6 Methoden zur Messung der Flüssigkeitsviskosität

Die Viskosität ist eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Industrieflüssigkeiten wie Beschichtungen, Farben und Klebstoffen.

Im Wesentlichen gibt die Viskosität den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Verformung durch Scher- oder Zugspannungen an. Mit anderen Worten, diese Eigenschaft beschreibt die Reibung zwischen den Fluidmolekülen, die eine entgegengesetzte Relativbewegung zwischen Fluidschichten verursacht, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Die Viskosität kann ein Hinweis darauf sein, wie sich eine Flüssigkeit unter einer ausgeübten Kraft oder ihrem eigenen Gewicht verhält.

Je viskoser eine Flüssigkeit ist, desto „dicker“ erscheint sie. Beispielsweise haben Öle oder Fette eine höhere Viskosität als Wasser und erscheinen daher dickflüssiger.

Hersteller von Ölen, Lacken, Farben und Klebstoffen stehen häufig vor der Aufgabe, die optimale Viskosität ihrer Produkte für bestimmte Anwendungen zu bestimmen. (Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Serviceanforderungen und Umweltfaktoren für Beschichtungen .)

Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität neigen dazu, leichter zu fließen. Daher kann eine Beschichtung mit einer zu niedrigen Viskosität zu Verlaufen und Absacken führen. Andererseits kann eine Beschichtung mit zu hoher Viskosität „steif“ und schwer aufzutragen sein.

In diesem Artikel betrachten wir den Unterschied zwischen dynamischer und kinematischer Viskosität sowie die verschiedenen Methoden, mit denen sie gemessen werden.

Dynamische Viskosität

Die dynamische Viskosität, auch als absolute Viskosität bekannt, ist der Widerstand einer Flüssigkeit gegen Scherfluss aufgrund einer aufgebrachten äußeren Kraft. Er beschreibt den inneren Widerstand, der entsteht, wenn sich eine Flüssigkeitsschicht in einer horizontalen Ebene über eine andere Schicht bewegt.

Die dynamische Viskosität ist besonders nützlich, wenn nicht-newtonsche Flüssigkeiten beschrieben werden.

Mathematisch kann die dynamische Viskosität ausgedrückt werden als:

μ =τ dy / dc =τ/γ

Wo:

• τ =Scherspannung in Flüssigkeit (N/m ² ).
• μ =dynamische Viskosität der Flüssigkeit (N s/m ² ).
• dc =Einheitsgeschwindigkeit (m/s).
• dy =Einheitsabstand zwischen Schichten (m).
• γ =dc / dy =Scherrate (s ^-1 ).

Die SI-Einheit für die dynamische Viskosität ist N·s/m ² oder die Pascal-Sekunde (Pa s). Eine weitere Maßeinheit für die dynamische Viskosität ist Poise (p), wobei ein Poise einem Zehntel N·s/m ² entspricht oder 1/10 Pa s.

Die Gleichgewichtseinheit kann manchmal für praktische Zwecke zu groß sein. Aus diesem Grund wird häufig die Einheit Centipoise (cP) an ihrer Stelle verwendet. In der Centipoise-Einheit entspricht ein cP 0,01 P, 0,001 N s/m ² oder 0,001 Pa·s.

Kinematische Viskosität

Die kinematische Viskosität ist einfach das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte der Flüssigkeit. Er spiegelt den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Scherströmung unter dem Einfluss der Schwerkraft wider, d. h. Scherströmung aufgrund des Eigengewichts der Flüssigkeit.

Diese Viskosität ist besonders nützlich bei der Beschreibung von Newtonschen Flüssigkeiten. Mathematisch kann die kinematische Viskosität ausgedrückt werden als:

ν =μ / ρ

Wo:

• ν =kinematische Viskosität (m ² /s).
• μ =absolute oder dynamische Viskosität (N s/m ² ).
• ρ =Dichte (kg/m ³ ).

Die SI-Einheit für die dynamische Viskosität ist m ² /s. Eine weitere Maßeinheit für diese Eigenschaft ist Stoke (St), wobei ein St gleich 10 ^-4 ist m ² /s entspricht 1 cm ² /s.

Wo der Viskositätswert in Stoke zu groß ist, wird an seiner Stelle oft die kleinere Einheit Centistoke (cSt) verwendet. In Centistoke entspricht ein cSt 10 ^-6 m ² /s =1 mm ² /s.

Wie wird die Viskosität gemessen?

Es gibt verschiedene Methoden, um sowohl die dynamische als auch die kinematische Viskosität zu messen. Einige der gebräuchlichsten Methoden sind wie folgt:

1. Viskositätsbecher

Viskositätsbecher werden zur Bestimmung der kinematischen Viskosität einer Flüssigkeit verwendet und bestehen typischerweise aus eloxiertem Aluminium mit einer Edelstahlöffnung. (Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Aluminiumkorrosion verstehen .)

Bei diesem relativ einfachen Test wird die Flüssigkeit in einen Behälter mit einer kleinen Öffnung am Boden gegeben. Das Fluid kann in einer präzisen Menge durch die Öffnung fließen. Die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um durch die Öffnung zu fließen, wird gemessen und anhand der für den jeweiligen Becher mitgelieferten Diagramme mit der Viskosität in Beziehung gesetzt.

Viskositätsbecher werden typischerweise zum Messen der Konsistenz von Farben, Lacken und ähnlichen Produkten verwendet. Eine Tabelle wird dann verwendet, um die Ausflusszeit (in Sekunden) in die Viskosität in Centistokes (cSt) umzuwandeln.

Ford- und Zahn-Becher sind einige der am häufigsten verwendeten Viskositätsbecher. Jedes Tassendesign ist einzigartig; Daher ist beim Vergleich der Viskositätswerte zwischen verschiedenen Bechertypen Vorsicht geboten. Die Werte, die ein Viskositätsbecher liefert, sind absolute Werte und enthalten nicht die zulässigen Toleranzen, da diese sich zwischen den einzelnen Standards erheblich unterscheiden.

2. Vibrationsviskosimeter

Vibrationsviskosimeter arbeiten, indem sie einen oszillierenden elektromechanischen Resonator in die Testflüssigkeit eintauchen und den Dämpfungsgrad der Flüssigkeit messen. Der Resonator schwingt im Allgemeinen entweder torsional oder transversal und die Dämpfung kann bestimmt werden durch:

• Aufzeichnen der Leistungsaufnahme, die erforderlich ist, um das Gerät auf einer konstanten Amplitude vibrieren zu lassen.
• Messung des Zeitabfalls der Schwingung nach dem Abschalten der Vibration.
• Messung der Frequenz des Resonators in Bezug auf verschiedene Phasenwinkel.

Das Quarzviskosimeter ist ein Beispiel für ein Vibrationsviskosimeter. Bei diesem Verfahren wird ein Schwingquarz in eine Flüssigkeit getaucht und die spezifische Beeinflussung des Schwingverhaltens definiert die Viskosität. Ein an den Oszillator angelegtes elektrisches Feld bewirkt, dass sich der Sensor bewegt und das Fluid schert. (Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Korrosion und elektrische Interferenz in unterirdischen Metallstrukturen .)

Die Bewegung des Sensors wird dann durch die äußeren Kräfte (die Scherspannung) der Flüssigkeit beeinflusst, was sich auf die elektrische Reaktion des Sensors auswirkt.

3. Rotationsviskosimeter

Rotationsviskosimeter messen das Drehmoment, das erforderlich ist, um ein Objekt in der Testflüssigkeit zu drehen. So läuft der Prozess ab:

1. Eine der Oberflächen ist stationär.
2. Die Passfläche wird durch einen externen Antrieb gedreht.
3. Flüssigkeit füllt den Raum zwischen den Oberflächen. Das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Scheibe oder einen Bob mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu drehen, wird gemessen und aufgezeichnet.

Das Drehmoment, das die eingestellte Drehzahl aufrechterhält, ist direkt proportional zur Viskosität; daher ist die Vorrichtung in der Lage, Viskositäts-, Scherspannungs- und Schergeschwindigkeitswerte auszugeben. Da auf die Flüssigkeit eine äußere Scherkraft ausgeübt wird, messen Rotationsviskosimeter die dynamische Viskosität einer Flüssigkeit.

Cups, Bobs, Cones und Plates sind alle Arten von Rotationsviskosimetern. Becher- und Bob-Viskosimeter bestehen aus koaxialen Zylindern mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein Volumen einer zu scherenden Probe wird in einer Testzelle gelagert; das Drehmoment, das zum Erreichen einer bestimmten Drehzahl erforderlich ist, wird gemessen und aufgezeichnet.

Kegel-Platten-Viskosimeter haben einen präzisen Drehmomentmesser, der als diskrete Drehzahl angetrieben wird. Es verwendet einen engwinkligen Kegel in unmittelbarer Nähe zu einer flachen Platte. Die Viskosität errechnet sich aus Scherspannung und Schergeschwindigkeit. (Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter: Die Auswirkungen von Korrosion auf das Scherverhalten von Materialien .)

4. Kapillarviskosimeter

Das Kapillarviskosimeter ist eine der frühesten bekannten Methoden zur Bestimmung der Flüssigkeitsviskosität.

Dieses Verfahren misst die Zeit, die ein definiertes Flüssigkeitsvolumen benötigt, um durch ein U-förmiges Kapillarrohr mit bekanntem Durchmesser und bekannter Länge zu fließen. Das Rohr hat normalerweise zwei Markierungen – eine obere und eine untere Markierung – die als Messreferenz verwendet werden. Die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um an diesen Markierungen vorbeizuströmen, ist proportional zur kinematischen Viskosität; daher kann die Viskosität unter Verwendung von Standardformeln bestimmt werden.

Kapillarviskosimeter umfassen die Ostwald- und Ubbelohde-Viskosimeter. Beide sind U-förmige Instrumente, haben zwei Glaskolben und verwenden Kapillarröhrchen. (Weitere Informationen darüber, wie Glas Korrosion verhindern kann, finden Sie unter: Ein Blick auf Korrosionsschutzauskleidungen für den inneren Korrosionsschutz .)

Ein großer Vorteil des Ubbelohde-Viskosimeters ist jedoch, dass die Messwerte unabhängig vom Gesamtvolumen der verwendeten Flüssigkeit sind. Der wesentliche Unterschied zwischen Ostwald- und Ubbelohde-Viskosimetern besteht darin, dass das Ostwald-Viskosimeter für die Messung von Flüssigkeiten mit niedriger bis mittlerer Viskosität geeignet ist, während das Ubbelohde-Viskosimeter für die Messung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität geeignet ist.

5. Kugelfallviskosimeter

Das Kugelfallviskosimeter wird zur Bestimmung der dynamischen Viskosität von transparenten Newtonschen Flüssigkeiten verwendet.

Das Konzept beinhaltet die Messung der Zeit, die eine Kugel bekannter Dichte benötigt, um unter Schwerkraft durch ein mit Proben gefülltes Rohr zu fallen. Das Röhrchen ist normalerweise auf einem Gerät montiert, das schnell um 180 Grad gedreht werden kann, um wiederholte Tests zu ermöglichen. Die durchschnittliche Zeit von drei Tests wird aufgezeichnet und in einer Umrechnungsformel verwendet, um die Viskosität der Probe zu bestimmen.

Kugelfallviskosimeter werden zur Qualitätskontrolle in verschiedenen Branchen sowie in akademischen Einrichtungen zur Veranschaulichung wissenschaftlicher Methoden eingesetzt. Die Benutzerfreundlichkeit und unkomplizierte Methode zur Aufzeichnung von Zeitmessungen gewährleisten aussagekräftige Testergebnisse.

6. Konsistometer

Ein Konsistometer ist ein Gerät, das aus einem Metalltrog mit einem kleinen Abschnitt besteht, der hinter einem federbelasteten Tor verriegelt ist. So funktioniert es:

1. Die zu testende Probe wird hinter dem federbelasteten Tor platziert.
2. Das Tor wird angehoben, wodurch die Probe unter ihrem eigenen Gewicht frei fließen kann.
3. Die Strecke, die die Flüssigkeit in einer bestimmten Zeit fließt, wird über die Graduierung des Geräts gemessen.

Das Konsistometer selbst misst die Viskositätswerte nicht direkt; Stattdessen können Benutzer ihre eigenen Standards speziell für die getesteten Produkte entwickeln. Diese Methode ist in der Lebensmittelindustrie beliebter und wird typischerweise verwendet, um die Viskosität von Produkten wie Ketchup, Mayonnaise, Konserven, Füllungen, Suppen, Babynahrung und Salatdressings zu messen. (Weitere Informationen zur Lebensmittelindustrie finden Sie unter: Die Korrosionseigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen .)

Faktoren, die die Viskosität beeinflussen

Es gibt verschiedene Faktoren, von denen die Flüssigkeitsviskosität abhängt. Diese sind:

• Flüssigkeitstemperatur. Normalerweise nimmt die Viskosität einer Flüssigkeit mit steigender Temperatur ab. Die Viskosität eines Gases nimmt jedoch normalerweise mit steigender Temperatur zu.
• Strömungsbedingungen. Bei laminarer Strömung bleibt die Viskosität einer Flüssigkeit konstant; wohingegen sich bei turbulenter Strömung die Viskosität ändert.
• Druck. Wenn der Druck ansteigt, erhöht sich normalerweise die Viskosität eines Gases. Da Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind, hat Druck keinen großen Einfluss.
• Mehrphasenfluss. Die Viskosität der Mehrphasenströmung wird durch das Volumen jeder Phase verändert.
• Schwebeteilchen. Schwebstoffe führen zu einer Erhöhung der Viskosität.
  
  

Newtons Viskositätsgesetz

The relationship between a fluid's shear stress and shear rate under mechanical stress is governed by Newton’s law of viscosity.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusion

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.