مقياس اللزوجة هو أداة تقيس تدفق السوائل ولزوجة السائل. تؤثر لزوجة السائل على أدائه، سواء تم ضخه أو نقله عبر الأنابيب، أو مشربًا ومغلفًا.
ولذلك فإن قياس اللزوجة مناسب لمجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك:
زيت
بلاستيك
طلاء
طلاء
لاصق
شئ ما
أسفلت
يعد قياس اللزوجة وخصائص التدفق مناسبًا أيضًا لإنتاج المنتجات الاستهلاكية الشائعة مثل الأطعمة والمشروبات ومعجون الأسنان ومستحضرات التجميل والشامبو.
ماذا يفعل مقياس اللزوجة؟
تقيس أجهزة قياس اللزوجة خصائص اللزوجة وتدفق السوائل ولها نطاق واسع من التطبيقات لقياس هذه الخصائص للمواد والمواد المختلفة.
ومن أمثلة هذه التطبيقات ما يلي:
مراقبة لزوجة المربيات والشرابات أثناء إنتاج التوابل الغذائية لضمان اتساق الدفعة
تحليل خصائص تدفق الحليب عند تصميم أنظمة أنابيب الحليب
قياس أنماط تدفق زيت المحرك تحت ظروف درجات الحرارة المختلفة
اختبار لزوجة حبر الطابعة النافثة للحبر.
اللزوجة مهمة في تزييت الآلة. إذا كان منخفضًا جدًا، فسيكون هناك اتصال كبير جدًا بين المكونات الداخلية وبالتالي التآكل. إذا كان مرتفعًا جدًا، فإنه يجبر الماكينة على العمل بجهد أكبر للتغلب على المقاومة الداخلية لتدفق مادة التشحيم.
ما هي اللزوجة؟
اللزوجة هي مقياس لمقاومة المادة للحركة عند تطبيق القوة.
على سبيل المثال، إذا قمت بعصر أنبوب معجون أسنان، فما مدى سهولة تدفق المحتويات من نهاية الأنبوب؟
هناك صيغة لقياس اللزوجة:
اللزوجة=إجهاد القص/معدل القص.
يمكنك التعبير عن نتيجة هذه الصيغة بالمئوية (cP). Centipoise يعادل 1 مللي باسكال ثانية (ملي باسكال ثانية).
وهذا ينطبق على اللزوجة المطلقة. أما بالنسبة للزوجة الحركية فالقياس مختلف كما سنوضح لاحقا.
إجهاد القص هو القوة لكل وحدة مساحة مطلوبة لتحريك طبقة من السائل نسبة إلى أخرى.
معدل القص هو مقياس للتغير في السرعة في حركة الطبقات المتوسطة بالنسبة لبعضها البعض.
بالنسبة للعديد من السوائل، يتناسب الإجهاد المسبب للتدفق مع معدل إجهاد القص. بالنسبة لسائل معين، يكون إجهاد القص مقسومًا على معدل القص ثابتًا عند درجة حرارة معينة.
هذا الثابت هو اللزوجة الديناميكية أو المطلقة. ولكن يمكنك أيضًا تسميتها ببساطة بلزوجة المادة.
هناك طريقة بسيطة للتفكير في اللزوجة وهي سمك السائل، ولكن عندما تنظر إلى السوائل ذات الكثافات المختلفة، فإن أوضح طريقة لوصف اللزوجة هي مقاومة التدفق.
ما أهمية قياس اللزوجة؟
تعتبر ظروف معالجة المادة مهمة سواء في إنتاجها أو في استخدامها النهائي.
تعتبر لزوجة المادة أيضًا مقياسًا غير مباشر مفيدًا لخصائصها، مثل الوزن الجزيئي والكثافة. تؤثر خصائص المواد هذه على سلوك التدفق.
يعد قياس اللزوجة جزءًا مهمًا من مراقبة الجودة واتساق الدفعة.
يعد قياس اللزوجة مهمًا أيضًا لأنه ليست كل السوائل تتصرف بنفس الطريقة.
على نطاق واسع، هناك نوعان:
نيوتن
ليس نيوتونيًا.
يشير نيوتن إلى قانون اللزوجة لنيوتن، وهو الصيغة المعتمدة لقياسه.
في السائل النيوتوني، تظل اللزوجة ثابتة بغض النظر عن التغيرات في معدل القص.
تشمل الأمثلة النموذجية للسوائل النيوتونية الماء وزيت المحرك.
ومع ذلك، في السوائل غير النيوتونية، تتقلب اللزوجة. وتشمل هذه السوائل الأنواع التالية:
بلاستيك
اللدونة الزائفة
الريولوجيا
متغيرة الانسيابية
توسع
من الأمثلة اليومية على السوائل غير النيوتونية هو الكاتشب، الذي يصبح أرق عند رج الزجاجة. يتميز معجون الطماطم بخصائص ترقق القص لأن لزوجته تقل مع زيادة إجهاد القص.
الحركية واللزوجة المطلقة
هناك طريقتان للتعبير عن اللزوجة:
علم الحركة
مطلق
يمكنك قياس اللزوجة الحركية من خلال ملاحظة مقاومة السائل للتدفق تحت تأثير الجاذبية.
يمكنك قياس اللزوجة المطلقة عن طريق قياس مقاومة التدفق تحت القوى الخارجية والمتحكم فيها.
يختلف تمثيلا اللزوجة أيضًا في قياساتهما.
يتم قياس اللزوجة الحركية بالسنتستوكس (CSt)
يتم قياس اللزوجة المطلقة بالمئوية (cP).
ما هي أنواع أجهزة قياس اللزوجة الموجودة؟
هناك طريقتان أساسيتان لقياس اللزوجة:
إما أن يمر جسم عبر مادة ثابتة، أو تتدفق المادة عبر أو من خلال جسم ثابت.
باستخدام أي من الطريقتين، يمكنك قياس مقاومة التدفق عن طريق تسجيل الوقت الذي تستغرقه العملية.
هناك العديد من أجهزة قياس اللزوجة التي تستخدم إحدى هاتين الطريقتين:
مقياس اللزوجة الشعرية أو الزجاجية
مقياس اللزوجة الدوراني
سقوط الكرة وسقوط أجهزة قياس اللزوجة المكبس.
تقيس أجهزة قياس اللزوجة اللزوجة النيوتونية.
هناك أيضًا أجهزة قياس قياس اللزوجة غير النيوتونية، والتي تستخدم معلمات متعددة لقياساتها.
مقياس اللزوجة الشعرية
غالبًا ما تجد مقاييس اللزوجة الشعرية في المختبرات. هذا أنبوب زجاجي على شكل حرف U (اسم آخر له هو مقياس اللزوجة على شكل حرف U).
تتضمن عملية قياس اللزوجة غمر أنبوب زجاجي في حمام يمكن التحكم في درجة حرارته، عادة 40 أو 100 درجة.
هناك قراءة زمنية دقيقة، تقاس بالثواني، للمدة التي يستغرقها تدفق كمية محددة من السائل داخل الأنبوب على شكل حرف U بين نقطتين محددتين.
يمكنك تحقيق هذا التدفق من خلال الشفط أو الجاذبية.
بمجرد حصولك على هذا القياس، يمكنك ضربه بثابت خاص بنوع الأنبوب الذي تستخدمه وسيتم الحساب:
اللزوجة الحركية (في حالة استخدام طريقة الشفط)، أو
اللزوجة المطلقة (إذا تم استخدام الجاذبية.
مقياس اللزوجة الدوراني
يستخدم هذا النوع من أجهزة قياس اللزوجة جهازًا دوارًا يسمى المغزل الذي تغمره في السائل الذي تختبره.
يقوم عزم الدوران على محور دوران المغزل بقياس مقاومة السائل للتدفق.
يقيس مقياس اللزوجة الدوراني اللزوجة المطلقة للسائل.
يستخدم هذا مغزلًا يتم التحكم فيه كهرومغناطيسيًا لإنشاء دوران داخل السائل، مما يزيل عامل احتكاك المحمل للمغزل الكهربائي.
سقوط الكرة وسقوط أجهزة قياس اللزوجة المكبس
هذه ليست طرق شائعة لقياس اللزوجة. في اختبار مقياس اللزوجة للكرة المتساقطة والمكبس المتساقط، يتم إسقاط كرة أو مكبس في السائل ويتم قياس الوقت بين النقاط المحددة.
ومع ذلك، للقيام بذلك، يجب عليك معرفة السرعة النهائية وحجم وكثافة الكرة أو المكبس الذي تستخدمه.
مقياس الضغط
الريولوجيا هي دراسة تدفق المادة، عادة السوائل، ولكنها تنطبق أيضًا على بعض المواد الصلبة. ويدرس كيفية استجابة المواد فيما يتعلق بالتدفق استجابة للقوى المطبقة.
من الناحية الفنية، اللزوجة تندرج تحت الفئة التقنية الأوسع للريولوجيا.
تعتبر أجهزة قياس الرطوبة مثالية لقياس لزوجة السوائل غير النيوتونية. إنها تعمل بشكل مشابه لمقاييس اللزوجة ولكن لديها نطاق أوسع من التطبيقات.
وذلك لأن الموائع غير النيوتونية لها خصائص انسيابية أكثر تعقيدًا من الموائع النيوتونية، حيث تتغير لزوجتها عند تطبيق القوة عليها.
هناك أربعة أنواع من أجهزة قياس السرعة:
أنبوب شعري
الدوران الديناميكي
عزم الدوران
تتأرجح
تتشابه أجهزة قياس التدفق الشعرية والدورانية مع أجهزة قياس اللزوجة المقابلة.
تقيس أجهزة قياس عزم الدوران عزم الدوران على برغي الخلط أو المحرك، مما يشير إلى صعوبة خلط مادة العينة.
تعمل أجهزة قياس الجريان التذبذبية على إحداث تشوهات القص الجيبية في مواد العينة، ووضعها بين لوحين وقياس التأثير الالتوائي.
الفرق الرئيسي بين مقياس الجريان ومقياس اللزوجة هو أن أجهزة قياس الجريان تميل إلى ممارسة شكل من أشكال قوة القص على المادة التي تختبرها.
كيف يتم تحضير العينة للقياس؟
في كل من قياسات الريولوجيا واللزوجة، يؤثر إعداد العينة على نتائج القياس.
وهذا صحيح بشكل خاص عند قياس العينات بمعدلات قص منخفضة.
من المهم عدم هز العينة أو تحريكها قبل القياس لأن ذلك سيعرض العينة لأحمال قص غير محددة ما لم تحتوي العينة على رواسب أو انفصال آخر. وفي هذه الحالة يجب استخدام طرق وأدوات متسقة للتحريك أو الرج.
يجب أيضًا أن تكون طريقة تطبيقك متسقة، مثل الملعقة أو الملوق.
يعتبر استخدام الماصة أو المحقنة مناسبًا فقط للاستخدام مع الزيوت أو الراتنجات أو المذيبات. كما هو الحال مع المواد الأخرى، يمكن لطرق التطبيق هذه زيادة أحمال القص، وبالتالي تقليل القياسات وتحريف النتائج.
حاول التأكد من عدم وجود فقاعات هواء لأنها قد تحاكي سلوكًا غير نيوتوني وتعطي قياسات خاطئة.
يجب أن يتطابق حجم العينة الذي تستخدمه مع طريقة القياس التي تستخدمها. يمكن أن تؤدي العينة الكثيرة أو الصغيرة جدًا إلى أخطاء في القياس.
اتبع الإرشادات المتعلقة بأوقات الانتظار. التحضير يجهد العينة ويتطلب فترة تعافي. بمجرد إنشاء نظام القياس، قد يلزم إعادة إنشاء بنية العينة قبل إجراء قياسات دقيقة.
يجب عليك أيضًا التأكد من منع جفاف العينة، لأن ذلك قد يتسبب في ارتفاع قياساتك أكثر من اللازم.
ما هي العوامل التي تؤثر على قياسات اللزوجة؟
في حين أن عملية قياس لزوجة السائل قد تبدو بسيطة، إلا أن هناك بعض العوامل التي يجب مراعاتها إذا كانت هذه القياسات دقيقة.
درجة الحرارة هي عامل رئيسي. تتمثل وظيفة الحمام الترموستاتي في الحفاظ على درجة حرارة دقيقة طوال العملية. يجب أن تكون قادرًا على التحكم في درجة حرارة الحمام في حدود 0.02 درجة من درجة الحرارة المطلوبة (عادةً 40 أو 100 درجة).
يسهل عليك نظام الحوض الذي يتم التحكم في درجة حرارته القيام بذلك.
في مقياس اللزوجة الشعري، يجب أن يكون قطر الزجاج على شكل حرف U دقيقًا للحصول على قياس دقيق. لذلك، غالبًا ما يتم تصنيع هذه النظارات باستخدام زجاج البورسليكات منخفض التمدد. وهذا يساعد على تقليل الأخطاء وإعادة معايرة مقياس اللزوجة الشعري سنويًا.
ومن المهم أيضًا الشطف والتجفيف جيدًا بين القياسات باستخدام مذيب غير متبقي.
تختلف أجهزة قياس اللزوجة في الحجم لقياس أنواع مختلفة من اللزوجة. وبغض النظر عن حجم الأداة، فهو يوصي بأن الحد الأدنى للوقت الذي يجب أن يأخذ فيه مقياس اللزوجة القياس هو 200 ثانية. وهذا يسمح للسائل بالمرور بين النقاط المحددة.
ما هي الصناعات التي تستفيد من أجهزة قياس اللزوجة وأجهزة قياس الضغط؟
تستخدم أجهزة قياس اللزوجة وأجهزة قياس الضغط في مجموعة متنوعة من الصناعات والقطاعات.
وتشمل هذه:
الصيدلة والتكنولوجيا الحيوية والبحوث السريرية
البتروكيماويات والبترول
نظام عذائي
الصناعة الكيميائية
التجميل ومستحضرات التجميل
جمع الأدلة
الاختبارات البيئية
البحث والتطوير في التصنيع.
وفيما يلي بعض الأمثلة على تطبيقات قياس اللزوجة في مختلف الصناعات.
لاصق
قياس اللزوجة مهم في إنتاج المواد اللاصقة. اعتمادًا على نوع المادة اللاصقة وتطبيقها النهائي، يجب أن تتدفق بمعدل مثالي معين.
تتدفق المواد اللاصقة منخفضة اللزوجة بحرية أكبر من المواد اللاصقة عالية اللزوجة. بالنسبة للبعض، الهدف هو تثبيت المادة اللاصقة في مكان واحد بشكل أكثر ثباتًا، بينما بالنسبة للآخرين، الهدف هو نشرها على نطاق أوسع.
طعام
في صناعة المواد الغذائية، يساعد قياس اللزوجة على زيادة كفاءة الإنتاج إلى أقصى حد وضمان فعالية التكلفة.
عندما يتم نقل المنتجات عبر الأنابيب كجزء من الإنتاج، تؤثر اللزوجة على سرعة هذا النقل والمدة التي تستغرقها المنتجات الغذائية المختلفة لضبطها أو تجفيفها، أو المدة التي يستغرقها توزيعها في عبواتها.
يمكن أن يكون للزوجة تأثير كبير على عملية إنتاج الغذاء وهي مساهم رئيسي في نسيج الغذاء.
قد تؤدي أي حالات عدم تناسق من دفعة إلى أخرى إلى منتج لا يلبي معايير المستهلك.
زيت
اللزوجة مهمة جدا في الزيوت. سيحدد مدى فعالية ختم الزيت ومعدل استهلاكه.
تؤثر لزوجة الزيت على درجات الحرارة المرتبطة بالاحتكاك الحراري للمحامل ومجموعات التروس والأسطوانات. سيؤثر ذلك على كفاءة الآلة ومدى سرعة تشغيلها وتشغيلها في درجات حرارة مختلفة.
يمكنك قياس اللزوجة الحركية للزيت، مما يمنحك تصنيف مؤشر اللزوجة (VI). تعتبر الزيوت ذات مستوى VI الأعلى أكثر كفاءة، وبالتالي تقلل من الاستهلاك وتقلل من تآكل التشحيم.
هناك عامل آخر يتم قياسه بالزيت وهو قدرته على مقاومة القص أثناء التشحيم الهيدروديناميكي.
من المهم أن تتوافق لزوجة الزيت مع ظروف درجة الحرارة وسرعة وحمل الأجزاء التي يقوم بتشحيمها.
محدد
في صناعة الخرسانة، تعد اللزوجة البلاستيكية وإجهاد الخضوع للخرسانة أمرًا بالغ الأهمية لقابلية التشغيل والصب.
تحدد الخصائص الريولوجية للخرسانة جودتها الميكانيكية ومتانتها وجودتها الشاملة.
لضمان استدامة الهياكل الخرسانية وقابلية استخدام الخرسانة أثناء البناء، يجب أن تتمتع باللزوجة المناسبة.
مستحضرات التجميل
في صناعة التجميل ومستحضرات التجميل، يعد قياس اللزوجة عنصرًا أساسيًا لمراقبة الجودة.
على سبيل المثال، يجب أن يتمتع مرطب الشفاه بلزوجة عالية لضمان التصاقه بالجلد بشكل صحيح وحمايته.
من ناحية أخرى، تتطلب بخاخات الجسم لزوجة منخفضة لتتدفق بحرية وبشكل متساوٍ من موزعاتها.
عندما تصف شركات مستحضرات التجميل منتجاتها بأنها فاخرة، فمن المرجح أن تتطلب هذه المنتجات لزوجة أعلى لتعزيز هذا الانطباع.
يمكنك استخدام مقياس اللزوجة الشعري لاختبار لزوجة العديد من مركبات التجميل ذات الأساس الزيتي والماء لأنها سوائل نيوتونية. لكن المركبات الأخرى سيكون لها خصائص غير نيوتونية وستتطلب اختبارات انسيابية.
لذلك، من المهم اختيار مقياس اللزوجة أو مقياس الضغط المناسب بناءً على نطاق احتياجاتك.
كيفية اختيار مقياس اللزوجة؟
كما رأينا، فإن أجهزة قياس اللزوجة وأجهزة قياس الضغط لديها نطاق واسع من التطبيقات.
ما هي العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار أداة لقياس اللزوجة؟
ما نوع اللزوجة التي تحتاج إلى قياسها، اللزوجة المطلقة، أو اللزوجة الحركية، أو كليهما؟
أين ستؤدي عملك، في بيئة معملية، أثناء التنقل، أو في أي مكان آخر؟
ما مدى تعقيد أو تغير المادة التي تريد قياسها؟
بشكل عام، تعد أجهزة قياس الرطوبة أكثر تنوعًا وأكثر تكلفة من أجهزة قياس اللزوجة، ولكن أجهزة قياس الرطوبة ستقيس السوائل غير النيوتونية.
عندما يتعلق الأمر بأنواع أجهزة قياس اللزوجة ومقاييس الرطوبة، هناك مجموعة واسعة من فئات الأجهزة، بما في ذلك:
مقياس اللزوجة المحمول باليد
مقياس اللزوجة الشعرية الزجاجية
مقياس اللزوجة الدوراني
محمل كروي ومحمل هوائي.
