مقياس اللزوجة
جهاز قياس اللزوجة هو جهاز مخبري يُستخدم لقياس كيفية تدفق السوائل اللزجة ( سائل ، معلق، أو ملاط ) استجابةً للقوى المؤثرة عليها. يُستخدم هذا الجهاز مع السوائل التي لا يمكن تحديد لزوجتها بقيمة واحدة ، وبالتالي تتطلب ضبط وقياس معايير أكثر من تلك المطلوبة في مقياس اللزوجة التقليدي . وهو يقيس خصائص انسياب السائل.
يوجد نوعان متميزان من أجهزة قياس اللزوجة. تُسمى أجهزة قياس اللزوجة التي تتحكم في إجهاد القص أو انفعال القص المطبق بأجهزة قياس اللزوجة الدورانية أو القصية ، بينما تُسمى أجهزة قياس اللزوجة التي تطبق إجهاد التمدد أو انفعال التمدد بأجهزة قياس اللزوجة التمددية . عادةً ما تُصمم أجهزة قياس اللزوجة الدورانية أو القصية إما كجهاز تحكم في الانفعال الأصلي (يتحكم في انفعال قص محدد من قبل المستخدم ويطبقه، ثم يقيس إجهاد القص الناتج) أو كجهاز تحكم في الإجهاد الأصلي (يتحكم في إجهاد قص محدد من قبل المستخدم ويطبقه، ثم يقيس انفعال القص الناتج).
المعاني والأصل
كلمة "ريوميتر" مشتقة من اليونانية، وتعني جهازًا لقياس التدفق الرئيسي. [ 1 ] في القرن التاسع عشر، شاع استخدامها للإشارة إلى أجهزة قياس التيار الكهربائي، إلى أن حلت محلها كلمتا "جلفانومتر" و "أميتر" . كما استُخدمت لقياس تدفق السوائل، في الممارسة الطبية (تدفق الدم) وفي الهندسة المدنية (تدفق المياه). واستمر هذا الاستخدام الأخير حتى النصف الثاني من القرن العشرين في بعض المجالات. بعد صياغة مصطلح " علم الريولوجيا" ، أصبح يُطلق على الأدوات المستخدمة لقياس خصائص التدفق بدلًا من كميته ، وأصبحت المعاني الأخرى قديمة. (المصدر الرئيسي: قاموس أكسفورد الإنجليزي ). وُصفت آلية عمل الريوميترات في العديد من النصوص. [ 2 ] [ 3 ]
أنواع مقياس اللزوجة القصي
هندسة القص
يمكن تحديد أربعة مستويات قص أساسية وفقًا لهندستها،
- تدفق لوحة السحب كويت
- التدفق الأسطواني
- تدفق بويزوي في أنبوب و
- تدفق الصفائح
ثم تستخدم الأنواع المختلفة من مقاييس القص أحد هذه الأشكال الهندسية أو مزيجًا منها.
القص الخطي
من الأمثلة على أجهزة قياس اللزوجة الخطية للقص جهاز غوديير لقياس لزوجة الجلد الخطي، والذي يُستخدم لاختبار تركيبات كريمات التجميل، ولأغراض البحث الطبي لتحديد الخصائص المرنة للأنسجة. يعمل الجهاز عن طريق تثبيت مسبار خطي على سطح النسيج المراد اختباره، ثم تُطبق قوة دورية مضبوطة، وتُقاس قوة القص الناتجة باستخدام خلية قياس الحمل . يُقاس الإزاحة باستخدام محول تفاضلي خطي متغير (LVDT). وبذلك، تُسجل معلمات الإجهاد والانفعال الأساسية وتُحلل لاستنتاج معدل المرونة الديناميكي للنسيج قيد الاختبار.
أنبوب أو شعيرة دموية
يُدفع سائل عبر أنبوب ذي مقطع عرضي ثابت وأبعاد معروفة بدقة في ظروف التدفق الصفائحي . يُثبّت إما معدل التدفق أو انخفاض الضغط، بينما يُقاس الآخر. بمعرفة الأبعاد، يُمكن تحويل معدل التدفق إلى قيمة لمعدل القص ، وانخفاض الضغط إلى قيمة لإجهاد القص . يسمح تغيير الضغط أو التدفق بتحديد منحنى التدفق. عندما تتوفر كمية صغيرة نسبيًا من السائل لإجراء توصيف ريولوجي، يُمكن استخدام مقياس ريولوجي دقيق مزود بمستشعرات ضغط مدمجة لقياس انخفاض الضغط عند معدل تدفق مُتحكم به. [ 4 ] [ 5 ]
تُعدّ مقاييس اللزوجة الشعرية مفيدةً للغاية في توصيف محاليل البروتينات العلاجية، إذ تُحدّد مدى سهولة حقنها. [ 6 ] إضافةً إلى ذلك، توجد علاقة عكسية بين قياس اللزوجة واستقرار المحلول، فضلاً عن التفاعلات الديناميكية الحرارية.
مقياس اللزوجة الديناميكي للقص
يُستخدم مقياس اللزوجة الديناميكي للقص ، المعروف اختصارًا بـ DSR، في البحث والتطوير، فضلًا عن مراقبة الجودة في تصنيع مجموعة واسعة من المواد. وقد استُخدمت مقاييس اللزوجة الديناميكية للقص منذ عام 1993، عندما استُخدم جهاز Superpave لتوصيف وفهم الخصائص الريولوجية لمواد الربط الإسفلتية عند درجات الحرارة العالية، سواءً في حالتها المنصهرة أو الصلبة، وهو أمر أساسي لتحديد التركيب الكيميائي لهذه المواد والتنبؤ بأدائها عند الاستخدام النهائي.
أسطوانة دوارة
يُوضع السائل داخل الفراغ الحلقي لأسطوانة داخل أخرى. تُدار إحدى الأسطوانتين بسرعة محددة، مما يُحدد معدل القص داخل الفراغ. يميل السائل إلى جرّ الأسطوانة الأخرى، وتُقاس القوة التي يُؤثر بها عليها ( عزم الدوران )، والتي يُمكن تحويلها إلى إجهاد قص . أحد هذه الأجهزة هو مقياس لزوجة فان VG، الذي يعمل بسرعتين (300 و600 دورة في الدقيقة)، وبالتالي يُعطي نقطتين فقط على منحنى التدفق. هذا كافٍ لتحديد نموذج بينغهام البلاستيكي ، الذي كان يُستخدم على نطاق واسع في صناعة النفط لتحديد خصائص تدفق سوائل الحفر . في السنوات الأخيرة، أصبحت مقاييس اللزوجة التي تدور بسرعات 600، 300، 200، 100، 6، و3 دورات في الدقيقة أكثر شيوعًا. هذا يسمح باستخدام نماذج سوائل أكثر تعقيدًا، مثل نموذج هيرشل-بولكلي . تسمح بعض النماذج بزيادة السرعة وخفضها بشكل مستمر بطريقة مبرمجة، مما يسمح بقياس الخصائص التي تعتمد على الوقت.
مخروط ولوحة
يُوضع السائل على صفيحة أفقية، ثم يُغرس فيها مخروط ضحل. تتراوح الزاوية بين سطح المخروط والصفيحة بين 1 و2 درجة، ولكنها قد تختلف باختلاف أنواع الاختبارات المُجراة. عادةً ما تُدار الصفيحة ويُقاس عزم الدوران المؤثر على المخروط. من أشهر أنواع هذا الجهاز مقياس ريوغونيمتر فايسنبرغ، حيث تُقاوم حركة المخروط بواسطة قطعة معدنية رقيقة قابلة للالتواء تُعرف بقضيب الالتواء . تُعطي استجابة قضيب الالتواء المعروفة ودرجة الالتواء إجهاد القص ، بينما تُعطي سرعة الدوران وأبعاد المخروط معدل القص . من حيث المبدأ، يُعد مقياس ريوغونيمتر فايسنبرغ طريقة قياس مطلقة شريطة ضبطه بدقة. قد تكون الأجهزة الأخرى التي تعمل على هذا المبدأ أسهل استخدامًا، ولكنها تتطلب معايرة باستخدام سائل معروف. يمكن أيضًا تشغيل مقاييس الريوغونيمتر المخروطية والصفيحة في وضع التذبذب لقياس الخصائص المرنة، أو في وضعَي الدوران والتذبذب معًا.
المفاهيم الأساسية لمقياس اللزوجة القصية
المصدر: [ 7 ]
في الماضي، كانت الأجهزة ذات الإجهاد أو معدل الإجهاد المتحكم به (مقاييس اللزوجة CR) تميز عن مقاييس اللزوجة ذات الإجهاد المتحكم به (مقاييس اللزوجة CS) اعتمادًا على مبدأ القياس.
في مقياس اللزوجة ذي الإجهاد المتحكم به، تُعرَّض العينة للإزاحة أو السرعة (الإجهاد أو معدل الإجهاد) باستخدام محرك تيار مستمر، ويُقاس عزم الدوران الناتج (الإجهاد) بشكل منفصل باستخدام مستشعر إضافي للقوة وعزم الدوران (محول تعويض عزم الدوران). لا يُستخدم التيار الكهربائي المستخدم لتوليد إزاحة أو سرعة المحرك كمقياس لعزم الدوران المؤثر على العينة. يُشار إلى نمط التشغيل هذا أيضًا بنمط محول المحرك المنفصل.
- يتم ضبط زاوية الانحراف/الإجهاد ومعدل القص بواسطة المحرك بناءً على التحكم في موضع المشفر البصري في الجزء السفلي.
- يتم قياس رد فعل العينة (الإجهاد المؤثر داخل العينة) بواسطة محول طاقة إضافي للقوة والعزم (محول طاقة إعادة توازن العزم).
- إن فصل قياس عزم الدوران عن قياس قوة الدفع له مزايا في الاختبارات التي يتم التحكم فيها عن طريق الإجهاد، حيث أن عزم القصور الذاتي للمحرك ليس له تأثير على عزم الدوران المقاس.
- يمكن إيجاد قيود وضع SMT في القياسات التي يتم التحكم فيها بالإجهاد (مثل اختبارات الزحف).
في مقياس اللزوجة ذي الإجهاد المتحكم به، يُحدد عزم الدوران المؤثر على العينة مباشرةً من عزم الدوران الكهربائي المتولد في المحرك. مع هذا التصميم، لا حاجة إلى مستشعر عزم دوران منفصل. عادةً ما يُوصف نمط التشغيل هذا بنمط المحرك-المحول المدمج.
- يتم تحديد الإجهاد المؤثر في العينة مباشرة من عزم الدوران المتولد في المحرك، وهو المطلوب لتشويه العينة.
- يتم تحديد زاوية الانحراف/الإجهاد ومعدل القص باستخدام مشفر بصري.
- تتيح أجهزة قياس اللزوجة أحادية المحرك توصيف العينات في اختبارات يتم التحكم فيها إما عن طريق معدل الإجهاد/القص أو عن طريق إجهاد القص
- بما أنه لا يلزم سوى محرك واحد، يمكن بسهولة دمج مقياس اللزوجة أحادي المحرك مع ملحقات إضافية خاصة بالتطبيقات والتي تتيح دراسة خصائص المواد في مجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة.
- قد تنشأ قيود من تقييم البيانات الأقل دقة في النظام الانتقالي لاختبارات القص عند بدء التشغيل.
تتوفر اليوم تصاميم أجهزة تسمح بنمطَي تشغيل: نمط المحرك والمحول المدمج، ونمط المحرك والمحول المنفصل، وذلك باستخدام محركين في جهاز واحد. يتيح استخدام محرك واحد فقط إجراء القياسات في نمط المحرك والمحول المدمج. أما استخدام كلا المحركين فيتيح العمل في نمط المحرك والمحول المنفصل، حيث يُستخدم أحدهما لتشويه العينة بينما يُستخدم الآخر لتسجيل عزم الدوران المؤثر عليها. علاوة على ذلك، يتيح هذا التصميم أنماط تشغيل إضافية، مثل نمط الدوران المعاكس، حيث يمكن للمحركين الدوران أو التذبذب في اتجاهين متعاكسين. يُستخدم هذا النمط، على سبيل المثال، لزيادة أقصى نطاق لمعدل القص الممكن تحقيقه، أو لإجراء توصيف ريوبصري متقدم للعينات.
أنواع مقياس اللزوجة التمددي
كان تطوير مقاييس اللزوجة التمددية أبطأ من مقاييس اللزوجة القصية، نظرًا للتحديات المرتبطة بتوليد تدفق تمددي متجانس. أولًا، ينتج عن تفاعلات سائل الاختبار أو المصهور مع الأسطح الصلبة مكون من تدفق القص ، مما يؤثر سلبًا على النتائج. ثانيًا، يجب التحكم في تاريخ الإجهاد لجميع عناصر المادة ومعرفته. ثالثًا، يجب أن تكون معدلات الإجهاد ومستوياته عالية بما يكفي لتمديد السلاسل البوليمرية إلى ما يتجاوز نصف قطر دورانها الطبيعي، مما يتطلب أجهزة ذات نطاق واسع من معدلات التشوه ومسافة انتقال كبيرة. [ 8 ] [ 9 ]
صُنفت أجهزة قياس اللزوجة التمددية المتوفرة تجاريًا وفقًا لمدى ملاءمتها لنطاقات اللزوجة المختلفة. تُعدّ أجهزة قياس اللزوجة التمددية الشعرية، أو أجهزة النفث المتقابل، أو أنظمة التدفق الانقباضي، الأنسب لدراسة خصائص المواد ذات نطاق اللزوجة من 0.01 إلى 1 باسكال.ثانية تقريبًا (معظم محاليل البوليمر). أما المواد ذات نطاق اللزوجة من 1 إلى 1000 باسكال.ثانية تقريبًا، فتُستخدم في أجهزة قياس اللزوجة التمددية الخيطية. بينما تُعدّ الأجهزة ذات الطول الثابت الأنسب لدراسة خصائص المواد ذات اللزوجة العالية التي تزيد عن 1000 باسكال.ثانية، مثل مصهورات البوليمر. [ 10 ]
يُجرى قياس اللزوجة التمددية عادةً على المواد التي تتعرض لتشوه شدّي. يمكن أن يحدث هذا النوع من التشوه أثناء عمليات التصنيع، مثل قولبة الحقن، وغزل الألياف، والبثق، والنفخ، وتدفقات الطلاء. كما يمكن أن يحدث أثناء الاستخدام، مثل انفصال المواد اللاصقة، وضخ صابون اليد، وتداول المنتجات الغذائية السائلة.
يُعرض في الجدول أدناه قائمة بمقاييس اللزوجة التمددية المتوفرة تجارياً حالياً والتي تم تسويقها سابقاً.
مقاييس اللزوجة التمددية المتوفرة تجارياً
| اسم الآلة | نطاق اللزوجة [باسكال.ثانية] | نوع التدفق | الشركة المصنعة | |
|---|---|---|---|---|
| يتم تسويقه حاليًا | ريوتينز | أكثر من 100 | غزل الألياف | جوتفرت |
| كابر | 0.01-10 | تفكك الشعيرات الدموية | شركة Thermo Scientific | |
| مقياس اللزوجة التمددي من سينتمانات | أكثر من 10000 | طول ثابت | شركة إكسبانشن إنسترومنتس | |
| فيسر | 1–1000 | تمدد الخيوط | مجموعة كامبريدج بوليمر | |
| فادر | أكثر من 100 | شد الخيوط المتحكم به | خيوط ريو | |
| تم تسويقه سابقاً | RFX | 0.01-1 | الطائرة المعارضة | ريوميتريك ساينتيفيك |
| RME | أكثر من 10000 | طول ثابت | ريوميتريك ساينتيفيك | |
| MXR2 | أكثر من 10000 | طول ثابت | ماجنا بروجكتس |
ريوتينز
جهاز ريوتينس هو مقياس لزوجة غزل الألياف، مناسب للمواد البوليمرية المنصهرة. تُضخ المادة من أنبوب علوي، وتقوم مجموعة من العجلات بإطالة الخيط. يقيس محول طاقة مثبت على إحدى العجلات قوة التمدد الناتجة. ونظرًا للقص المسبق الناتج أثناء نقل السائل عبر الأنبوب العلوي، يصعب الحصول على لزوجة تمدد حقيقية . مع ذلك، يُعد جهاز ريوتينس مفيدًا لمقارنة خصائص تدفق التمدد لمجموعة متجانسة من المواد.
كابر
جهاز CaBER هو مقياس لزوجة يعتمد على تفتت الشعيرات الدموية . توضع كمية صغيرة من المادة بين لوحين، ثم يتم شدهما بسرعة إلى مستوى ثابت من الإجهاد. يُرصد قطر نقطة المنتصف كدالة للزمن بينما يتقلص خيط السائل ويتفتت تحت تأثير قوى التوتر السطحي والجاذبية واللزوجة المرنة مجتمعة. يمكن استخلاص لزوجة التمدد من البيانات كدالة للإجهاد ومعدل الإجهاد. يُعد هذا النظام مفيدًا للسوائل منخفضة اللزوجة، والأحبار، والدهانات، والمواد اللاصقة، والسوائل البيولوجية.
فيسر
يعتمد جهاز FiSER (مقياس اللزوجة التمددية للخيوط) على أعمال سريدهار وآخرون وآنا وآخرون [ 11 ] . في هذا الجهاز، تقوم مجموعة من المحركات الخطية بتحريك خيط سائل بسرعة متزايدة أُسّيًا، مع قياس القوة والقطر كدالة للزمن والموقع. من خلال التشوه بمعدل متزايد أُسّيًا، يمكن تحقيق معدل إجهاد ثابت في العينات (باستثناء قيود تدفق الصفيحة الطرفية). يستطيع هذا النظام مراقبة اللزوجة التمددية المعتمدة على الإجهاد، بالإضافة إلى انخفاض الإجهاد بعد توقف التدفق. يمكن الاطلاع على عرض تفصيلي حول الاستخدامات المختلفة لمقياس اللزوجة التمددية للخيوط على موقع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الإلكتروني [ 12 ] .
سنتمانات
جهاز قياس اللزوجة التمددية من سنتمانات (SER) هو في الواقع جهاز يمكن تركيبه ميدانيًا على أجهزة قياس اللزوجة القصية. يتم لف طبقة من البوليمر على أسطوانتين دوارتين، تُطبقان تشوهًا تمدديًا بمعدل إجهاد ثابت أو متغير على طبقة البوليمر. ويتم تحديد الإجهاد من خلال عزم الدوران الذي تُطبقه الأسطوانتان.
أنواع أخرى من مقاييس اللزوجة التمددية
مقياس اللزوجة الصوتي
تستخدم مقاييس اللزوجة الصوتية بلورة كهرضغطية قادرة على إطلاق موجات متتالية من التمدد والانقباض في السائل. تُطبّق هذه الطريقة غير التلامسية إجهادًا تمدديًا متذبذبًا. تقيس مقاييس اللزوجة الصوتية سرعة الصوت وتوهين الموجات فوق الصوتية ضمن نطاق ترددات الميغاهرتز. تُعد سرعة الصوت مقياسًا لمرونة النظام، ويمكن تحويلها إلى انضغاطية السائل. أما التوهين، فهو مقياس لخصائص اللزوجة، ويمكن تحويله إلى معامل اللزوجة الطولي. في حالة السوائل النيوتونية، يُعطي التوهين معلومات عن لزوجة الحجم. يعمل هذا النوع من مقاييس اللزوجة بترددات أعلى بكثير من غيره، وهو مناسب لدراسة التأثيرات ذات أزمنة الاسترخاء الأقصر بكثير من أي مقياس لزوجة آخر.
طبق ساقط
يُعد مقياس اللزوجة ذو الصفيحة الساقطة نسخةً أبسط من مقياس اللزوجة ذي الخيط الممتد، حيث يُحصر السائل بين سطحين صلبين. الصفيحة العلوية ثابتة، بينما تسقط الصفيحة السفلية بفعل الجاذبية، فتسحب خيطًا من السائل.
التدفق الشعري/الانقباضي
تتضمن أنظمة أخرى مرور السائل عبر فتحة، أو تمدده من أنبوب شعري، أو سحبه من سطح إلى عمود بواسطة فراغ. ويمكن استخدام مقياس لزوجة شعيري مضغوط لتصميم المعالجات الحرارية للأغذية السائلة. وقد تساعد هذه الأجهزة في منع الإفراط في معالجة الأغذية السائلة أو عدم معالجتها بالقدر الكافي، إذ لن تكون هناك حاجة إلى استقراء درجات الحرارة العالية. [ 13 ]
انظر أيضاً
مراجع
- ^ مزجر ، توماس (2014). الريولوجيا التطبيقية (الطبعة السادسة ). النمسا: انطون بار. ص. 192. ردمك 9783950401608.
- ↑ ماكوسكو، كريستوفر و. (1994). علم الريولوجيا: المبادئ والقياسات والتطبيقات . وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 0-471-18575-2.
- ↑ فيري، جيه دي (1980). الخصائص المرنة اللزجة للبوليمرات . وايلي. ISBN 0-471-04894-1.
- ↑ بايب، سي جيه؛ ماجمودار، تي إس؛ ماكينلي، جي إتش (2008). "قياس اللزوجة بمعدل القص العالي". مجلة ريولوجيكا أكتا . 47 ( 5-6 ): 621-642 . رمز Bibcode : 2008AcRhe..47..621P . doi : 10.1007/s00397-008-0268-1 . S2CID 16953617 .
- ↑ شيڤالييه، ج؛ أييلا، ف. (2008). "مقاييس اللزوجة الميكروفلويدية على رقاقة". مجلة الأدوات العلمية . 79 (7): 076102. رمز Bibcode : 2008RScI...79g6102C . doi : 10.1063/1.2940219 . PMID 18681739 .
- ↑ هدسون، ستيفن (10 أكتوبر 2014). "مقياس لزوجة شعيري دقيق الحجم لتوصيف محاليل البروتين" . مجلة العلوم الصيدلانية . 104 (2): 678-685 . doi : 10.1002/jps.24201 . PMID 25308758 .
- ↑ ميزجر، توماس ج. (2020). دليل علم الريولوجيا ( الطبعة الخامسة المنقحة). هانوفر: شركة فينسينتز نتوورك المحدودة وشركاه، هانوفر. الصفحات 400-403 . ISBN 978-3-86630-532-8.
- ↑ ماكوسكو، كريستوفر و. (1994). علم الريولوجيا : المبادئ والقياسات والتطبيقات . نيويورك: VCH. ISBN 1-56081-579-5.
- ↑ بارنز، هوارد أ. (2000). دليل أساسيات علم الريولوجيا . أبيريستويث: جامعة ويلز، معهد ميكانيكا الموائع غير النيوتونية. ISBN 0-9538032-0-1.
- ↑ دليل سبرينغر لميكانيكا الموائع التجريبية، تروبيا، فوس، يارين (محررون)، الفصل 9.1 (2007)
- ↑ سريدهار، ج. ميكانيكا الموائع غير النيوتونية، المجلد 40، 271-280 (1991)؛ آنا، ج. ميكانيكا الموائع غير النيوتونية، المجلد 87، 307-335 (1999)
- ↑ ماكينلي، ج. "عقد من قياس اللزوجة عن طريق شد الخيوط" . web.mit.edu .
- ↑ روس-بولسكي، فالكيريا (5 مارس 2014). "التحليل الريولوجي لمحلول السكروز عند درجات حرارة عالية باستخدام مقياس ريولوجي شعيري مضغوط مُسخّن بالميكروويف". علوم الأغذية . 79 (4): E540– E545. doi : 10.1111/1750-3841.12398 . PMID 24597707 .
- ك. والترز (1975) علم قياس اللزوجة (تشابمان وهول) ISBN 0-412-12090-9
- ASDukhin و PJGoetz "الموجات فوق الصوتية لتوصيف الغرويات"، Elsevier، (2002)
روابط خارجية
- انظر إلى مقياس القص الديناميكي من شركة كوبر للأبحاث والتكنولوجيا، مؤرشف بتاريخ 23 مارس 2014 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
- عرض تقديمي حول الاستخدامات البديلة لأجهزة قياس اللزوجة، مؤرشف بتاريخ 15 سبتمبر 2019 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
- ديناميكا الموائع
- أدوات القياس
- علم القبائل