوجة الحقيقية. وللحصول على اللزوجة الحقيقية، تُقاس اللزوجة الظاهرية عند معدلات قص ظاهرية متعددة. ثم تُحسب اللزوجة الحقيقية $η عند معدلات القص المختلفة باستخدام معامل تصحيح وايسنبرغ-رابينوفيتش-موني:$ ^{[ 12 ]}

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

اللزوجة الحقيقية المحسوبة هي نفسها قيم المخروط والصفيحة عند نفس معدل القص.

يمكن أيضًا استخدام نسخة معدلة من مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة ذي الشق المستطيل لتحديد اللزوجة التمددية الظاهرية .

مقياس لزوجة كريبس

يستخدم مقياس لزوجة كريبس رسمًا بيانيًا رقميًا ومحورًا جانبيًا صغيرًا لقياس لزوجة السوائل. ويُستخدم في الغالب في صناعة الدهانات.

أنواع مختلفة من مقاييس اللزوجة

تستخدم أنواع أخرى من مقاييس اللزوجة كرات أو أجسامًا أخرى. تُسمى مقاييس اللزوجة التي يمكنها تحديد خصائص السوائل غير النيوتونية عادةً بمقاييس الريولوجيا أو مقاييس اللدونة . بعض الأجهزة، مثل مقاييس اللزوجة الشعرية أو مقاييس اللزوجة VROC®، يمكنها قياس كل من السوائل النيوتونية وغير النيوتونية. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

في مقياس اللزوجة "أوسكار" من شركة ICI، تم اهتزاز علبة مغلقة من السائل بشكل التوائي، ومن خلال تقنيات قياس ذكية، كان من الممكن قياس كل من اللزوجة والمرونة في العينة.

يقيس مقياس لزوجة قمع مارش اللزوجة من خلال قياس زمن التدفق ( زمن التدفق الخارجي ) الذي يستغرقه حجم معلوم من السائل للتدفق من قاعدة مخروط عبر أنبوب قصير. وهذا مشابه من حيث المبدأ لأكواب التدفق الخارجي مثل أكواب فورد وزان وشل ، والتي تستخدم أشكالًا مختلفة للمخروط وأحجام فوهات متنوعة. ويمكن إجراء القياسات وفقًا للمواصفات القياسية ISO 2431 أو ASTM D1200-10 أو DIN 53411. ^[¹⁵^]

يعمل مقياس اللزوجة ذو الشفرة المرنة على تحسين دقة القياسات للسوائل ذات اللزوجة المنخفضة من خلال الاستفادة من التغيرات الطفيفة في مجال التدفق بسبب مرونة الشفرة المتحركة أو الثابتة (والتي تسمى أحيانًا بالجناح أو الكابولي المثبت من جانب واحد).

يُعد مقياس اللزوجة ذو القرص الدوار هو مقياس اللزوجة القياسي لقياس لزوجة المواد ووقت الاحتراق للمطاط قبل عملية الفلكنة.

انظر أيضاً

مراجع

↑ بارنز، هـ. أ.؛ هاتون، ج. ف.؛ والترز، ك. (1989). مقدمة في علم الريولوجيا (الطبعة الخامسة المحسّنة ). أمستردام: إلسيفير. ص 12. ISBN 978-0-444-87140-4.
↑ tec-science (2020-04-04). "التحديد التجريبي للزوجة (مقياس اللزوجة)" . tec-science . تم الاسترجاع في 2020-06-25 .
↑ دبليو بي ماسون، إم هيل: قياس لزوجة ومرونة قص السوائل باستخدام بلورة مهتزة التوائية ؛ معاملات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. في: مجلة تكنولوجيا التشحيم. المجلد 69، 1947، ص 359-370.
↑ بيرثولد بودي: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken . أطروحة دير TU كلاوستال، 1984.
↑ "مقياس اللزوجة QVis | شركة فلوكون للتحكم بالسوائل المحدودة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2015-07-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2015-07-02 .<|accessdate=2015-07-02 |
1 2 يوهانسمان، ديتلم (2008). "قياسات اللزوجة المرنة والميكانيكية والعازلة على عينات معقدة باستخدام ميزان بلوري كوارتز دقيق". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 10 (31): 4516-34 . Bibcode : 2008PCCP...10.4516J . doi : 10.1039/b803960g . ISSN 1463-9076 . PMID 18665301 .
1 2 باي، تشينغسونغ؛ هو، جيانغوو؛ هوانغ، شيانخه؛ هوانغ، هونغ يوان (2016). "استخدام ميزان الكوارتز البلوري لقياس لزوجة السوائل ميدانيًا بطريقة جديدة تعتمد على حساسية الكتلة". ندوة IEEE الدولية للتحكم في التردد 2016 (IFCS) . نيو أورليانز، لويزيانا، الولايات المتحدة الأمريكية: IEEE. الصفحات 1-3 . doi : 10.1109/FCS.2016.7546819 . ISBN 9781509020911. S2CID 1584926 .
1 2 آش، دين سي؛ جويس، مالكولم جيه؛ بارنز، كريس؛ بوث، سي. جان؛ جيفريز، أدريان سي. (2003). "قياس لزوجة الزيوت الصناعية باستخدام ميزان بلوري كوارتز قطري دقيق". علم وتكنولوجيا القياس . 14 (11): 1955-1962 . Bibcode : 2003MeScT..14.1955A . doi : 10.1088/0957-0233/14/11/013 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250866968 .
↑ بيتز، دبليو. وكوتنر، كيه.-إتش.، الطبعة الإنجليزية من إعداد ديفيز، بي. جيه.، ترجمة شيلدز، إم. جيه. (1994). دليل دوبل للهندسة الميكانيكية. لندن: سبرينغر-فيرلاغ المحدودة، ص. F89.
1 2 دليل ASTM للطلاءات والطلاءات 0-8031-2060-5.
↑ "مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة على شريحة، تقنية VROC" .
↑ "تصحيح اللزوجة: وايسنبرغ-رابينوفيتش-موني (WRM)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29-01-2024.
↑ شين، سيهيون؛ كيوم، دو-يونغ (يونيو 2003). "قياس لزوجة الأطعمة السائلة غير النيوتونية باستخدام مقياس لزوجة شعيري كاشف للكتلة". مجلة هندسة الأغذية . 58 (1): 5-10 . doi : 10.1016/S0260-8774(02)00327-8 .
↑ "مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة" .
↑ "قمع مارش ولزوجة سائل الحفر: معادلة جديدة للاستخدام الميداني" . kb.oges.info .

معهد المعايير البريطانية BS ISO/TR 3666:1998 لزوجة الماء
معهد المعايير البريطانية BS 188:1977 طرق تحديد لزوجة السوائل

روابط خارجية

شركة ريوتست ميدينجن المحدودة - تاريخ ومجموعة أدوات علم الريولوجيا من زمن فريتز هوبلر
ASTM International (ASTM D7042)
جداول تحويل اللزوجة
الصفحة الرئيسية - شركة ألفا تكنولوجيز (المعروفة سابقًا باسم مونسانتو للأجهزة والمعدات) - أكرون، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية
أنتون بار - أساسيات قياس اللزوجة

[1] بارنز، هـ. أ.؛ هاتون، ج. ف.؛ والترز، ك. (1989). مقدمة في علم الريولوجيا (الطبعة الخامسة المحسّنة ). أمستردام: إلسيفير. ص 12. ISBN 978-0-444-87140-4.

[2] tec-science (2020-04-04). "التحديد التجريبي للزوجة (مقياس اللزوجة)" . tec-science . تم الاسترجاع في 2020-06-25 .

[3] دبليو بي ماسون، إم هيل: قياس لزوجة ومرونة قص السوائل باستخدام بلورة مهتزة التوائية ؛ معاملات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. في: مجلة تكنولوجيا التشحيم. المجلد 69، 1947، ص 359-370.

[4] بيرثولد بودي: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken . أطروحة دير TU كلاوستال، 1984.

[5] "مقياس اللزوجة QVis | شركة فلوكون للتحكم بالسوائل المحدودة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2015-07-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2015-07-02 .<|accessdate=2015-07-02 |

[:0-6] 1 2 يوهانسمان، ديتلم (2008). "قياسات اللزوجة المرنة والميكانيكية والعازلة على عينات معقدة باستخدام ميزان بلوري كوارتز دقيق". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 10 (31): 4516-34 . Bibcode : 2008PCCP...10.4516J . doi : 10.1039/b803960g . ISSN 1463-9076 . PMID 18665301 .

[:1-7] 1 2 باي، تشينغسونغ؛ هو، جيانغوو؛ هوانغ، شيانخه؛ هوانغ، هونغ يوان (2016). "استخدام ميزان الكوارتز البلوري لقياس لزوجة السوائل ميدانيًا بطريقة جديدة تعتمد على حساسية الكتلة". ندوة IEEE الدولية للتحكم في التردد 2016 (IFCS) . نيو أورليانز، لويزيانا، الولايات المتحدة الأمريكية: IEEE. الصفحات 1-3 . doi : 10.1109/FCS.2016.7546819 . ISBN 9781509020911. S2CID 1584926 .

[:2-8] 1 2 آش، دين سي؛ جويس، مالكولم جيه؛ بارنز، كريس؛ بوث، سي. جان؛ جيفريز، أدريان سي. (2003). "قياس لزوجة الزيوت الصناعية باستخدام ميزان بلوري كوارتز قطري دقيق". علم وتكنولوجيا القياس . 14 (11): 1955-1962 . Bibcode : 2003MeScT..14.1955A . doi : 10.1088/0957-0233/14/11/013 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250866968 .

[9] بيتز، دبليو. وكوتنر، كيه.-إتش.، الطبعة الإنجليزية من إعداد ديفيز، بي. جيه.، ترجمة شيلدز، إم. جيه. (1994). دليل دوبل للهندسة الميكانيكية. لندن: سبرينغر-فيرلاغ المحدودة، ص. F89.

[auto-10] 1 2 دليل ASTM للطلاءات والطلاءات 0-8031-2060-5.

[11] "مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة على شريحة، تقنية VROC" .

[12] "تصحيح اللزوجة: وايسنبرغ-رابينوفيتش-موني (WRM)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29-01-2024.

[13] شين، سيهيون؛ كيوم، دو-يونغ (يونيو 2003). "قياس لزوجة الأطعمة السائلة غير النيوتونية باستخدام مقياس لزوجة شعيري كاشف للكتلة". مجلة هندسة الأغذية . 58 (1): 5-10 . doi : 10.1016/S0260-8774(02)00327-8 .

[14] "مقياس اللزوجة/مقياس اللزوجة" .

[15] "قمع مارش ولزوجة سائل الحفر: معادلة جديدة للاستخدام الميداني" . kb.oges.info .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗