Vertikales Kugelfallviskosimeter

Zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit können viele Methoden eingesetzt werden. Diese Phänomene basieren normalerweise auf einem von drei Phänomenen: einer sich bewegenden Oberfläche in Kontakt mit der Flüssigkeit, einem Objekt, das sich durch die Flüssigkeit bewegt, und der Flüssigkeit, die durch eine Widerstandskomponente fließt. Diese Phänomene nutzen die drei wichtigsten Viskosimeter der Industrie, nämlich Rotations- und Kugelfallviskosimeter und Kapillarviskosimeter. Kugelfallviskosimeter werden üblicherweise zur Messung der Viskosität von Newtonschen Flüssigkeiten und Gasen verwendet. Diese Methode wendet Newtons Bewegungsgesetze unter Kräftegleichgewicht an, wenn die fallende Kugel ihre Endgeschwindigkeit erreicht. Nach Newtons Bewegungsgesetzen für einen fallenden Ball gibt es Auftrieb, Schwerkraft und Widerstand, und diese drei Kräfte erreichen eine Nettokraft von Null. Die Widerstandskraft lässt sich aus dem Stokesschen Gesetz ermitteln, das für Reynolds-Zahlen kleiner als 1 gilt.

Kugelfallviskosimeter eignen sich gut zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten und die Methode ist in internationalen Normen beschrieben. Im internationalen G-Standard weicht die Methode von den in Ref. beschriebenen Prinzipien ab. Diese Normen beschreiben eine Schrägrohrmethode, bei der das Fallkugelrohr um 10 Grad gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Darüber hinaus werden für verschiedene dynamische Viskositätsmessbereiche sechs Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet, und die geeignete Kugel kann ausgewählt werden, wenn die Fallzeit der Kugel nicht kürzer als die während des Tests aufgezeichnete minimale Fallzeit ist. Die Roll- und Gleitbewegung der Kugel durch die Probenflüssigkeit findet teilweise in einem geneigten zylindrischen Messrohr statt. Die Viskosität der Probe hängt von der Zeit ab, die die Kugel benötigt, um eine bestimmte Distanz zurückzulegen. Die Testergebnisse werden als dynamische Viskosität angegeben.

Obwohl die Kugelfallmethode gut etabliert und in internationalen Normen beschrieben ist, ist die Bedienung dieses Viskosimetertyps etwas umständlich. Beispielsweise benötigt ein Viskosimeter sechs Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern, um verschiedene Viskositätsbereiche zu messen, und der Benutzer muss Tests durchführen, um die geeigneten Kugeln auszuwählen. Darüber hinaus ist es schwierig zu bestimmen, wo der fallende Ball seine Endgeschwindigkeit erreicht, also ob der Abstand zwischen der Startaufzeichnungslinie und der anfänglichen Fallposition ausreichend ist. Darüber hinaus ist das Schrägrohrviskosimeter 10 Grad von der Vertikalen entfernt; Daher fällt der Ball, der auf den Boden trifft, nicht nur, sondern rollt auch. Dieses Phänomen unterscheidet sich von den Ableitungsbedingungen der Fallballmethode. Daher besteht der Zweck dieser Studie darin, eine neue Methode zu entwickeln, die auf der traditionellen Methode des fallenden Balls basiert und gleichzeitig die dynamischen Gleichungen abzuleiten, die das Verhalten fallender Bälle in vertikalen Rohren beschreiben. Da dieser Viskosimetertyp senkrecht zum Boden steht, wird er hier als Vertikalfallviskosimeter bezeichnet.