أجهزة قياس اللزوجة: الأنواع وآليات العمل

أجهزة قياس اللزوجة: الأنواع وآليات العمل

جهاز قياس اللزوجة، والمعروف علمياً باسم الفيسكوميتر (Viscometer)، هو أداة مخبرية وصناعية متخصصة تُستخدم لتحديد درجة لزوجة الموائع (السوائل والغازات). تُعد اللزوجة مقياساً للمقاومة الداخلية للمائع تجاه التدفق أو التشوه، وهي خاصية فيزيائية حاسمة في العديد من التطبيقات الهندسية والكيميائية.

الفرق بين الفيسكوميتر والريومتر

من الناحية التقنية، يقيس الفيسكوميتر اللزوجة الثابتة، وهي اللزوجة التي لا تتغير بتغير ظروف التدفق. أما بالنسبة للموائع التي تتغير لزوجتها بناءً على معدل القص أو ظروف التدفق (مثل الموائع غير النيوتونية)، فيُستخدم جهاز يُسمى الريومتر (Rheometer). وبناءً على ذلك، يمكن اعتبار الريومتر نوعاً متطوراً وخاصاً من أجهزة قياس اللزوجة، حيث يقيس خصائص التدفق والتشوه بشكل أكثر تفصيلاً.

مبادئ القياس العامة

تعتمد معظم أجهزة قياس اللزوجة على مبدأ أساسي وهو قياس قوة السحب (Drag) الناتجة عن الحركة النسبية بين المائع وسطح ما. يتم ذلك إما عن طريق تحريك جسم داخل مائع ساكن، أو جعل المائع يتدفق حول جسم ساكن. لضمان دقة القياس، يجب أن تكون ظروف التدفق ضمن نطاق رقم رينولدز (Reynolds number) المنخفض لضمان حدوث تدفق صفائحي (Laminar flow) وليس تدفقاً مضطرباً.

على سبيل المثال، تُستخدم لزوجة الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية (اللزوجة الديناميكية ≈ 1.0038 ميلي باسكال.ثانية، واللزوجة الكينماتيكية ≈ 1.0022 ملم²/ثانية) كمعيار لمعايرة العديد من أنواع أجهزة قياس اللزوجة.

أنواع أجهزة قياس اللزوجة المختبرية

1. مقاييس اللزوجة الشعرية (U-tube Viscometers)

تُعرف هذه الأجهزة أيضاً بمقاييس لزوجة أوزوالد (Ostwald viscometers) أو مقاييس اللزوجة الزجاجية الشعرية. ومن أشهر أنواعها مقياس أوبيلوهد (Ubbelohde)، الذي يتكون من أنبوب زجاجي على شكل حرف U يُثبت عمودياً في حمام مائي للتحكم في درجة الحرارة.

تعتمد آلية العمل على سحب السائل إلى كرة علوية، ثم تركه يتدفق عبر أنبوب شعري ضيق إلى كرة سفلية. يتم قياس الزمن الذي يستغرقه السائل للمرور بين علامتين محددتين، ويكون هذا الزمن متناسباً طردياً مع اللزوجة الكينماتيكية للمائع. يتم حساب اللزوجة بضرب الزمن المستغرق في معامل تحويل خاص بالجهاز.

تُصنف هذه الأجهزة إلى:

• أجهزة التدفق المباشر: حيث يكون الخزان أسفل العلامات.
• أجهزة التدفق العكسي: حيث يكون الخزان فوق العلامات، وهو تصميم مفيد عند قياس السوائل المعتمة أو الملونة التي قد تغطي العلامات وتعيق الرؤية.

2. مقاييس اللزوجة بالكرة الساقطة (Falling-sphere Viscometers)

يعتمد هذا النوع من الأجهزة على قانون ستوكس (Stokes' law). في هذا الجهاز، يوضع المائع في أنبوب زجاجي عمودي، وتُسقط كرة ذات حجم وكثافة معلومين داخل المائع.

عندما تصل الكرة إلى السرعة النهائية (Terminal velocity)، يتم قياس الزمن الذي تستغرقه الكرة للمرور بين نقطتين محددتين. باستخدام هذه السرعة، ومعرفة قطر الكرة وكثافتها وكثافة المائع، يمكن حساب اللزوجة بدقة.

اشتق جورج غابرييل ستوكس في عام 1851 تعبيراً لقوة الاحتكاك المؤثرة على الأجسام الكروية الصغيرة جداً التي تتحرك في مائع لزج، وهو ما يظهر في الصيغة الرياضية التالية:

تصل الكرة إلى السرعة النهائية عندما تتوازن قوة الاحتكاك وقوة الطفو مع قوة الجاذبية، وهو ما يتم التعبير عنه بالمعادلة التالية: