Ein Viskosimeter ist ein Instrument zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten und der Fließeigenschaften von Flüssigkeiten. Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von Viskosimetern, ihre internen Eigenschaften und die Faktoren besprechen, die für die Durchführung genauer und wiederholbarer Viskositätsmessungen eine Rolle spielen.
In der Tribologie und Schmierstoffforschung wird die Viskosität oft als wichtigste Eigenschaft eines Grundöls bezeichnet. Warum ist die Viskosität bei der Maschinenschmierung so wichtig? Einerseits kann eine zu niedrige Viskosität dazu führen, dass es bei der Bewegung zu Grenzflächenkontakten zwischen inneren Bauteilen kommt und es zu Verschleiß kommt.
Andererseits zwingt eine zu hohe Viskosität die Maschine dazu, härter zu arbeiten, um den inneren Fließwiderstand des Schmierstoffs zu überwinden. Daher ist es wichtig, nicht nur die Viskosität des Grundöls zu verstehen, sondern auch, wie sie sich aufgrund von Schwankungen der Betriebs- oder Umgebungsbedingungen ändern kann.
Viskosimeter und Rheometer
Die Viskosität ist ein Maß für den Strömungswiderstand (Scherspannung) einer Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur. Nicht alle Flüssigkeiten behalten eine konstante Viskosität bei, wenn sich die Strömungsbedingungen ändern. Flüssigkeiten, deren Viskosität sich mit den Strömungsbedingungen ändert, werden als nicht-Newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet. Die Viskosität dieser Flüssigkeiten wird mit einem Rheometer gemessen. Ein Viskosimeter misst die Viskosität einer Newtonschen Flüssigkeit.
Kinematik und absolute Viskosität
Unter den verschiedenen Viskosimetermethoden gibt es zwei unterschiedliche Arten, die Viskosität auszudrücken: die kinematische Viskosität und die absolute Viskosität. Der Hauptunterschied zwischen beiden besteht darin, dass die kinematische Viskosität durch Beobachtung des Strömungswiderstands einer Flüssigkeit unter dem Einfluss der Schwerkraft gemessen wird, während die absolute Viskosität durch Beobachtung des Strömungswiderstands einer Flüssigkeit unter dem Einfluss äußerer und kontrollierter Kräfte gemessen wird. Entweder durch Kapillaren erfolgt auch die Bewegung von Flüssigkeit durch den Körper.
Die kinematische Viskosität wird in Centistokes (cSt) gemessen, die absolute Viskosität wird jedoch in Centipoise (cP) gemessen. Zu Vergleichszwecken wird die absolute Viskosität normalerweise in die kinematische Viskosität umgewandelt, indem sie durch das spezifische Gewicht (SG) der Flüssigkeit dividiert wird.
cSt=cP/SG oder der Kehrwert der Gleichung: cP=cSt x SG
Viskositätstestmethode
Es wurden mehrere Methoden zur Viskositätsprüfung etabliert, von denen jede ihre eigenen Vorteile hat. Im Folgenden finden Sie eine Liste der am häufigsten verwendeten Techniken zur Prüfung der Grundölviskosität.
Kapillar-(Glas-)Viskosimeterprüfung
Das bei Kapillarviskosimeter-Tests verwendete Hauptgerät ist ein „U“-förmiges Glasrohr, daher auch der häufig verwendete Name „U-Rohr“. Das U-Rohr-Verfahren erfordert das Eintauchen des Rohrs in ein temperaturkontrolliertes Bad (normalerweise 40 oder 100 Grad Celsius) und das genaue Ablesen (in Sekunden) der Zeit, die erforderlich ist, damit eine bestimmte Flüssigkeitsmenge innerhalb des Rohrs fließt. Der Schlauch wird durch Saugkraft oder Schwerkraft aus dem Schlauch entfernt. Eine Markierung zur anderen Markierung.
Diese gemessene Zeit wird dann mit einer Konstante (bezogen auf das jeweilige Rohr) multipliziert, um die absolute Viskosität (Saugwirkung) oder die kinematische Viskosität (Schwerkraft) zu berechnen.
Rotationsviskosimetertest
Das Hauptmerkmal eines Rotationsviskosimeters ist ein rotierendes Gerät, eine sogenannte Spindel, die in die Testflüssigkeit eingetaucht ist. Das Drehmoment an der rotierenden Welle wird dann verwendet, um den Strömungswiderstand der Flüssigkeit zu messen.
Ein Rotationsviskosimeter berechnet die absolute Viskosität einer Flüssigkeit, da diese Messung nicht auf der Schwerkraft beruht, sondern eine Funktion der Scherspannung innerhalb der Flüssigkeit ist. Eine übliche Variante dieses Viskosimeters wird Brookfield-Viskosimeter genannt.
Das Stabinger-Viskosimeter ist eine modifizierte Version des Rotationsviskosimeters. Es verwendet eine verbesserte unabhängige schwimmende Spindel, die durch elektromagnetische Kraft gesteuert wird, um eine Rotation in der Flüssigkeit zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass die schwierige Berücksichtigung der Lagerreibung des Zusatzmotors mit der Hauptwelle entfällt.
Prüfung mit Fallkugel- und Fallkolbenviskosimetern
Weniger gebräuchliche Alternativen zur Messung der Viskosität sind Kugelfallviskosimeter und Fallkolbenviskosimeter. Bei diesen Tests wird eine Kugel oder ein Kolben in eine Flüssigkeit getaucht und die Zeit zwischen einem markierten Punkt und einem zweiten markierten Punkt gemessen. Um die Viskosität anhand des Stokes-Gesetzes zu berechnen, müssen die bekannte Endgeschwindigkeit, die Abmessungen und die Dichte der Kugel oder des Kolbens bekannt sein.
Andere Testmethoden
In bestimmten Situationen, die bei Ölviskositätstests nicht üblich sind, kann die Blasenmethode verwendet werden. Bei diesem Test wird normalerweise die Zeit gemessen, die eine Blase benötigt, um eine bestimmte Distanz hochzusteigen. Diese Messzeit kann dann proportional zur Viskosität der Flüssigkeit in Beziehung gesetzt werden. Eine weitere Variante besteht darin, den Vibrationswiderstand der Sonde zu messen.
Arten von Viskosimetern
Obwohl es mehrere Methoden zur Bestimmung der Viskosität gibt, werden die meisten Viskosimeter kommerziell verkauft und eignen sich am besten für ihren Verwendungszweck. Nachfolgend finden Sie eine Liste dieser Viskosimeterkategorien.
Tragbares Viskosimeter
Wie der Name schon sagt, eignen sich tragbare Viskosimeter für den Einsatz überall dort, wo eine Laborumgebung unpraktisch ist. In vielen Feld- und Feldanwendungen müssen Viskosimeter schnelle, ungefähre Viskositätswerte liefern, oft um eine weitere Analyse zu rechtfertigen.
Kleinfeldviskosimeter
Für genauere Viskositätsmessungen eignen sich kleine Feldviskosimeter für Laborumgebungen, sind aber erschwinglich. Zu diesen Viskosimetern gehören die U-Rohr-Variante oder das Brookfield-Viskosimeter.
Full-Service-Viskosimeter
Um die höchste Genauigkeit bei der Viskositätsprüfung zu erreichen, muss ein vollwertiges Viskosimeter verwendet werden. Diese Geräte sind häufig in der Lage, die kinematische und absolute Viskosität über einen weiten Temperaturbereich automatisch zu testen und Berechnungen der Dichte und des spezifischen Gewichts durchzuführen. Eine häufige Herausforderung für Ölanalyselabore, die mehrere Tests an Proben erfordern, besteht darin, diese Tests mit möglichst wenigen Proben durchführen zu können.
Einige der anspruchsvolleren Full-Service-Viskosimeter können genaue Messungen mit Probenvolumina von weniger als 0,1 ml durchführen, mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,1 %. In großen Labors, die täglich Hunderte von Proben testen, ist dies ein notwendiger Vorteil eines Full-Service-Viskosimeters.
Online/Online-Viskosimeter
Während die meisten Ölviskositätstests nach der Entnahme einer enthaltenen Probe durchgeführt werden, können einige Viskosimeter kontinuierliche Viskositätsmessungen in aktiven Durchflussleitungen liefern. Dies geschieht normalerweise mit Sensoren oder Wandlern, entweder direkt in der Leitung (Teil der Rohrleitung) oder in der Leitung (Nebenstrom oder Sensor). Es wird eine Viskositätsmessung durchgeführt und dann als elektronisches Signal an einen Computer oder ein anderes Überwachungsgerät gesendet.
Faktoren, die die Viskositätsmessung beeinflussen
Obwohl die Viskosität einer Flüssigkeit leicht zu analysieren scheint, kann die Durchführung präziser Messungen solcher Flüssigkeiten eine schwierige Aufgabe sein. Damit eine Messung gültig ist, müssen mehrere Faktoren bekannt und konstant gehalten werden, darunter:
Temperatur
Von der Bedeutung her entspricht das Verhältnis von Temperatur zu Viskosität dem Verhältnis von Viskosität zu Grundöl. Die alleinige Verantwortung des Temperaturkontrollbades besteht darin, sicherzustellen, dass das gesamte Viskositätsmessexperiment auf einer präzisen Temperatur (normalerweise 40 oder 100 Grad Celsius) und innerhalb von 0,02 Grad Celsius gehalten wird. Die Steuerung des Bades in diesem Ausmaß kann eine Herausforderung sein, weshalb anspruchsvollere Viskosimeter ein temperaturgesteuertes Badsystem als Teil der Einheit umfassen.
Viskosimeterglas
Die Genauigkeit eines Kapillarviskosimeters hängt nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom genauen Innendurchmesser des Rohrs ab. Aus diesem Grund bestehen diese Glasröhrchen aus vollständig geglühtem Borosilikatglas mit geringer Ausdehnung und sind häufig mit einer dem Röhrchen zugeordneten Viskosimeterkonstante als Korrekturfaktor versehen. Es ist gängige Praxis, die Konstanten des Viskosimeters jährlich auf der Grundlage der Temperaturen, bei denen es verwendet wird, neu zu kalibrieren, um so wenig Fehler wie möglich zu gewährleisten.
Viskosimetergröße
Die Größen der Viskosimeter variieren aufgrund des breiten Spektrums an zu prüfenden Viskositäten. Es wird empfohlen, dass das Viskosimeter mindestens 200 Sekunden benötigt (bei manuellen Messungen mit einer Stoppuhr), um die Testflüssigkeit von einem markierten Punkt zum anderen zu leiten, um menschliches Versagen zu vermeiden.
Zwischen den Messungen spülen
Ein weiterer wichtiger Prüffaktor für Viskosimeter ist die Qualität der Rohrspülung zwischen den Messungen. Typischerweise werden für die Reinigungs-, Spül- und Trocknungsschritte verschiedene rückstandsfreie Lösungsmittel verwendet. In Laboren, die kontinuierlich Proben auf Hochvolumenviskosimetern untersuchen, sorgt ein integriertes Reinigungssystem für Reinigungseffizienz. Dennoch ist eine Sichtprüfung erforderlich, um festzustellen, ob ein zweiter Spülzyklus erforderlich ist, insbesondere bei Altöl.
Weitere wichtige Faktoren, die sich auf Viskositätsmessungen auswirken können, sind die Methode und Genauigkeit des Zeitmessgeräts, die ordnungsgemäße Probenhandhabung sowie eine eingehende und laufende Qualitätskontrolle.
Im Laufe der Jahre hat sich die Viskositätsmessung mit verschiedenen Stilen und Methoden weiterentwickelt. Dank ASTM und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) wurden auch Prüfmethoden, Verfahren, Kalibrierung, Reinigung und andere Faktoren für Viskosimeter entwickelt, um Genauigkeit und Konsistenz zwischen verschiedenen Viskosimetern sicherzustellen.
Schließlich ist die Viskosität die wichtigste physikalische Eigenschaft eines Grundöls, und Bemühungen, die Viskosität mithilfe sorgfältiger Methoden und strenger Standards zu messen, können zu einer zuverlässigeren Maschinenschmierung und letztendlich zu einer längeren Maschinenlebensdauer führen.
