Un viscosimetro è uno strumento utilizzato per misurare la viscosità dei fluidi e le proprietà di flusso dei liquidi. Parliamo dei vari tipi di viscosimetri, delle loro caratteristiche interne e dei fattori che contribuiscono all'esecuzione di misurazioni della viscosità accurate e ripetibili.
Nella ricerca sulla tribologia e sulla lubrificazione, la viscosità viene spesso definita la proprietà più importante di un olio base. Perché la viscosità è così importante nella lubrificazione delle macchine? Da un lato, una viscosità troppo bassa può causare un contatto interfacciale tra i componenti interni durante il movimento, con conseguente usura.
D'altro canto, una viscosità troppo elevata costringe la macchina a lavorare di più per superare la resistenza interna al flusso del lubrificante. Pertanto, è importante comprendere non solo la viscosità dell'olio base, ma anche come potrebbe cambiare a causa delle fluttuazioni delle condizioni operative o ambientali.
Viscosimetro e reometro
La viscosità è una misura della resistenza di un fluido al flusso (stress di taglio) a una determinata temperatura. Non tutti i fluidi mantengono una viscosità costante al variare delle condizioni del flusso. I fluidi la cui viscosità cambia con le condizioni di flusso sono detti fluidi non newtoniani. La viscosità di questi tipi di fluidi viene misurata da un reometro. Un viscosimetro misura la viscosità di un fluido newtoniano.
Cinematica e viscosità assoluta
Tra i vari metodi viscosimetrici, esistono due modi diversi per esprimere la viscosità: viscosità cinematica e viscosità assoluta. La differenza principale tra i due è che la viscosità cinematica viene misurata osservando la resistenza di un fluido a scorrere sotto l'influenza della gravità, mentre la viscosità assoluta viene misurata osservando la resistenza di un fluido a scorrere sotto l'influenza di forze esterne e controllate, o per capillari c'è anche il movimento dei liquidi attraverso il corpo.
La viscosità cinematica è misurata in centistoke (cSt), ma la viscosità assoluta è misurata in centipoise (cP). A scopo comparativo, la viscosità assoluta viene solitamente convertita in viscosità cinematica dividendola per il peso specifico (SG) del fluido.
cSt=cP/SG o il reciproco dell'equazione: cP=cSt x SG
Metodo di prova della viscosità
Sono stati stabiliti diversi metodi di prova della viscosità, ciascuno con i propri vantaggi. Di seguito è riportato un elenco delle tecniche più comunemente utilizzate per i test di viscosità dell'olio base.
Test con viscosimetro capillare (vetro).
Il dispositivo principale utilizzato nei test del viscosimetro capillare è un tubo di vetro a forma di "U", da cui il nome comunemente associato, tubo a U. La procedura del tubo a U richiede l'immersione del tubo in un bagno a temperatura controllata (solitamente 40 o 100 gradi Celsius) e l'acquisizione di letture precise (in secondi) del tempo necessario affinché una quantità fissa di fluido scorra all'interno del tubo. Il tubo viene rimosso dal tubo mediante aspirazione o gravità. Un marcatore su un altro marcatore.
Questo tempo misurato viene quindi moltiplicato per una costante (relativa al tubo specifico) per calcolare la viscosità assoluta (aspirazione) o la viscosità cinematica (gravità).
Test del viscosimetro rotazionale
La caratteristica principale di un viscosimetro rotazionale prevede un dispositivo rotante, chiamato mandrino, immerso nel fluido di prova. La coppia sull'albero rotante viene quindi utilizzata per misurare la resistenza del fluido al flusso.
Un viscosimetro rotazionale calcola la viscosità assoluta di un fluido perché questa misurazione non coinvolge la gravità ma è una funzione dello stress di taglio all'interno del fluido. Una variante comune di questo viscosimetro è chiamata viscosimetro Brookfield.
Il viscosimetro Stabinger è una versione modificata del viscosimetro rotazionale. Utilizza un mandrino flottante indipendente migliorato, controllato dalla forza elettromagnetica per generare la rotazione nel fluido. Ciò è vantaggioso perché elimina il difficile compito di tenere conto dell'attrito del cuscinetto del motore aggiuntivo con l'albero principale.
Test con viscosimetro a sfera cadente e a pistone cadente
Alternative meno comuni per la misurazione della viscosità includono viscosimetri a sfera cadente e a pistone cadente. In questi test, una sfera o un pistone vengono immersi in un liquido e viene misurato il tempo che intercorre tra un punto contrassegnato e un secondo punto contrassegnato. Per calcolare la viscosità dalla legge di Stokes, è necessario conoscere la velocità terminale, le dimensioni e la densità della sfera o del pistone.
Altri metodi di prova
In alcune situazioni non comunemente riscontrate nei test di viscosità dell'olio, è possibile utilizzare il metodo delle bolle. Questo test di solito comporta la misurazione del tempo impiegato da una bolla per raggiungere una distanza specifica. Questo tempo di misurazione può quindi essere correlato proporzionalmente alla viscosità del fluido. Un'altra variante prevede la misurazione della resistenza della sonda alle vibrazioni.
Tipi di viscosimetri
Sebbene esistano diversi metodi per determinare la viscosità, la maggior parte dei viscosimetri viene venduta in commercio per adattarsi al meglio all'uso previsto. Di seguito è riportato un elenco di queste categorie di viscosimetri.
Viscosimetro portatile
Come suggerisce il nome, i viscosimetri portatili sono adatti per l'uso ovunque in cui un ambiente di laboratorio non sia pratico. In molti campi e applicazioni sul campo, i viscosimetri devono fornire letture della viscosità rapide e approssimative, spesso per garantire ulteriori analisi.
Viscosimetro a piccolo campo
Per letture della viscosità più accurate, i viscosimetri a campo piccolo sono adatti per ambienti di laboratorio ma sono convenienti. Tali viscosimetri includono la varietà con tubo a U o il viscosimetro Brookfield.
Viscosimetro a servizio completo
Per ottenere la massima precisione nei test di viscosità, è necessario utilizzare un viscosimetro a servizio completo. Questi dispositivi sono spesso in grado di testare automaticamente la viscosità cinematica e assoluta in un ampio intervallo di temperature e fornire calcoli di densità e peso specifico. Una sfida comune affrontata dai laboratori di analisi dell'olio che richiedono più test sui campioni è la capacità di eseguire questi test con il minor numero di campioni possibile.
Alcuni dei viscosimetri a servizio completo più sofisticati possono effettuare misurazioni accurate con volumi di campione inferiori a 0,1 ml, con ripetibilità entro 0,1%. Nei grandi laboratori che analizzano centinaia di campioni al giorno, questo è un vantaggio necessario di un viscosimetro a servizio completo.
Viscosimetro online/online
Mentre la maggior parte dei test sulla viscosità dell'olio vengono eseguiti dopo aver ottenuto un campione contenuto, alcuni viscosimetri possono fornire letture continue della viscosità nelle linee di flusso attive. Questo di solito viene fatto con sensori o trasduttori direttamente in linea (parte della tubazione) o in linea (flusso o sensore di bypass). Viene effettuata una misurazione della viscosità e quindi inviata come segnale elettronico a un computer o altro dispositivo di monitoraggio.
Fattori che influenzano la misurazione della viscosità
Sebbene la viscosità di un fluido sembri facile da analizzare, effettuare misurazioni precise di tali fluidi può essere un compito difficile. Affinché una misurazione sia valida, è necessario conoscere e mantenere costanti diversi fattori, tra cui:
temperatura
In termini di importanza, il rapporto tra temperatura e viscosità è come il rapporto tra viscosità e olio base. L'unica responsabilità del bagno di controllo della temperatura è garantire che l'intero esperimento di misurazione della viscosità sia mantenuto a una temperatura precisa (solitamente 40 o 100 gradi Celsius) e entro 0,02 gradi Celsius. Controllare il bagno fino a questo punto può essere impegnativo, motivo per cui i viscosimetri più sofisticati includono un sistema di bagno a temperatura controllata come parte dell'unità.
vetro del viscosimetro
La precisione di un viscosimetro capillare dipende non solo dalla temperatura, ma anche dal diametro interno preciso del tubo. Per questo motivo, questi tubi di vetro sono realizzati in vetro borosilicato a bassa espansione completamente ricotto e spesso sono dotati di una costante viscosimetrica associata al tubo come fattore di correzione. È pratica comune ricalibrare annualmente le costanti del viscosimetro in base alle temperature alle quali verrà utilizzato, per garantire il minor errore possibile.
Dimensioni del viscosimetro
Le dimensioni del viscosimetro variano a causa dell'ampia gamma di viscosità che possono essere testate. Si consiglia che il viscosimetro impieghi almeno 200 secondi (per misurazioni manuali con un cronometro) per passare il fluido di prova da un punto contrassegnato a un altro per evitare errori umani.
Sciacquare tra una misurazione e l'altra
Un altro importante fattore di test del viscosimetro è la qualità del lavaggio all'interno del tubo tra le misurazioni. In genere, per le fasi di pulizia, risciacquo e asciugatura vengono utilizzati una varietà di solventi privi di residui. Nei laboratori che analizzano campioni in continuo su viscosimetri ad alto volume, un sistema di pulizia integrato garantisce l'efficienza della pulizia. Tuttavia, è necessaria un'ispezione visiva per determinare se è necessario un secondo ciclo di lavaggio, soprattutto con l'olio usato.
Altri fattori importanti che possono influenzare le misurazioni della viscosità includono il metodo e l'accuratezza del dispositivo di temporizzazione, la corretta gestione del campione e un controllo di qualità approfondito e continuo.
Nel corso degli anni, la misurazione della viscosità si è evoluta con vari stili e metodi. A merito di ASTM e dell'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO), sono stati sviluppati anche metodi di test, procedure, calibrazione, pulizia e altri fattori di test del viscosimetro per garantire l'accuratezza e la coerenza tra diversi viscosimetri.
Dopotutto, la viscosità è la proprietà fisica più importante di un olio base e gli sforzi per misurare la viscosità attraverso metodi accurati e standard rigorosi possono equivalere a una lubrificazione più affidabile della macchina e, in definitiva, a una maggiore durata della macchina.
