Что такое условная вязкость и откуда она взялась
Условная вязкость — историческая шкала, которая возникла раньше, чем в лабораториях появились удобные приборы для динамической и кинематической вязкости. Идея проста: не вычислять напряжение сдвига и градиент скорости, а замерить, сколько секунд жидкость вытекает из сосуда определённой формы, и сравнить с водой. Прибор не требует расчёта сил и знания плотности пробы: достаточно секундомера и поддержания температуры.
Поэтому условную вязкость до сих пор применяют там, где нужно быстро сравнить партии продукта между собой или с требованием спецификации: тёмные нефтепродукты, мазуты, смазочные композиции, лаки, пропиточные составы. Результат записывают как число градусов ВУ при указанной температуре — без температуры цифра теряет смысл, потому что вязкость тяжёлых жидкостей резко падает при нагреве.
В разных странах шкалы условной вязкости привязаны к разным приборам. Градусы Энглера (°ВУ) используют в России и ряде европейских стран, секунды по Сейболту — в США, секунды по Редвуду — в Великобритании. Эти шкалы не взаимозаменяемы, и сравнивать числа можно только внутри одной шкалы или после пересчёта. Прибор для Сейболта в нашем каталоге представлен серией ВИС-УВС; об устройстве вискозиметра Энглера — ниже.
Условная вязкость безразмерна: это отношение двух времён. Поэтому «ВУ при 50 °C» и «ВУ при 80 °C» — две разные характеристики одной жидкости, и сравнивать их друг с другом нельзя.
Вискозиметр Энглера: устройство и принцип работы
Вискозиметр Энглера состоит из трёх основных частей: внутреннего сосуда с калиброванным отверстием, наружной водяной или масляной бани и мерной колбы, в которую стекает жидкость. Внутренний сосуд закрывается крышкой с гнездом для термометра и стержня-затвора. Отверстие в днище выполнено в виде короткого платинового или латунного капилляра — его размеры задают шкалу прибора.
Рис. 1. Вискозиметр Энглера: внутренний сосуд, термостатирующая баня и мерная колба
Термостатирование пробы
Испытание проводят при заданной температуре, которую указывает методика на конкретный продукт: для мазутов это обычно 50, 80 или 100 °C, для более лёгких жидкостей — 20 °C. Температуру в бане удерживают нагревателем и контролируют по термометру во внутреннем сосуде. Колебания температуры сильнее всего влияют на результат тяжёлых жидкостей, поэтому точность поддержания — важный параметр прибора. Прибор КАДАММ КАДАММ ВИС-УВЭ работает в диапазоне температуры 0–100 °C с точностью поддержания ±0,2 °C. Если вам нужна внешняя баня или охлаждение для испытаний при низкой температуре, подберите циркуляционное оборудование в разделе жидкостные термостаты.
Мерная колба и затвор
Жидкость вытекает в мерную колбу объёмом 200 мл. В приборе КАДАММ ВИС-УВЭ объём колбы составляет 200 мл с допуском ±0,2 мл. Время отсчитывают от момента открытия затвора до достижения метки 200 мл. Допуск на объём колбы влияет на результат прямо: ошибка в объёме превращается в ошибку времени.
Порядок испытания
Сначала прибор промывают растворителем и просушивают, затем заливают пробу выше уровня указателей, выдерживают до выравнивания температуры, проверяют отсутствие воздушных пузырей. После этого открывают затвор и включают секундомер. По достижении метки 200 мл время фиксируют. Чтобы результат был сопоставимым, испытание повторяют и берут среднее по сходящимся значениям. Конкретные допуски на расхождение задаёт методика на продукт: сверяйтесь с действующим документом вашей лаборатории, а не с общим описанием.
Градусы ВУ и водное число прибора
Градусы ВУ вычисляют как отношение времени истечения пробы к водному числу прибора:
ВУ = τпробы / τводы, где τпробы — время истечения 200 мл испытуемой жидкости при заданной температуре, а τводы — водное число прибора, то есть время истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 °C.
Для приборов, изготовленных по стандартным размерам, водное число находится около 50 секунд. На практике у каждого экземпляра оно слегка отличается из-за допусков на размеры отверстия, поэтому его определяют отдельно для каждого вискозиметра и записывают в паспорт. Водное число не берут «из справочника»: именно оно превращает секунды конкретного прибора в градусы, которые можно сравнивать между лабораториями.
Как определяют водное число
Прибор заполняют дистиллированной водой при 20 °C, выдерживают до выравнивания температуры и замеряют время истечения 200 мл несколько раз. Среднее значение — водное число. Если оно выходит за пределы, установленные методикой, прибор считается неисправным: чаще всего причиной служит загрязнение или повреждение отверстия. Проверку водного числа повторяют после чистки и после замены деталей, а также по графику, принятому в лаборатории. О том, как строится общая система поверки и калибровки вязкостных приборов, рассказано в статье «Поверка и калибровка вискозиметра».
Пример расчёта
Пусть водное число прибора 51 с, а мазут при заданной температуре вытекает за 255 с. Тогда ВУ = 255 / 51 = 5,0 градуса. Если бы по ошибке принять водное число равным 50 с, получилось бы 5,1: расхождение небольшое, но оно систематическое и зависит от прибора, а в спецификациях на продукты допуски бывают узкими.
Запись результата всегда включает температуру: «5,0 °ВУ при 50 °C». Если ВУ определено при другой температуре, чем указано в требованиях к продукту, цифры сравнивать нельзя.
Пересчёт условной вязкости в кинематическую
Пересчёт условной вязкости в кинематическую нужен, когда в спецификации или в расчёте гидравлики (насосы, трубопроводы, форсунки) требуется вязкость в единицах мм²/с, а лаборатория измерила её по Энглеру. Кинематическая вязкость — это динамическая вязкость, делённая на плотность; 1 сСт равен 1 мм²/с. Подробнее о соотношении единиц — в статье «Единицы вязкости: мПа·с, сантипуаз, пуаз, стокс, °ВУ и перевод».
Самая распространённая эмпирическая формула, известная как формула Убеллоде, для кинематической вязкости ν в сСт через градусы ВУ имеет вид:
ν = 7,31 · ВУ − 6,31 / ВУ
Формула даёт удовлетворительный результат в средней части шкалы. Для малых значений (ВУ около 1–2) вклад второго слагаемого становится большим, и погрешность растёт. Для очень вязких жидкостей используют упрощённое линейное соотношение, при котором ν пропорциональна ВУ с постоянным коэффициентом; его значение зависит от справочника, поэтому берите коэффициент из документа вашей методики. Для практического удобства в нормативных справочниках приводят таблицы перевода, в которых каждому значению ВУ поставлено в соответствие значение ν.
Что нужно знать про точность пересчёта
Любой пересчёт — приближение. Условная вязкость определяется формой потока в коротком отверстии, где значительную роль играют инерционные потери, а не только внутреннее трение. Кинематическая вязкость по капиллярному методу определяется в длинном капилляре в ламинарном режиме. Поэтому две величины связаны не строго, а эмпирически, и связь зависит от диапазона. Пересчитанное значение следует считать оценкой и не использовать там, где требуется результат, нормируемый как кинематическая вязкость.
Как получить динамическую вязкость
Если нужна динамическая вязкость в мПа·с, кинематическую вязкость умножают на плотность жидкости при той же температуре. Плотность тяжёлого нефтепродукта нужно измерять отдельно: ориентироваться на справочное значение для «типичного мазута» не стоит. Подробнее о связи динамической и кинематической вязкости — в статье «Измерение вязкости: методы, динамическая и кинематическая вязкость».
Ограничения метода и типичные ошибки
Метод Энглера хорош своей простотой, но имеет ограничения, которые важно знать до начала испытаний.
- Только ньютоновские жидкости. У жидкостей, вязкость которых зависит от скорости сдвига (эмульсии, суспензии, полимерные растворы), результат определяется условиями истечения и не характеризует материал полностью. Для таких проб берут ротационный вискозиметр: принцип описан в статье «Как работает ротационный вискозиметр».
- Чувствительность к температуре. Градиент вязкости мазута вблизи 50 °C может быть значительным, поэтому отклонение температуры на десятые доли градуса заметно в результате.
- Загрязнение отверстия. Остатки продукта или механические частицы меняют сечение и водное число. Перед серией измерений водное число проверяют.
- Воздушные пузыри и неровный уровень. Они меняют напор в начале истечения и искажают время.
- Неподходящий диапазон. Очень малые (близкие к воде) и очень большие значения ВУ определяются с большей погрешностью. Для жидкостей, текущих медленнее, чем позволяет шкала прибора, применяют другой метод.
Условная вязкость не заменяет капиллярные методы при нормируемом определении кинематической вязкости. Описание таких испытаний — в статье «Кинематическая вязкость нефтепродуктов по ГОСТ 33 и ASTM D445»; для них предназначены аппараты серии КАДАММ ВИС-КВ. Если же вам нужен индекс вязкости масла, который рассчитывают по двум значениям кинематической вязкости, смотрите «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371».
Какой метод выбрать: Энглер, Сейболт, капилляр или ротационный прибор
Выбор зависит от задачи: нужен ли результат в условных единицах по требованию спецификации, в кинематической вязкости или в мПа·с, ньютоновская ли жидкость, какая температура испытания. В таблице — ориентиры.
| 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 |
Общую картину методов описывает статья «Что такое вискозиметр и какие бывают». Если вы выбираете ротационный вискозиметр взамен вискозиметра условной вязкости, например для битумов и клеёв-расплавов, начните со статьи «Высокотемпературная вязкость: битумы, клеи-расплавы, полимеры» и затем переходите к выбору диапазона и скоростей.
Что учесть при подготовке пробы
Тяжёлые нефтепродукты перед испытанием прогревают и перемешивают до однородности, если это предусмотрено методикой; для перемешивания небольших объёмов подойдут оборудование из раздела лабораторные мешалки. Воду и механические примеси из проб нефти можно предварительно отделить центрифугированием: об этом — в статье «Центрифуга для нефти: вода и механические примеси». Работу с горячими пробами проводят в вытяжном шкафу (вытяжные шкафы).
Подобрать прибор и комплект к нему помогут наши инженеры: сообщите продукт, температуру испытания и методику, по которой нужно получать результат, и мы предложим подходящую серию. Перед выбором уточните и погрешность: для приборов условной вязкости она задаётся методикой и конструкцией, поэтому значение «уточняйте у менеджера» в карточке означает, что цифра зависит от исполнения и комплекта.