Оснащение производства
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника
Происхождение и смысл условной вязкости
Шкала условной вязкости историческая: она появилась раньше, чем лаборатории получили удобные приборы для динамической и кинематической вязкости. Замысел прост — вместо расчёта напряжения сдвига и градиента скорости измерять, за сколько секунд жидкость вытекает из сосуда заданной формы, и сравнивать с водой. Силы считать и плотность пробы знать не нужно, достаточно секундомера и поддержания температуры.
По этой причине условную вязкость применяют до сих пор, когда партии продукта нужно быстро сопоставить друг с другом или с требованием спецификации: это тёмные нефтепродукты, мазуты, смазочные композиции, лаки и пропиточные составы. Результат фиксируют в градусах ВУ при указанной температуре; без температуры число бессмысленно, поскольку вязкость тяжёлых жидкостей при нагреве резко падает.
В разных странах шкалы условной вязкости связаны с разными приборами: градусы Энглера (°ВУ) принято использовать в России и некоторых европейских странах, секунды по Сейболту — в США, секунды по Редвуду — в Великобритании. Шкалы друг друга не заменяют: числа сравнивают лишь внутри одной шкалы или после пересчёта. Прибор для Сейболта в каталоге представлен серией ВИС-УВС, а устройство вискозиметра Энглера описано ниже.
Условная вязкость безразмерна, ведь это отношение двух времён. Поэтому «ВУ при 50 °C» и «ВУ при 80 °C» — разные характеристики одной жидкости, и сопоставлять их нельзя.
Вискозиметр Энглера: конструкция и действие
В вискозиметр Энглера входят три основные части: внутренний сосуд с калиброванным отверстием, наружная водяная или масляная баня и мерная колба, куда стекает жидкость. Крышка внутреннего сосуда имеет гнездо для термометра и стержень-затвор. Отверстие в днище — короткий платиновый или латунный капилляр, и именно его размеры определяют шкалу прибора.
Рис. 1. Устройство вискозиметра Энглера: внутренний сосуд, термостатирующая баня, мерная колба
Термостатирование пробы
Температура испытания задана методикой на конкретный продукт: для мазутов обычно 50, 80 или 100 °C, для более лёгких жидкостей — 20 °C. Нагреватель удерживает температуру бани, а контроль ведут термометром во внутреннем сосуде. Сильнее всего колебания температуры сказываются на результате для тяжёлых жидкостей, потому точность поддержания — важная характеристика прибора. Так, КАДАММ ВИС-УВЭ работает в диапазоне 0–100 °C с точностью поддержания ±0,2 °C. Внешнюю баню или охлаждение для испытаний при низкой температуре подбирайте среди циркуляционного оборудования раздела жидкостные термостаты.
Мерная колба и затвор
Мерная колба, в которую стекает жидкость, рассчитана на 200 мл. У КАДАММ ВИС-УВЭ её объём составляет 200 мл с допуском ±0,2 мл. Время считают от открытия затвора до метки 200 мл. Допуск на объём колбы прямо влияет на итог: ошибка объёма оборачивается ошибкой времени.
Порядок испытания
Вначале прибор промывают растворителем и сушат, потом заливают пробу выше указателей, ждут выравнивания температуры и следят, чтобы не было воздушных пузырей. Затем открывают затвор, запускают секундомер и останавливают его на метке 200 мл. Для сопоставимости испытание повторяют и усредняют сходящиеся значения. Допустимые расхождения задаёт методика на продукт, поэтому ориентируйтесь на действующий документ лаборатории, а не на общее описание.
Градусы ВУ и водное число
Чтобы получить градусы ВУ, время истечения пробы делят на водное число прибора:
ВУ = τпробы / τводы, где τпробы — время, за которое вытекают 200 мл исследуемой жидкости при заданной температуре, а τводы — водное число, то есть время истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 °C.
У приборов со стандартными размерами водное число составляет около 50 секунд. Из-за допусков на размер отверстия у каждого экземпляра оно немного иное, и поэтому для каждого вискозиметра его определяют отдельно и вносят в паспорт. Брать водное число «из справочника» нельзя: именно оно переводит секунды конкретного прибора в градусы, пригодные для сравнения между лабораториями.
Как определяют водное число
Для определения прибор заполняют дистиллированной водой при 20 °C, ждут выравнивания температуры и несколько раз замеряют время истечения 200 мл; среднее и есть водное число. Если оно выходит за пределы методики, прибор считают неисправным, и чаще всего виноваты загрязнение или повреждение отверстия. Водное число перепроверяют после чистки, после замены деталей и по принятому в лаборатории графику. Как устроена общая система поверки и калибровки вязкостных приборов, объясняет статья «Поверка и калибровка вискозиметра».
Пример расчёта
Допустим, водное число прибора равно 51 с, а мазут при заданной температуре вытекает за 255 с. Тогда ВУ = 255 / 51 = 5,0 градуса. Если ошибочно взять водное число 50 с, выйдет 5,1: разница мала, но она систематична, зависит от прибора, а допуски в спецификациях на продукты нередко узкие.
В записи результата температура указывается всегда: «5,0 °ВУ при 50 °C». Когда ВУ определено при иной температуре, чем задано требованиями к продукту, сравнивать числа нельзя.
Как перевести условную вязкость в кинематическую
Перевод нужен тогда, когда в спецификации или в гидравлическом расчёте (насосы, трубопроводы, форсунки) вязкость требуется в мм²/с, а лаборатория измерила её по Энглеру. Кинематическая вязкость равна динамической, делённой на плотность; 1 сСт = 1 мм²/с. Как единицы связаны между собой, подробно сказано в статье «Единицы вязкости: мПа·с, сантипуаз, пуаз, стокс, °ВУ и перевод».
Чаще всего применяют эмпирическую формулу Убеллоде, выражающую кинематическую вязкость ν в сСт через градусы ВУ:
ν = 7,31 · ВУ − 6,31 / ВУ
В середине шкалы формула даёт приемлемый результат, а при малых значениях (ВУ около 1–2) растёт вклад второго слагаемого и погрешность увеличивается. Для очень вязких жидкостей берут упрощённую линейную связь, где ν пропорциональна ВУ с постоянным коэффициентом; его значение зависит от справочника, потому коэффициент берут из документа вашей методики. Для удобства нормативные справочники содержат таблицы перевода, сопоставляющие каждому ВУ значение ν.
О точности перевода
Любой перевод — лишь приближение. Условная вязкость формируется течением в коротком отверстии, где заметную роль играют инерционные потери, а не только внутреннее трение, тогда как кинематическая вязкость по капиллярному методу определяется в длинном капилляре при ламинарном режиме. Поэтому связь между величинами эмпирическая, а не строгая, и она меняется с диапазоном. Пересчитанное значение — это оценка, и использовать её там, где результат нормируется как кинематическая вязкость, нельзя.
Как получить динамическую вязкость
Чтобы получить динамическую вязкость в мПа·с, кинематическую умножают на плотность жидкости при той же температуре. Плотность тяжёлого нефтепродукта измеряют отдельно и не опираются на справочное значение для «типичного мазута». О связи динамической и кинематической вязкости см. статью «Измерение вязкости: методы, динамическая и кинематическая вязкость».
Пределы метода и частые ошибки
Метод Энглера привлекает простотой, но у него есть ограничения, которые нужно знать до начала испытаний.
- Лишь ньютоновские жидкости. Если вязкость зависит от скорости сдвига (эмульсии, суспензии, растворы полимеров), результат определяется условиями истечения и не полностью характеризует материал. Для таких проб подходит ротационный вискозиметр; его принцип изложен в статье «Как работает ротационный вискозиметр».
- Зависимость от температуры. Около 50 °C вязкость мазута может меняться круто, поэтому отклонение температуры на десятые доли градуса уже видно в результате.
- Засорение отверстия. Остатки продукта и механические частицы изменяют сечение, а с ним и водное число. Перед серией измерений водное число следует проверить.
- Пузыри воздуха и перекос уровня. Они изменяют напор в начале истечения и искажают время.
- Неподходящий диапазон. Совсем малые значения ВУ (близкие к воде) и очень большие определяются с повышенной погрешностью. Жидкости, которые текут медленнее, чем допускает шкала прибора, измеряют другим методом.
Условная вязкость не подменяет капиллярные методы там, где кинематическую вязкость определяют по нормативу. Такие испытания описаны в статье «Кинематическая вязкость нефтепродуктов по ГОСТ 33 и ASTM D445», а выполняют их на аппаратах серии КАДАММ ВИС-КВ. Индекс вязкости масла, который вычисляют по двум значениям кинематической вязкости, рассмотрен в материале «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371».
Энглер, Сейболт, капилляр или ротационный прибор: как выбрать метод
Решение зависит от того, в каких единицах нужен результат (условных по требованию спецификации, кинематических или в мПа·с), ньютоновская ли жидкость и какова температура испытания. Ориентиры сведены в таблицу.
| Задача | Метод | Раздел | Прибор КАДАММ |
|---|---|---|---|
| Условная вязкость мазутов и тяжёлых нефтепродуктов в °ВУ | Истечение 200 мл по Энглеру | Вискозиметры условной вязкости | КАДАММ ВИС-УВЭ |
| Условная вязкость в секундах по Сейболту | Истечение из мерной колбы 60 мл | Вискозиметры условной вязкости | КАДАММ ВИС-УВС |
| Кинематическая вязкость нефтепродуктов | Капиллярный вискозиметр в бане | Аппараты для определения вязкости нефтепродуктов | КАДАММ ВИС-КВ |
| Динамическая вязкость в мПа·с, неньютоновские пробы | Ротационный вискозиметр | Ротационные вискозиметры | КАДАММ ВИС-П, КАДАММ ВИС-Ц |
| Нагрев пробы до 300 °C | Ротационный вискозиметр с нагревом | Ротационные вискозиметры | КАДАММ ВИС-ПТ, КАДАММ ВИС-ТУ |
Обзор методов дан в статье «Что такое вискозиметр и какие бывают». Если вместо вискозиметра условной вязкости выбирают ротационный, например для битумов и расплавов клеев, сначала прочтите «Высокотемпературная вязкость: битумы, клеи-расплавы, полимеры» , а затем переходите к подбору диапазона и скоростей.
Подготовка пробы: на что обратить внимание
Если методика это предусматривает, тяжёлые нефтепродукты перед испытанием прогревают и перемешивают до однородности; небольшие объёмы перемешивают оборудованием из раздела лабораторные мешалки. Воду и механические примеси можно заранее отделить от нефтяных проб центрифугированием — читайте статью «Центрифуга для нефти: вода и механические примеси». Горячие пробы обрабатывают в вытяжном шкафу (вытяжные шкафы).
Прибор и комплект к нему подскажут наши инженеры: назовите продукт, температуру испытания и методику, по которой нужен результат, и мы предложим подходящую серию. Погрешность лучше уточнить заранее: у приборов условной вязкости она определяется методикой и конструкцией, поэтому запись «уточняйте у менеджера» в карточке означает зависимость цифры от исполнения и комплекта.