Titreşimli viskozimetrenin ölçüm ilkesi
Titreşimli viskozimetre, ürünün içine daldırılan ve rezonans frekansında titreştirilen bir çubukla viskozite ölçer. Ürün çubuğun titreşimini söndürür ve elektronik ünite bu sönümü sürekli olarak dinamik viskoziteye (mPa·s) çevirir. Okuma göreli bir ölçümdür, bu yüzden Newtonyen olmayan üründe in-line değer ile laboratuvar değeri arasında korelasyon kurulur.
Sofraser’in proses, numune döngüsü ve laboratuvar viskozimetrelerinin hepsi bu ilkeyle çalışır.
Rezonans frekansında titreşen çubuk
Sensörün ucundaki çubuk, sürücü mıknatıslarla kendi rezonans frekansında titreştirilir. Çubuğun genliği yaklaşık 0,1 mm’dir ve çubuk ürüne daldırıldığında bu genlik söner.
Genlik ve frekans, ürünün viskozitesine ve yoğunluğuna bağlıdır. Alıcı bobindeki sinyal elektronik ünitede viskoziteye çevrilir.
Sensörde dönen ya da aşınan parça yoktur ve ölçüm için numune alınmaz. Okuma proses sıcaklığında yapılır ve süreklidir. Boyutu 1 mm’ye kadar olan parçacıklar ölçümü bozmaz.
Titreşimin sönümü ve viskozite
Çubuk havada en büyük genlikle titreşir. Ürüne daldırıldığında ürün titreşimin enerjisini alır ve genlik küçülür. Viskozite yükseldikçe sönüm artar.
Alıcı bobin çubuğun kalan titreşimini algılar. Elektronik ünite genlik ve frekanstaki değişimi, fabrikada sertifikalı Newtonyen yağlarla yapılan kalibrasyona göre viskoziteye çevirir.
Şemayı yana kaydırarak görebilirsiniz.
Viskozitenin tanımı
Viskozite, bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği iç dirençtir. Akışkanın katmanları birbirine göre kayarken aralarında oluşan sürtünmeden doğar.
Dinamik viskozite, kayma gerilmesinin kayma hızına oranıdır. Aynı koşulda bal sudan çok daha yavaş akar, çünkü viskozitesi daha yüksektir. Sıvıların çoğunda viskozite sıcaklık yükseldikçe düşer.
Viskozite birimleri
Dinamik viskozitenin SI birimi paskal saniyedir (Pa·s). Proseste ve laboratuvarda çoğunlukla milipaskal saniye (mPa·s) kullanılır ve 1 Pa·s, 1.000 mPa·s’ye eşittir. Eski CGS birimi poise’dır (P). Onun yüzde biri olan centipoise (cP), sayıca 1 mPa·s’ye eşittir.
Kinematik viskozite, dinamik viskozitenin aynı sıcaklıktaki yoğunluğa bölünmesiyle bulunur. SI birimi m²/s’dir, pratikte mm²/s kullanılır. 1 mm²/s ile 1 centistokes (cSt) aynı değerdir.
İki büyüklük arasındaki bağıntı şöyledir: kinematik viskozite (mm²/s) = dinamik viskozite (mPa·s) / yoğunluk (g/cm³). Örneğin 100 mPa·s gösteren ve yoğunluğu 0,9 g/cm³ olan bir yağın kinematik viskozitesi 100 / 0,9 ≈ 111 mm²/s (cSt) olur. Ters yönde kinematik viskozite yoğunlukla çarpılır. Yoğunluk sıcaklıkla değiştiği için hesapta ölçüm sıcaklığındaki yoğunluk kullanılır.
| Birim | Karşılığı |
|---|---|
| 1 Pa·s | 1.000 mPa·s, 10 P |
| 1 mPa·s | 1 cP (centipoise) |
| 1 P (poise) | 100 cP, 0,1 Pa·s |
| 1 m²/s | 1.000.000 mm²/s |
| 1 mm²/s | 1 cSt (centistokes) |
| 1 St (stokes) | 100 cSt, 1 cm²/s |
| Kinematik viskozite (mm²/s) | Dinamik viskozite (mPa·s) / yoğunluk (g/cm³) |
Viskozite ölçüm yöntemleri
Viskozimetreler, akışkanı hangi yolla kaydırdıklarına göre ayrılır. Yöntem, sonucun dinamik ya da kinematik viskozite olmasını ve hangi kayma hızında ölçüldüğünü belirler.
Newtonyen olmayan üründe farklı yöntemlerle ölçülen değerler birbirini tutmayabilir, çünkü her yöntem ürünü farklı bir kayma hızında kaydırır. Reometre ise akış davranışını geniş bir kayma hızı aralığında ve viskoelastik özellikleriyle birlikte inceleyen bir laboratuvar cihazıdır.
Şemayı yana kaydırarak görebilirsiniz.
| Yöntem | Ölçtüğü büyüklük ve kullanım yeri |
|---|---|
| Rotasyonel (döner) | Numune içinde dönen mil ya da silindirin torku ölçülür ve dinamik viskozite hesaplanır. Dönme hızı değiştirilerek farklı kayma hızlarında ölçülebilir. Çoğunlukla laboratuvarda kullanılır. |
| Kapiler (kılcal) | Belirli hacimdeki sıvının ince bir kılcal borudan yer çekimiyle akma süresi ölçülür. Süre kinematik viskoziteyle orantılıdır. Sabit sıcaklıklı banyoda yapılan bir laboratuvar yöntemidir (ör. ASTM D445). |
| Düşen bilye | Bir bilyenin sıvı içinde belirli bir mesafeyi düşme süresi ölçülür. Bilye ile sıvının yoğunluk farkı bilindiğinde dinamik viskozite hesaplanır. Çoğunlukla saydam, Newtonyen sıvılarda laboratuvarda kullanılır. |
| Titreşimli | Sıvıya daldırılan bir çubuk ya da diyapazon titreştirilir ve titreşimin sönümü ölçülür. Sönüm viskoziteye ve yoğunluğa bağlıdır. Proseste in-line ve tank içinde sürekli ölçüm için kullanılır, masaüstü ve taşınabilir sürümleri de vardır. |
Dinamik ve kinematik viskozite
Titreşen çubuk dinamik viskozite ölçer. Kinematik viskozite gerektiğinde Sofraser cihazlarıyla üç yoldan elde edilir:
- Yoğunluk seçeneği: Pt100 sıcaklık probu ve 9710 işlemciyle yoğunluk da ölçülür ve kinematik viskozite hesaplanır. Seçenek 500 mPa·s’ye kadar ve 0,6–1,6 g/cm³ yoğunlukta kullanılır.
- Sabit yoğunluk: Yoğunluğu proseste az değişen üründe kontrol sisteminde sabit bir yoğunluk katsayısı kullanılır.
- Thermoset KV: Numune döngüsündeki analizör kinematik viskoziteyi referans sıcaklıkta, 1.000 cSt’ye kadar ölçer.
Newtonyen ve Newtonyen olmayan ürün
Newtonyen bir üründe viskozite kayma hızına bağlı değildir. Su, çözücüler, madeni yağlar ve yakıtlar bu davranışa yakındır.
Newtonyen olmayan üründe viskozite kayma hızıyla değişir. Polimer eriyikleri, boyalar, macunlar ve birçok reçine bu gruptadır. Bu ürünlerde viskozite değeri, hangi kayma hızında ölçüldüğü yazılmadan karşılaştırılamaz.
Titreşen çubuk ürünü yüksek kayma hızında hareket ettirir. Sofraser’e göre MIVI, Newtonyen olmayan üründe yüksek kayma hızındaki ikinci Newtonyen bölgede ölçer.
Şemayı yana kaydırarak görebilirsiniz.
Kayma hızı ve laboratuvar farkı
Laboratuvar viskozimetreleri çoğunlukla düşük kayma hızında çalışır. Newtonyen olmayan üründe in-line okuma ile laboratuvar değeri bu yüzden farklı çıkar.
Sofraser’in ekstrüzyon viskozimetresi SOFlux için verdiği örnekte fark yaklaşık kırk kattır. İki değer de doğrudur ve aynı ürünün farklı kayma hızındaki viskozitesini gösterir.
| Ürün sıcaklığı ve basıncı | 210 °C, 200 bar |
|---|---|
| In-line ölçüm, yaklaşık 1.000 s⁻¹ | 245 Pa·s |
| Laboratuvar ölçümü, 1 s⁻¹ | 10.208 Pa·s |
Kaynak: sofraser.com, SOFlux uygulama örneği.
Laboratuvar değeriyle korelasyon
Titreşen çubuğun okuması göreli bir ölçümdür. Newtonyen olmayan üründe laboratuvar değeriyle korelasyon kurulması gerekir.
Numune alındığı anda in-line okuma kaydedilir. Birkaç parti boyunca toplanan çiftlerden doğrusal bir denklem (ax + b) ya da bir tablo çıkarılır. Korelasyon elektronik ünitede ya da Sofraser’in SIS yazılımıyla tanımlanır.
Grafikte 10:10 ile 13:06 arasında aynı on iki anda alınan iki değer görülür. Laboratuvar değeri 7’den 40’a, in-line okuma 20’den 83’e çıkar. Ürün sıcaklığı aynı sürede 55 °C’den 63 °C’ye yükselir.
Laboratuvar değeri 12:26’dan sonraki 40 dakikada 14’ten 40’a çıkar ve değişim sona doğru hızlanır. In-line okuma bu bölümde de laboratuvar değeriyle aynı yönde ilerler. Bitiş noktasına yaklaşıldığı, okumanın eğiminden de izlenebilir.
Şemayı yana kaydırarak görebilirsiniz.
- Laboratuvar ölçümü, sol eksen
- In-line okuma, sağ eksen
Ford ve DIN kabı değerleri
Boya, mürekkep ve tutkal üretiminde viskozite çoğunlukla viskozite kabıyla (Ford cup, DIN kabı) kontrol edilir. Kap ürünle doldurulur ve dibindeki delikten boşalma süresi saniye olarak ölçülür.
Kap süresini mPa·s’ye çeviren evrensel bir formül yoktur. İlişki kap tipine, delik çapına ve uyulan standarda göre değişir. Süre kinematik viskoziteyle ilişkilidir ve dinamik viskoziteye geçmek için ürünün yoğunluğu da gerekir. Newtonyen olmayan üründe ilişki ayrıca ürünün kayma davranışına bağlıdır.
Sahada in-line okuma, aynı anda alınan numunenin kap süresiyle eşlenir. Eşleşen çiftlerden laboratuvar korelasyonundaki gibi bir denklem ya da tablo çıkarılır. Genel bir dönüşüm tablosu bu yüzden kullanılmaz.
Viskozitenin sıcaklıkla değişimi
Sıvılarda viskozite sıcaklık yükseldikçe düşer ve bu değişim doğrusal değildir. In-line sensör ürünü proses sıcaklığında ölçer. Laboratuvar değeri ise çoğunlukla sabit bir sıcaklıkta verilir.
Sıcaklık düzeltmeli viskozite (TCV), proses sıcaklığındaki okumayı seçilen referans sıcaklığa çevirir. Çeviri, ürünün viskozite–sıcaklık eğrisine dayanır. Sofraser bu eğri için ASTM D341 bağıntısının basitleştirilmiş biçimini kullanır.
Referans ürün eğrisi, aynı ürünün iki ya da daha fazla sıcaklıktaki viskozitesinden kurulur ve işlemcide saklanır. Ürün değişirse eğri de değişir. TCV 9710 işlemcide bulunur.
Referans sıcaklıktaki değerin fiziksel olarak ölçülmesi isteniyorsa numune döngüsünde Thermoset analizörü kullanılır.
Tam skala aralığı
Tam skala aralığı (FSR), sensörün fabrikada kalibre edildiği viskozite aralığıdır, ör. 0–1.000 mPa·s. Aralık, güç kesintisinden sonra çubuğun yeniden titreşmesinin garanti edildiği bölgeyi de tanımlar.
Doğruluk ve tekrarlanabilirlik, okumanın tam skalanın %10–90’ında kaldığı durum için verilir. Okuma tam skalanın %10’unun altına, ör. %0,5–1’ine düştüğünde doğruluk garanti edilmez.
- Aralık, ürünün proseste aldığı en düşük ve en yüksek viskoziteye göre seçilir.
- Ürün 200–800 mPa·s arasında değişiyorsa 0–1.000 mPa·s aralığı okumayı tam skalanın %20–80’inde tutar.
- Dar aralık hassasiyeti artırır. Aralık seçimi laboratuvar değeri ve cihaz tipiyle birlikte yapılır.
Kalibrasyon ve havada sıfır
Sofraser her sensörü fabrikada sertifikalı Newtonyen kalibrasyon yağlarıyla, en az yedi noktada kalibre eder. Sensör, kablosu ve elektronik ünitesi tek bir titreşim sistemi olarak eşleştirilir. Bu üçlüden biri tek başına başka bir eşiyle değiştirilmez.
Sahada yapılan ayar havada sıfırdır (zero in air). Sofraser prosedüründeki sıra şöyledir:
- Proses boşaltılır, çubuk temiz ve kurudur.
- Elektronik ünite en az 30 dakika enerjili bekletilir.
- Havadaki okumanın kararlı olduğu görülür. Gerekirse sensör 90° döndürülür.
- Havada sıfır alınır ve değer kaydedilir.
- Proses başlatılır ve ilk numunelerle laboratuvar korelasyonu kurulur.
Periyodik kontrol
Sofraser, havada sıfır değerinin yılda bir kontrol edilmesini ve sensör her sökülüp takıldığında yeniden alınmasını önerir. Temizlik çözeltisindeki okuma da referans olarak kaydedilebilir.
Sık sorulan sorular
Titreşimli viskozimetre nasıl çalışır?
Ürüne daldırılan bir çubuk rezonans frekansında titreştirilir ve ürün bu titreşimi söndürür. Elektronik ünite sönümü dinamik viskoziteye (mPa·s) çevirir. Okuma proses sıcaklığında yapılır ve süreklidir.
In-line değer laboratuvar değerinden neden farklı çıkar?
Laboratuvar viskozimetreleri çoğunlukla düşük kayma hızında ve sabit bir sıcaklıkta ölçer. In-line sensör yüksek kayma hızında ve proses sıcaklığında ölçer. Newtonyen olmayan üründe değerler bu yüzden ayrılır ve ilişki korelasyonla kurulur.
Viskozite sıcaklıkla nasıl değişir ve nasıl düzeltilir?
Sıvılarda viskozite sıcaklık yükseldikçe düşer. Sıcaklık düzeltmeli viskozite (TCV), proses sıcaklığındaki okumayı ürünün viskozite–sıcaklık eğrisiyle referans sıcaklığa çevirir. Referans sıcaklıkta fiziksel ölçüm için Thermoset analizörü kullanılır.
mPa·s, cP ve cSt birbirine nasıl çevrilir?
Dinamik viskozitede 1 mPa·s, 1 centipoise (cP) değerine eşittir. Kinematik viskozite (cSt), dinamik viskozitenin (mPa·s) g/cm³ cinsinden yoğunluğa bölünmesiyle bulunur. Örneğin yoğunluğu 0,9 g/cm³ olan üründe 100 mPa·s yaklaşık 111 cSt’dir.
Ford kabı süresi mPa·s’ye çevrilebilir mi?
Evrensel bir dönüşüm yoktur. Kap süresi ile viskozite arasındaki ilişki kap tipine, delik çapına ve uyulan standarda bağlıdır. Sahada in-line okuma, aynı anda ölçülen kap süresiyle eşlenerek korelasyon kurulur.
Cihaz kinematik viskozite (cSt) verebilir mi?
Sensör dinamik viskozite ölçer. Kinematik viskozite yoğunluk seçeneğiyle (Pt100 ve 9710 işlemci, 500 mPa·s’ye kadar) ya da sabit bir yoğunluk katsayısıyla hesaplanır. Thermoset KV ise kinematik viskoziteyi referans sıcaklıkta ölçer.
Kalibrasyon için cihazı fabrikaya göndermek gerekir mi?
Olağan bakımda gerekmez. Havada sıfır yılda bir sahada kontrol edilir. Fabrika kalibrasyonu sensör, kablo ve elektronik üniteye birlikte yapılır.
Ürünün laboratuvar değeri, ölçüldüğü cihaz tipi ve proses sıcaklığı ilk değerlendirme için yeterlidir.
Teklif isteyin