Viscosímetro

Un viscosímetro (también llamado viscosímetro ) es un instrumento que se utiliza para medir la viscosidad de un fluido . Los viscosímetros solo pueden medir viscosidad constante, es decir, viscosidad que no varía con las condiciones de flujo . Para líquidos cuya viscosidad varía con las condiciones de flujo, se utiliza un instrumento llamado reómetro . Por lo tanto, un reómetro puede considerarse un tipo especial de viscosímetro. ^{[ 1 ]}

En general, o bien el fluido permanece inmóvil y un objeto se mueve a través de él, o bien el objeto permanece inmóvil y el fluido se mueve a su alrededor. La resistencia causada por el movimiento relativo del fluido y una superficie es una medida de la viscosidad. Las condiciones de flujo deben tener un número de Reynolds suficientemente pequeño para que exista un flujo laminar .

A 20 °C, la viscosidad dinámica (viscosidad cinemática × densidad) del agua es de 1,0038 mPa·s y su viscosidad cinemática (producto del tiempo de flujo × factor) es de 1,0022 ^mm² / s. Estos valores se utilizan para calibrar ciertos tipos de viscosímetros.

Viscosímetros de laboratorio estándar para líquidos

viscosímetros de tubo en U

Estos dispositivos también se conocen como viscosímetros capilares de vidrio o viscosímetros de Ostwald , en honor a Wilhelm Ostwald . Otra versión es el viscosímetro de Ubbelohde , que consiste en un tubo de vidrio en forma de U sostenido verticalmente en un baño de temperatura controlada. En uno de los brazos de la U hay una sección vertical de diámetro estrecho y preciso (el capilar). Encima hay un bulbo, y junto a él, otro bulbo más abajo en el otro brazo. Para su uso, el líquido se aspira hacia el bulbo superior y luego se deja fluir a través del capilar hacia el bulbo inferior. Dos marcas (una encima y otra debajo del bulbo superior) indican un volumen conocido. El tiempo que tarda el nivel del líquido en pasar entre estas marcas es proporcional a la viscosidad cinemática. La calibración se puede realizar utilizando un fluido de propiedades conocidas. La mayoría de las unidades comerciales incluyen un factor de conversión.

Se mide el tiempo que tarda el líquido de prueba en fluir a través de un capilar de diámetro conocido y factor determinado entre dos puntos marcados. Multiplicando este tiempo por el factor del viscosímetro, se obtiene la viscosidad cinemática.

Estos viscosímetros se pueden clasificar como de flujo directo o de flujo inverso. Los viscosímetros de flujo inverso tienen el depósito por encima de las marcas, mientras que los de flujo directo lo tienen por debajo. Esta clasificación permite determinar el nivel incluso al medir líquidos opacos o que manchan, ya que de lo contrario el líquido cubriría las marcas e impediría medir el tiempo que tarda el nivel en pasar la marca. Esto también permite que el viscosímetro tenga más de un conjunto de marcas para medir inmediatamente el tiempo que tarda en alcanzar la tercera marca , obteniendo así dos mediciones y permitiendo el cálculo posterior de la determinabilidad para garantizar resultados precisos. El uso de dos mediciones en un mismo viscosímetro en una sola prueba solo es posible si la muestra medida tiene propiedades newtonianas . De lo contrario, el cambio en la presión de impulsión, que a su vez modifica la velocidad de cizallamiento, producirá una viscosidad diferente para los dos bulbos.

Viscosímetros de esfera descendente

La ley de Stokes es la base del viscosímetro de esfera descendente, en el que el fluido permanece inmóvil en un tubo de vidrio vertical. Se deja descender una esfera de tamaño y densidad conocidos a través del líquido. Si se selecciona correctamente, alcanza la velocidad terminal , que se puede medir por el tiempo que tarda en pasar dos marcas en el tubo. Se puede utilizar la detección electrónica para fluidos opacos. Conociendo la velocidad terminal, el tamaño y la densidad de la esfera, y la densidad del líquido, se puede utilizar la ley de Stokes para calcular la viscosidad del fluido. Normalmente se utiliza una serie de rodamientos de bolas de acero de diferentes diámetros en el experimento clásico para mejorar la precisión del cálculo. El experimento escolar utiliza glicerol como fluido, y la técnica se utiliza industrialmente para comprobar la viscosidad de los fluidos utilizados en procesos. Incluye muchos aceites diferentes y líquidos poliméricos como soluciones .

En 1851, George Gabriel Stokes derivó una expresión para la fuerza de fricción (también llamada fuerza de arrastre ) ejercida sobre objetos esféricos con números de Reynolds muy pequeños (por ejemplo, partículas muy pequeñas) en un fluido viscoso continuo , cambiando el límite de masa de fluido pequeño de las ecuaciones de Navier-Stokes , generalmente irresolubles :

F=6\pi r\eta v,

dónde

$F$ es la fuerza de fricción,

$r$ es el radio del objeto esférico,

$\eta$ es la viscosidad del fluido,

$v$ es la velocidad de la partícula.

Si las partículas caen en el fluido viscoso por su propio peso, entonces se alcanza una velocidad terminal, también conocida como velocidad de sedimentación, cuando esta fuerza de fricción combinada con la fuerza de flotación equilibra exactamente la fuerza gravitatoria . La velocidad de sedimentación resultante (o velocidad terminal ) viene dada por

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

dónde:

V s

es la velocidad de sedimentación de partículas (m/s), verticalmente hacia abajo si

ρ p > ρ f

, hacia arriba si

ρ p < ρ f

,

r

es el radio de Stokes de la partícula (m),

g

es la aceleración gravitatoria (m/s² ⁾ ,

ρ p

es la densidad de las partículas (kg/m³ ),

ρ f

es la densidad del fluido (kg/m³ ),

μ

es la viscosidad (dinámica) del fluido (Pa·s).

Tenga en cuenta que se asume un flujo de Stokes , por lo que el número de Reynolds debe ser pequeño.

Un factor que limita la validez de este resultado es la rugosidad de la esfera utilizada.

Una modificación del viscosímetro de esfera recta que cae es el viscosímetro de bola rodante, que mide el tiempo que tarda una bola en rodar cuesta abajo mientras está sumergida en el fluido de prueba. Este sistema se puede mejorar aún más utilizando una placa en V patentada, que aumenta la relación entre el número de rotaciones y la distancia recorrida, lo que permite crear dispositivos más pequeños y portátiles. El movimiento de rodadura controlado de la bola evita las turbulencias en el fluido que se producirían con una bola que cae en picado. ^{[ 2 ]} Este tipo de dispositivo también es adecuado para su uso a bordo de buques.

Viscosímetro de pistón descendente

También conocido como viscosímetro Norcross, en honor a su inventor, Austin Norcross. El principio de medición de la viscosidad en este robusto y sensible dispositivo industrial se basa en un conjunto de pistón y cilindro. El pistón se eleva periódicamente mediante un mecanismo neumático, arrastrando el material que se está midiendo a través del espacio entre el pistón y la pared del cilindro hacia el espacio que se forma debajo del pistón al elevarse. El conjunto se mantiene elevado durante unos segundos y luego se deja caer por gravedad, expulsando la muestra por el mismo camino por el que entró, lo que crea un efecto de cizallamiento en el líquido medido. Esto hace que este viscosímetro sea particularmente sensible y adecuado para medir ciertos líquidos tixotrópicos . El tiempo de caída es una medida de la viscosidad, y el espacio entre el pistón y el interior del cilindro forma el orificio de medición. El controlador de viscosidad mide el tiempo de caída (el tiempo de caída en segundos es la medida de la viscosidad) y muestra el valor de viscosidad resultante. El controlador puede calibrar el valor del tiempo de caída a segundos de taza (conocidos como copas de eflujo), segundos universales Saybolt (SUS) o centipoises .

Su uso industrial es popular debido a su simplicidad, repetibilidad, bajo mantenimiento y larga vida útil. Este tipo de medición no se ve afectado por el caudal ni por vibraciones externas. Su principio de funcionamiento se adapta a diversas condiciones, lo que lo hace ideal para entornos de control de procesos .

Viscosímetro de pistón oscilante

A veces denominado viscosímetro electromagnético o viscosímetro EMV, fue inventado en Cambridge Viscosity (anteriormente Cambridge Applied Systems) en 1986. El sensor (véase la figura a continuación) consta de una cámara de medición y un pistón influenciado magnéticamente. Las mediciones se realizan introduciendo primero una muestra en la cámara de medición con control térmico donde se encuentra el pistón. Un sistema electrónico impulsa el pistón a un movimiento oscilatorio dentro de la cámara de medición mediante un campo magnético controlado. Se impone una tensión de cizallamiento al líquido (o gas) debido al movimiento del pistón, y la viscosidad se determina midiendo el tiempo de recorrido del pistón. Los parámetros de construcción para el espacio anular entre el pistón y la cámara de medición, la intensidad del campo electromagnético y la distancia de recorrido del pistón se utilizan para calcular la viscosidad según la ley de viscosidad de Newton .

La tecnología de viscosímetros de pistón oscilante se ha adaptado para la medición de la viscosidad en muestras pequeñas y micromuestras en aplicaciones de laboratorio. También se ha adaptado para la medición de la viscosidad a alta presión y alta temperatura, tanto en laboratorio como en entornos industriales. Los sensores de viscosidad se han escalado para una amplia gama de aplicaciones industriales, como viscosímetros de pequeño tamaño para compresores y motores, viscosímetros de flujo continuo para procesos de recubrimiento por inmersión, viscosímetros en línea para refinerías y cientos de otras aplicaciones. Las mejoras en la sensibilidad gracias a la electrónica moderna están impulsando el auge de los viscosímetros de pistón oscilante en laboratorios académicos que investigan la viscosidad de los gases.

Viscosímetros vibracionales

Los viscosímetros vibracionales se remontan al instrumento Bendix de la década de 1950, que pertenece a una clase que funciona midiendo la amortiguación de un resonador electromecánico oscilante sumergido en un fluido cuya viscosidad se desea determinar. El resonador generalmente oscila en torsión o transversalmente (como una viga en voladizo o un diapasón). Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la amortiguación impuesta al resonador. La amortiguación del resonador se puede medir mediante uno de varios métodos:

Medir la potencia necesaria para mantener el oscilador vibrando a una amplitud constante. Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la potencia necesaria para mantener la amplitud de oscilación.
Se mide el tiempo de decaimiento de la oscilación una vez que se desactiva la excitación. Cuanto mayor sea la viscosidad, más rápido decae la señal.
Medición de la frecuencia del resonador en función del ángulo de fase entre las formas de onda de excitación y respuesta. Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será el cambio de frecuencia para un cambio de fase dado.

El instrumento vibratorio también adolece de la falta de un campo de cizallamiento definido, lo que lo hace inadecuado para medir la viscosidad de un fluido cuyo comportamiento de flujo se desconoce de antemano.

Los viscosímetros vibratorios son sistemas industriales robustos que se utilizan para medir la viscosidad en condiciones de proceso. La parte activa del sensor es una varilla vibratoria. La amplitud de la vibración varía según la viscosidad del fluido en el que está sumergida la varilla. Estos viscosímetros son adecuados para medir fluidos obstruyentes y fluidos de alta viscosidad, incluidos aquellos con fibras (hasta 1000 Pa·s). Actualmente, muchas industrias en todo el mundo consideran que estos viscosímetros son el sistema más eficiente para medir la viscosidad de una amplia gama de fluidos; por el contrario, los viscosímetros rotacionales requieren más mantenimiento, no pueden medir fluidos obstruyentes y requieren calibración frecuente después de un uso intensivo. Los viscosímetros vibratorios no tienen partes móviles ni partes débiles, y la parte sensible suele ser pequeña. Incluso se pueden medir fluidos muy básicos o ácidos añadiendo un recubrimiento protector, como esmalte , o cambiando el material del sensor a un material como el acero inoxidable 316L . Los viscosímetros vibratorios son el instrumento en línea más utilizado para controlar la viscosidad del fluido de proceso en tanques y tuberías.

Viscosímetro de cuarzo

El viscosímetro de cuarzo es un tipo especial de viscosímetro vibracional. En este caso, un cristal de cuarzo oscilante se sumerge en un fluido y la influencia específica sobre el comportamiento oscilatorio define la viscosidad. El principio de la viscosimetría de cuarzo se basa en la idea de W. P. Mason. El concepto básico es la aplicación de un cristal piezoeléctrico para la determinación de la viscosidad. El campo eléctrico de alta frecuencia que se aplica al oscilador provoca un movimiento del sensor y da como resultado el cizallamiento del fluido. El movimiento del sensor se ve entonces influenciado por las fuerzas externas (el esfuerzo cortante) del fluido, lo que afecta la respuesta eléctrica del sensor. ^{[ 3 ]} El procedimiento de calibración como condición previa para la determinación de la viscosidad mediante un cristal de cuarzo se remonta a B. Bode, quien facilitó el análisis detallado del comportamiento de transmisión eléctrica y mecánica del sistema oscilante. ^{[ 4 ]} Sobre la base de esta calibración, se desarrolló el viscosímetro de cuarzo, que permite la determinación continua de la viscosidad en líquidos en reposo y en flujo. ^{[ 5 ]}

microbalanza de cristal de cuarzo

La microbalanza de cristal de cuarzo funciona como un viscosímetro vibracional gracias a las propiedades piezoeléctricas inherentes al cuarzo, permitiendo realizar mediciones de los espectros de conductancia de líquidos y películas delgadas expuestas a la superficie del cristal. ^{[ 6 ]} A partir de estos espectros, se registran los desplazamientos de frecuencia y el ensanchamiento de los picos correspondientes a las frecuencias resonantes y de sobretono del cristal de cuarzo, los cuales se utilizan para determinar los cambios en la masa, así como la viscosidad , el módulo de cizallamiento y otras propiedades viscoelásticas del líquido o la película delgada. Una ventaja de utilizar la microbalanza de cristal de cuarzo para medir la viscosidad es la pequeña cantidad de muestra necesaria para obtener una medición precisa. Sin embargo, debido a la dependencia de las propiedades viscoelásticas con respecto a las técnicas de preparación de la muestra y el espesor de la película o el líquido, pueden existir errores de hasta el 10 % en las mediciones de viscosidad entre muestras. ^{[ 6 ]}

Una técnica interesante para medir la viscosidad de un líquido utilizando una microbalanza de cristal de cuarzo, que mejora la consistencia de las mediciones, utiliza un método de gota. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} En lugar de crear una película delgada o sumergir el cristal de cuarzo en un líquido, se deja caer una sola gota del fluido de interés sobre la superficie del cristal. La viscosidad se extrae del cambio en los datos de frecuencia utilizando la siguiente ecuación.

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

dónde $f_{0}$ es la frecuencia de resonancia, $\rho _{l}$ es la densidad del fluido, $\mu _{Q}$ es el módulo de corte del cuarzo, y $\rho _{Q}$ es la densidad del cuarzo. ^{[ 8 ]} Una extensión de esta técnica corrige el desplazamiento en la frecuencia de resonancia por el tamaño de la gota depositada en el cristal de cuarzo. ^{[ 7 ]}

Viscosímetros rotacionales

Los viscosímetros rotacionales se basan en la idea de que el par necesario para hacer girar un objeto en un fluido es función de la viscosidad de dicho fluido. Miden el par necesario para hacer girar un disco o una masa en un fluido a una velocidad conocida.

Los viscosímetros de tipo "copa y péndulo" funcionan definiendo el volumen exacto de una muestra que se va a someter a cizallamiento dentro de una celda de prueba; el par necesario para alcanzar una determinada velocidad de rotación se mide y se representa gráficamente. Existen dos geometrías clásicas en los viscosímetros de "copa y péndulo", conocidas como sistemas "Couette" o "Searle", que se distinguen por si gira la copa o el péndulo. En algunos casos, se prefiere la copa giratoria porque reduce la aparición de vórtices de Taylor a velocidades de cizallamiento muy altas, pero el péndulo giratorio es más común, ya que el diseño del instrumento puede ser más flexible para otras geometrías.

Los viscosímetros de cono y placa utilizan un cono de ángulo estrecho muy cerca de una placa plana. Con este sistema, la velocidad de cizallamiento entre las geometrías es constante a cualquier velocidad de rotación. La viscosidad se puede calcular fácilmente a partir del esfuerzo cortante (obtenido del par) y la velocidad de cizallamiento (obtenida a partir de la velocidad angular).

Si una prueba con cualquier geometría se realiza a través de una tabla de varias velocidades de corte o esfuerzos cortantes, los datos pueden utilizarse para trazar una curva de flujo, es decir, una gráfica de viscosidad frente a velocidad de corte. Si la prueba anterior se lleva a cabo lo suficientemente lento como para que el valor medido (esfuerzo cortante si se controla la velocidad, o viceversa) alcance un valor constante en cada paso, se dice que los datos están en "equilibrio", y la gráfica es entonces una "curva de flujo de equilibrio". Esto es preferible a las mediciones fuera del equilibrio, ya que los datos generalmente pueden replicarse con otros instrumentos o con otras geometrías.

Cálculo de los factores de forma de velocidad de corte y esfuerzo cortante

Los reómetros y viscosímetros funcionan con par y velocidad angular. Dado que la viscosidad se suele considerar en términos de esfuerzo cortante y velocidad de corte, se necesita un método para convertir los valores del instrumento en valores reológicos. Cada sistema de medición utilizado en un instrumento tiene sus propios factores de forma para convertir el par en esfuerzo cortante y la velocidad angular en velocidad de corte.

Llamaremos al factor de forma de esfuerzo cortante $C 1$ y al factor de velocidad de corte $C 2$ .

esfuerzo cortante = par torsor ÷

C 1

.

tasa de corte =

C 2

× velocidad angular.

Para algunos sistemas de medición, como las placas paralelas, el usuario puede ajustar la distancia entre los sistemas de medición. En este caso, la ecuación utilizada es:

velocidad de corte =

C 2

× velocidad angular / espacio.

viscosidad = esfuerzo cortante / velocidad de corte.

Las siguientes secciones muestran cómo se calculan los factores de forma para cada sistema de medición.

Cono y placa

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

dónde

r

es el radio del cono,

θ

es el ángulo del cono en radianes.

Placas paralelas

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

donde $r$ es el radio de la placa.

Nota: La tensión cortante varía a lo largo del radio para una placa paralela. La fórmula anterior se refiere a la posición de 3/4 del radio si la muestra de prueba es newtoniana.

Cilindros coaxiales

{\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}}

dónde:

r a = (r i + r o)/2

es el radio promedio,

r i

es el radio interior,

r o

es el radio exterior,

H

es la altura del cilindro.

Nota: $C 1$ toma la tensión cortante como aquella que se produce en un radio promedio $r a$ .

Viscosímetro de esfera giratoria electromagnética (viscosímetro EMS)

El viscosímetro EMS mide la viscosidad de los líquidos mediante la observación de la rotación de una esfera impulsada por interacción electromagnética: dos imanes unidos a un rotor crean un campo magnético giratorio. La muestra ③ que se va a medir se encuentra en un pequeño tubo de ensayo ②. Dentro del tubo hay una esfera de aluminio ④. El tubo está ubicado en una cámara con temperatura controlada ① y se ajusta de manera que la esfera se sitúe en el centro de los dos imanes.

El campo magnético giratorio induce corrientes parásitas en la esfera. La interacción de Lorentz resultante entre el campo magnético y estas corrientes parásitas genera un par que hace girar la esfera. La velocidad de rotación de la esfera depende de la velocidad angular del campo magnético, la magnitud del campo magnético y la viscosidad de la muestra que la rodea. El movimiento de la esfera se monitoriza mediante una cámara de vídeo ⑤ situada debajo de la celda. El par aplicado a la esfera es proporcional a la diferencia entre la velocidad angular del campo magnético $Ω B$ y la de la esfera $Ω S.$ Por lo tanto, existe una relación lineal entre $(Ω B - Ω S)/ Ω S$ y la viscosidad del líquido.

Este nuevo principio de medición fue desarrollado por Sakai et al. en la Universidad de Tokio. El viscosímetro EMS se distingue de otros viscosímetros rotacionales por tres características principales:

Todas las partes del viscosímetro que entran en contacto directo con la muestra son desechables y económicas.
Las mediciones se realizan en un recipiente de muestra sellado.
El viscosímetro EMS solo requiere cantidades de muestra muy pequeñas (0,3 ml).

Viscosímetro Stabinger

Modificando el viscosímetro rotacional clásico de tipo Couette, es posible combinar la precisión de la determinación de la viscosidad cinemática con un amplio rango de medición.

El cilindro exterior del viscosímetro Stabinger es un tubo lleno de muestra que gira a velocidad constante en una carcasa de cobre con temperatura controlada. El cilindro interior hueco, con forma de rotor cónico, se centra dentro de la muestra mediante efectos de lubricación hidrodinámica ^{[ 9 ]} y fuerzas centrífugas . De esta forma, se evita por completo la fricción de los cojinetes , un factor inevitable en la mayoría de los dispositivos rotatorios. Las fuerzas de cizallamiento del fluido giratorio impulsan el rotor, mientras que un imán en su interior forma un freno de corrientes parásitas con la carcasa de cobre circundante. Se establece una velocidad de rotor de equilibrio entre las fuerzas impulsoras y retardadoras, lo que constituye una medida inequívoca de la viscosidad dinámica. La medición de velocidad y par se realiza sin contacto directo mediante un sensor de efecto Hall que cuenta la frecuencia del campo magnético giratorio . Esto permite una resolución de par de alta precisión de 50 pN·m y un amplio rango de medición de 0,2 a 30 000 mPa·s con un único sistema de medición. Una medición de densidad incorporada basada en el principio del tubo en U oscilante permite determinar la viscosidad cinemática a partir de la viscosidad dinámica medida empleando la relación

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

dónde:

ν

es la viscosidad cinemática (mm² ^/ s),

η

es la viscosidad dinámica (mPa·s),

ρ

es la densidad (g/cm³ ⁾ .

Viscosímetro de burbujas

Los viscosímetros de burbujas se utilizan para determinar rápidamente la viscosidad cinemática de líquidos conocidos, como resinas y barnices. El tiempo que tarda una burbuja de aire en ascender es directamente proporcional a la viscosidad del líquido; por lo tanto, cuanto más rápido asciende la burbuja, menor es la viscosidad. El método de comparación alfabética utiliza 4 conjuntos de tubos de referencia con letras, de la A5 a la Z10, de viscosidad conocida para cubrir un rango de viscosidad de 0,005 a 1000 stokes . El método de tiempo directo utiliza un único tubo de tiempo de 3 líneas para determinar los "segundos de burbuja", que luego se pueden convertir a stokes. ^{[ 10 ]}

Este método es considerablemente preciso, pero las mediciones pueden variar debido a las variaciones en la flotabilidad causadas por el cambio de forma de la burbuja en el tubo. ^{[ 10 ]} Sin embargo, esto no provoca ningún tipo de error de cálculo grave.

Viscosímetro de hendidura rectangular

El diseño básico de un viscosímetro/reómetro de ranura rectangular consiste en un canal de ranura rectangular con área de sección transversal uniforme. Un líquido de prueba se bombea a un caudal constante a través de este canal. Múltiples sensores de presión, montados a ras a distancias lineales a lo largo de la dirección del flujo, miden la caída de presión como se muestra en la figura:

Viscosímetro/reómetro de hendidura rectangular m-VROC

^{[ 11 ]}

Principio de medición: El viscosímetro/reómetro de ranura se basa en el principio fundamental de que un líquido viscoso se resiste al flujo, presentando una disminución de la presión a lo largo de la ranura. La disminución o caída de presión ( $∆P$ $)$ se correlaciona con el esfuerzo cortante en el límite de la pared. La velocidad de corte aparente está directamente relacionada con el caudal y las dimensiones de la ranura. Se calculan la velocidad de corte aparente, el esfuerzo cortante y la viscosidad aparente :

{\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}}

dónde

{\dot {\gamma }}

es la velocidad de corte aparente (s ⁻¹ ),

σ

es el esfuerzo cortante (Pa),

η a

es la viscosidad aparente (Pa·s),

∆ P

es la diferencia de presión entre el sensor de presión delantero y el último sensor de presión (Pa),

Q

es el caudal (ml/s),

w

es el ancho del canal de flujo (mm),

h

es la profundidad del canal de flujo (mm),

l

es la distancia entre el sensor de presión delantero y el último sensor de presión (mm).

Para determinar la viscosidad de un líquido, se bombea una muestra a través del canal de ranura a un caudal constante y se mide la caída de presión. Siguiendo estas ecuaciones, se calcula la viscosidad aparente para la velocidad de cizallamiento aparente. Para un líquido newtoniano, la viscosidad aparente es igual a la viscosidad real, y basta con una única medición de la velocidad de cizallamiento. Para líquidos no newtonianos, la viscosidad aparente no es la viscosidad real. Para obtener la viscosidad real, se miden las viscosidades aparentes a múltiples velocidades de cizallamiento aparentes. Luego, se calculan las viscosidades reales $η$ a varias velocidades de cizallamiento utilizando el factor de corrección de Weissenberg-Rabinowitsch-Mooney: ^{[ 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).

La viscosidad real calculada es la misma que los valores obtenidos con el cono y la placa a la misma velocidad de cizallamiento.

También se puede utilizar una versión modificada del viscosímetro/reómetro de ranura rectangular para determinar la viscosidad extensional aparente .

Viscosímetro de Krebs

El viscosímetro de Krebs utiliza una gráfica digital y un pequeño husillo lateral para medir la viscosidad de un fluido. Se utiliza principalmente en la industria de la pintura.

Tipos diversos de viscosímetros

Otros tipos de viscosímetros utilizan bolas u otros objetos. Los viscosímetros que pueden caracterizar fluidos no newtonianos se denominan generalmente reómetros o plastómetros . Algunos instrumentos, como los viscosímetros capilares o VROC®, pueden medir tanto fluidos newtonianos como no newtonianos. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

En el viscosímetro "Oscar" de ICI, se hacía oscilar torsionalmente un recipiente sellado que contenía fluido, y mediante ingeniosas técnicas de medición fue posible medir tanto la viscosidad como la elasticidad de la muestra.

El viscosímetro de embudo Marsh mide la viscosidad a partir del tiempo ( tiempo de eflujo ) que tarda un volumen conocido de líquido en fluir desde la base de un cono a través de un tubo corto. Su principio es similar al de las copas de flujo (copas de eflujo) como las de Ford , Zahn y Shell , que utilizan conos de diferentes formas y boquillas de diversos tamaños. Las mediciones pueden realizarse según las normas ISO 2431, ASTM D1200-10 o DIN 53411. ^{[ 15 ]}

El reómetro de pala flexible mejora la precisión de las mediciones para líquidos de baja viscosidad, aprovechando los sutiles cambios en el campo de flujo debidos a la flexibilidad de la pala móvil o estacionaria (a veces llamada pala de ala o voladizo de sujeción unilateral).

El viscosímetro de disco giratorio es el viscosímetro estándar para medir la viscosidad del material y el tiempo de pre-vulcanización del caucho.

Véase también

Referencias

↑ Barnes, HA; Hutton, JF; Walters, K. (1989). Introducción a la reología (5.ª ed. impr.). Ámsterdam: Elsevier. pág. 12. ISBN 978-0-444-87140-4.
↑ tec-science (04/04/2020). "Determinación experimental de la viscosidad (viscosímetro)" . tec-science . Consultado el 25/06/2020 .
↑ WP Mason, M. Hill: Medición de la viscosidad y elasticidad de corte de líquidos mediante un cristal que vibra torsionalmente ; Transacciones de la ASME. En: Journal of Lubricating Technology. Volumen 69, 1947, págs. 359–370.
↑ Berthold Bode: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken . Disertación de la TU Clausthal, 1984.
↑ "Viscosimeter QVis | flucon fluid control GMBH" . Archivado del original el 2 de julio de 2015. Consultado el 2 de julio de 2015 .<|accessdate=2015-07-02 |
1 2 Johannsmann, Diethelm (2008). "Mediciones viscoelásticas, mecánicas y dieléctricas en muestras complejas con la microbalanza de cristal de cuarzo". Physical Chemistry Chemical Physics . 10 (31): 4516– 34. Bibcode : 2008PCCP...10.4516J . doi : 10.1039/b803960g . ISSN 1463-9076 . PMID 18665301 .
1 2 Bai, Qingsong; Hu, Jianguo; Huang, Xianhe; Huang, Hongyuan (2016). "Uso de QCM para la medición en campo de viscosidades de líquidos en un nuevo método basado en la sensibilidad a la masa". 2016 IEEE International Frequency Control Symposium (IFCS) . Nueva Orleans, LA, EE. UU.: IEEE. págs. 1–3 . doi : 10.1109/FCS.2016.7546819 . ISBN 9781509020911. S2CID 1584926 .
1 2 Ash, Dean C.; Joyce, Malcolm J.; Barnes, Chris; Booth, C. Jan; Jefferies, Adrian C. (2003). "Medición de la viscosidad de aceites industriales utilizando la microbalanza de cristal de cuarzo de gota". Measurement Science and Technology . 14 (11): 1955– 1962. Bibcode : 2003MeScT..14.1955A . doi : 10.1088/0957-0233/14/11/013 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250866968 .
↑ Beitz, W. y Küttner, K.-H., edición en inglés de Davies, B. J., traducción de Shields, M. J. (1994). Dubbel Handbook of Mechanical Engineering. Londres: Springer-Verlag Ltd., pág. F89.
1 2 Manual de pinturas y recubrimientos ASTM 0-8031-2060-5.
↑ "Viscosímetro/reómetro en un chip, tecnología VROC" .
↑ "Corrección de viscosidad: Weissenberg-Rabinowitsch-Mooney (WRM)" . Archivado del original el 29/01/2024.
↑ Shin, Sehyun; Keum, Do-Young (junio de 2003). "Medición de la viscosidad de alimentos fluidos no newtonianos con un viscosímetro capilar con detección de masa". Journal of Food Engineering . 58 (1): 5– 10. doi : 10.1016/S0260-8774(02)00327-8 .
↑ "Viscosímetro/Medidor de viscosidad" .
↑ "El embudo de Marsh y la viscosidad del fluido de perforación: una nueva ecuación para uso en campo" . kb.oges.info .

Instituto Británico de Normas BS ISO/TR 3666:1998 Viscosidad del agua
Instituto Británico de Normas BS 188:1977 Métodos para la determinación de la viscosidad de los líquidos

Enlaces externos

RHEOTEST Medingen GmbH - Historia y colección de instrumentos reológicos de la época de Fritz Höppler
ASTM International (ASTM D7042)
Tablas de conversión de viscosidad
Inicio - Alpha Technologies (anteriormente Monsanto Instruments and Equipment) - Akron, Ohio, EE. UU.
Anton Paar - Fundamentos de la viscometría

[1] Barnes, HA; Hutton, JF; Walters, K. (1989). Introducción a la reología (5.ª ed. impr.). Ámsterdam: Elsevier. pág. 12. ISBN 978-0-444-87140-4.

[2] tec-science (04/04/2020). "Determinación experimental de la viscosidad (viscosímetro)" . tec-science . Consultado el 25/06/2020 .

[3] WP Mason, M. Hill: Medición de la viscosidad y elasticidad de corte de líquidos mediante un cristal que vibra torsionalmente ; Transacciones de la ASME. En: Journal of Lubricating Technology. Volumen 69, 1947, págs. 359–370.

[4] Berthold Bode: Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken . Disertación de la TU Clausthal, 1984.

[5] "Viscosimeter QVis | flucon fluid control GMBH" . Archivado del original el 2 de julio de 2015. Consultado el 2 de julio de 2015 .<|accessdate=2015-07-02 |

[:0-6] 1 2 Johannsmann, Diethelm (2008). "Mediciones viscoelásticas, mecánicas y dieléctricas en muestras complejas con la microbalanza de cristal de cuarzo". Physical Chemistry Chemical Physics . 10 (31): 4516– 34. Bibcode : 2008PCCP...10.4516J . doi : 10.1039/b803960g . ISSN 1463-9076 . PMID 18665301 .

[:1-7] 1 2 Bai, Qingsong; Hu, Jianguo; Huang, Xianhe; Huang, Hongyuan (2016). "Uso de QCM para la medición en campo de viscosidades de líquidos en un nuevo método basado en la sensibilidad a la masa". 2016 IEEE International Frequency Control Symposium (IFCS) . Nueva Orleans, LA, EE. UU.: IEEE. págs. 1–3 . doi : 10.1109/FCS.2016.7546819 . ISBN 9781509020911. S2CID 1584926 .

[:2-8] 1 2 Ash, Dean C.; Joyce, Malcolm J.; Barnes, Chris; Booth, C. Jan; Jefferies, Adrian C. (2003). "Medición de la viscosidad de aceites industriales utilizando la microbalanza de cristal de cuarzo de gota". Measurement Science and Technology . 14 (11): 1955– 1962. Bibcode : 2003MeScT..14.1955A . doi : 10.1088/0957-0233/14/11/013 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250866968 .

[9] Beitz, W. y Küttner, K.-H., edición en inglés de Davies, B. J., traducción de Shields, M. J. (1994). Dubbel Handbook of Mechanical Engineering. Londres: Springer-Verlag Ltd., pág. F89.

[auto-10] 1 2 Manual de pinturas y recubrimientos ASTM 0-8031-2060-5.

[11] "Viscosímetro/reómetro en un chip, tecnología VROC" .

[12] "Corrección de viscosidad: Weissenberg-Rabinowitsch-Mooney (WRM)" . Archivado del original el 29/01/2024.

[13] Shin, Sehyun; Keum, Do-Young (junio de 2003). "Medición de la viscosidad de alimentos fluidos no newtonianos con un viscosímetro capilar con detección de masa". Journal of Food Engineering . 58 (1): 5– 10. doi : 10.1016/S0260-8774(02)00327-8 .

[14] "Viscosímetro/Medidor de viscosidad" .

[15] "El embudo de Marsh y la viscosidad del fluido de perforación: una nueva ecuación para uso en campo" . kb.oges.info .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]