Un viscosímetro es un instrumento utilizado para medir la viscosidad de los fluidos y las propiedades de flujo de los líquidos. Analicemos los distintos tipos de viscosímetros, sus características internas y los factores que intervienen para realizar mediciones de viscosidad precisas y repetibles.
En la investigación de tribología y lubricación, a menudo se hace referencia a la viscosidad como la propiedad más importante de un aceite base. ¿Por qué es tan importante la viscosidad en la lubricación de máquinas? Por un lado, una viscosidad demasiado baja puede causar contacto interfacial entre los componentes internos durante el movimiento, lo que resulta en desgaste.
Por otro lado, una viscosidad demasiado alta obliga a la máquina a trabajar más para superar la resistencia interna del lubricante al flujo. Por lo tanto, es importante comprender no sólo la viscosidad del aceite base, sino también cómo puede cambiar debido a fluctuaciones en las condiciones ambientales o de operación.
Viscosímetro y reómetro
La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir (esfuerzo cortante) a una temperatura determinada. No todos los fluidos mantienen una viscosidad constante a medida que cambian las condiciones de flujo. Los fluidos cuya viscosidad cambia con las condiciones de flujo se denominan fluidos no newtonianos. La viscosidad de este tipo de fluidos se mide con un reómetro. Un viscosímetro mide la viscosidad de un fluido newtoniano.
Cinemática y viscosidad absoluta.
Entre los diversos métodos viscosímetros, existen dos formas diferentes de expresar la viscosidad: viscosidad cinemática y viscosidad absoluta. La principal diferencia entre los dos es que la viscosidad cinemática se mide observando la resistencia de un fluido a fluir bajo la influencia de la gravedad, mientras que la viscosidad absoluta se mide observando la resistencia de un fluido a fluir bajo la influencia de fuerzas externas y controladas. ya sea por capilares también son el movimiento de líquido a través del cuerpo.
La viscosidad cinemática se mide en centistokes (cSt), pero la viscosidad absoluta se mide en centipoises (cP). Para fines de comparación, la viscosidad absoluta generalmente se convierte en viscosidad cinemática dividiéndola por la gravedad específica (SG) del fluido.
cSt=cP/SG o el recíproco de la ecuación: cP=cSt x SG
Método de prueba de viscosidad
Se han establecido varios métodos de prueba de viscosidad, cada uno con sus propias ventajas. La siguiente es una lista de las técnicas más utilizadas para las pruebas de viscosidad del aceite base.
Prueba de viscosímetro capilar (vidrio)
El dispositivo principal utilizado en las pruebas de viscosímetro capilar es un tubo de vidrio en forma de "U", lo que le da su nombre comúnmente asociado, tubo en U. El procedimiento del tubo en U requiere sumergir el tubo en un baño con temperatura controlada (generalmente 40 o 100 grados Celsius) y tomar lecturas precisas (en segundos) del tiempo requerido para que una cantidad fija de líquido fluya dentro del tubo. El tubo se retira del tubo mediante succión o gravedad. Un marcador a otro marcador.
Este tiempo medido se multiplica luego por una constante (relacionada con el tubo específico) para calcular la viscosidad absoluta (succión) o la viscosidad cinemática (gravedad).
Prueba de viscosímetro rotacional
La característica clave de un viscosímetro rotacional implica un dispositivo giratorio, llamado husillo, que se sumerge en el fluido de prueba. Luego, el par sobre el eje giratorio se utiliza para medir la resistencia del fluido al flujo.
Un viscosímetro rotacional calcula la viscosidad absoluta de un fluido porque esta medición no involucra la gravedad sino que es una función de la tensión cortante dentro del fluido. Una variación común de este viscosímetro se llama viscosímetro Brookfield.
El viscosímetro Stabinger es una versión modificada del viscosímetro rotacional. Utiliza un husillo flotante independiente mejorado, que está controlado por fuerza electromagnética para generar rotación en el fluido. Esto es ventajoso porque elimina la difícil tarea de tener en cuenta la fricción del cojinete del motor adicional con el eje principal.
Prueba de viscosímetro de caída de bola y de pistón de caída
Las alternativas menos comunes para medir la viscosidad incluyen viscosímetros de bola descendente y de pistón descendente. En estas pruebas, se deja caer una bola o un pistón en un líquido y se mide el tiempo entre un punto marcado y un segundo punto marcado. Para calcular la viscosidad a partir de la ley de Stokes, se deben conocer la velocidad terminal, las dimensiones y la densidad de la bola o pistón.
Otros métodos de prueba
En determinadas situaciones que no se ven comúnmente en las pruebas de viscosidad del aceite, se puede utilizar el método de burbuja. Esta prueba generalmente implica medir el tiempo que tarda una burbuja en ascender una distancia específica. Este tiempo de medición puede entonces relacionarse proporcionalmente a la viscosidad del fluido. Otra variación implica medir la resistencia de la sonda a la vibración.
Tipos de viscosímetros
Aunque existen varios métodos para determinar la viscosidad, la mayoría de los viscosímetros se venden comercialmente para adaptarse mejor al uso previsto. A continuación se muestra una lista de estas categorías de viscosímetros.
Viscosímetro portátil
Como sugiere el nombre, los viscosímetros portátiles son adecuados para su uso en cualquier lugar donde un entorno de laboratorio no sea práctico. En muchas aplicaciones de campo y de campo, los viscosímetros necesitan proporcionar lecturas de viscosidad rápidas y aproximadas, a menudo para justificar análisis adicionales.
Viscosímetro de campo pequeño
Para obtener lecturas de viscosidad más precisas, los viscosímetros de campo pequeños son adecuados para entornos de laboratorio, pero son asequibles. Dichos viscosímetros incluyen la variedad de tubo en U o el viscosímetro Brookfield.
Viscosímetro de servicio completo
Para obtener la mayor precisión en las pruebas de viscosidad, se debe utilizar un viscosímetro de servicio completo. Estos dispositivos suelen ser capaces de probar automáticamente la viscosidad cinemática y absoluta en un amplio rango de temperaturas y proporcionar cálculos de densidad y gravedad específica. Un desafío común que enfrentan los laboratorios de análisis de aceite que requieren múltiples pruebas en muestras es la capacidad de realizar estas pruebas con la menor cantidad de muestras posible.
Algunos de los viscosímetros de servicio completo más sofisticados pueden realizar mediciones precisas con volúmenes de muestra inferiores a 0.1 ml, con una repetibilidad dentro del 0.1%. En grandes laboratorios que analizan cientos de muestras por día, esta es una ventaja necesaria de un viscosímetro de servicio completo.
Viscosímetro en línea/en línea
Si bien la mayoría de las pruebas de viscosidad del aceite se realizan después de obtener una muestra contenida, algunos viscosímetros pueden proporcionar lecturas continuas de viscosidad en líneas de flujo activas. Esto generalmente se hace con sensores o transductores, ya sea directamente en línea (parte de la tubería) o en línea (flujo de derivación o sensor). Se toma una medición de la viscosidad y luego se envía como una señal electrónica a una computadora u otro dispositivo de monitoreo.
Factores que afectan la medición de la viscosidad.
Aunque la viscosidad de un fluido parece fácil de analizar, realizar mediciones precisas de dichos fluidos puede ser una tarea difícil. Para que una medición sea válida, se deben conocer y mantener constantes varios factores, entre ellos:
temperatura
En términos de importancia, la relación entre temperatura y viscosidad es como la relación entre viscosidad y aceite base. La única responsabilidad del baño de control de temperatura es garantizar que todo el experimento de medición de la viscosidad se mantenga a una temperatura precisa (generalmente 40 o 100 grados Celsius) y dentro de 0,02 grados Celsius. Controlar el baño hasta este punto puede ser un desafío, razón por la cual los viscosímetros más sofisticados incluyen un sistema de baño con temperatura controlada como parte de la unidad.
vidrio viscosímetro
La precisión de un viscosímetro capilar depende no sólo de la temperatura, sino también del diámetro interior preciso del tubo. Por esta razón, estos tubos de vidrio están hechos de vidrio de borosilicato de baja expansión completamente recocido y, a menudo, vienen con una constante de viscosímetro asociada al tubo como factor de corrección. Es una práctica común recalibrar las constantes del viscosímetro anualmente en función de las temperaturas a las que se utilizará, para garantizar el menor error posible.
Tamaño del viscosímetro
Los tamaños de los viscosímetros varían debido a la amplia gama de viscosidades que se pueden probar. Se recomienda que el viscosímetro tarde al menos 200 segundos (para mediciones manuales con cronómetro) en pasar el fluido de prueba de un punto marcado a otro para evitar errores humanos.
Enjuague entre mediciones
Otro factor importante de prueba del viscosímetro es la calidad del lavado dentro del tubo entre mediciones. Normalmente, se utiliza una variedad de solventes libres de residuos para las etapas de limpieza, enjuague y secado. En laboratorios que procesan muestras continuamente en viscosímetros de gran volumen, un sistema de limpieza incorporado garantiza la eficiencia de la limpieza. Aún así, es necesaria una inspección visual para determinar si es necesario un segundo ciclo de lavado, especialmente con aceite usado.
Otros factores importantes que pueden afectar las mediciones de viscosidad incluyen el método y la precisión del dispositivo de sincronización, el manejo adecuado de la muestra y un control de calidad continuo y profundo.
A lo largo de los años, la medición de la viscosidad ha evolucionado con varios estilos y métodos. Para crédito de ASTM y la Organización Internacional de Normalización (ISO), también se han desarrollado métodos de prueba, procedimientos, calibración, limpieza y otros factores de viscosímetros para garantizar la precisión y coherencia entre diferentes viscosímetros.
Después de todo, la viscosidad es la propiedad física más importante de un aceite base, y los esfuerzos por medir la viscosidad mediante métodos cuidadosos y estándares estrictos pueden equivaler a una lubricación más confiable de la máquina y, en última instancia, a una vida útil más larga de la máquina.
