유체 점도를 측정하는 6가지 방법

점도는 코팅, 페인트 및 접착제와 같은 산업용 유체의 가장 필수적인 물리적 특성 중 하나입니다.

기본적으로 점도는 전단 또는 인장 응력에 의한 변형에 대한 유체의 저항을 나타냅니다. 다시 말해, 이 속성은 서로 다른 속도로 움직이는 유체 층 사이의 반대 상대 운동을 일으키는 유체 분자 사이의 마찰을 설명합니다. 점도는 적용된 힘이나 자체 무게 하에서 유체가 어떻게 거동하는지에 대한 단서가 될 수 있습니다.

유체의 점성이 높을수록 "더 두꺼워" 보입니다. 예를 들어, 기름이나 그리스는 물보다 점도가 높기 때문에 더 두껍게 보입니다.

오일, 코팅, 페인트 및 접착제 제조업체는 종종 특정 용도에 대한 제품의 최적 점도를 결정해야 합니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 코팅에 대한 서비스 요구사항 및 환경적 요인 .)

저점도 유체는 더 쉽게 흐르는 경향이 있습니다. 따라서 점도가 너무 낮은 코팅을 사용하면 런닝 및 처짐이 발생할 수 있습니다. 반면에 점도가 너무 높은 코팅은 "경직"하여 적용하기 어려울 수 있습니다.

이 기사에서는 동적 점도와 운동학적 점도의 차이점과 다양한 측정 방법을 살펴보겠습니다.

동적 점도

절대 점도라고도 하는 동적 점도는 적용된 외력으로 인한 전단 흐름에 대한 유체의 저항입니다. 유체의 한 층이 수평면에서 다른 층 위로 이동할 때 제공되는 내부 저항의 양을 설명합니다.

동적 점도는 비뉴턴 유체를 설명할 때 특히 유용합니다.

수학적으로 동적 점도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

μ =τ dy / dc =τ/γ

어디에:

• τ =유체의 전단 응력(N/m ² ).
• μ =유체의 동적 점도(N s/m ² ).
• dc =단위 속도(m/s).
• dy =레이어 간 단위 거리(m).
• γ =dc / dy =전단율(s ^-1 ).

동적 점도의 SI 단위는 N s/m ² 입니다. 또는 파스칼 초(Pa s). 동점도의 또 다른 측정 단위는 포아즈(p)입니다. 여기서 1포아즈는 1/10 N s/m ² 입니다. 또는 1/10 Pa s.

포이즈 단위는 때때로 실용적인 목적을 위해 너무 클 수 있습니다. 이러한 이유로 센티푸아즈(cP) 단위를 대신 사용하는 경우가 많습니다. 센티푸아즈 단위에서 1cP는 0.01P, 0.001N s/m ² 와 같습니다. 또는 0.001 Pa s.

운동학적 점도

동점도는 단순히 유체 밀도에 대한 동적 점도의 비율입니다. 중력의 영향을 받는 전단 흐름, 즉 유체 자체 무게로 인한 전단 흐름에 대한 유체의 저항을 반영합니다.

이 점도는 뉴턴 유체를 설명하는 데 특히 유용합니다. 수학적으로, 동점도는 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

ν =μ / ρ

어디에:

• ν =동점도(m ² /s).
• μ =절대 또는 동적 점도(N s/m ² ).
• ρ =밀도(kg/m ³ ).

동적 점도의 SI 단위는 m ² 입니다. /에스. 이 속성의 또 다른 측정 단위는 Stoke(St)입니다. 여기서 St는 10 ^-4 입니다. m ² /s는 1cm와 같습니다. ² /s.

스토크의 점도 값이 너무 큰 경우 더 작은 단위 센티스토크(cSt)가 대신 사용되는 경우가 많습니다. 센티스토크에서 1 cSt는 10 ^-6 입니다. m ² /s =1mm ² /s.

점도는 어떻게 측정합니까?

동적 점도와 동점도를 모두 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

1. 점도 컵

점도 컵은 유체의 동점도를 결정하는 데 사용되며 일반적으로 스테인리스강 오리피스가 있는 양극 산화 알루미늄으로 만들어집니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 알루미늄 부식 이해 .)

이 비교적 간단한 테스트에는 바닥에 작은 구멍이 있는 용기에 유체를 넣는 것이 포함됩니다. 유체는 정확한 양으로 개구부를 통해 흐를 수 있습니다. 유체가 개구부를 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하고 주어진 컵에 대해 제공된 차트를 사용하여 점도와 상호 연관시킵니다.

점도 컵은 일반적으로 페인트, 바니시 및 유사 제품의 일관성을 측정하는 데 사용됩니다. 그런 다음 표를 사용하여 유출 시간(초)을 센티스토크(cSt) 단위의 점도로 변환합니다.

Ford 및 Zahn 컵은 가장 일반적으로 사용되는 점도 컵 종류입니다. 각 컵 디자인은 독특합니다. 따라서 서로 다른 컵 유형 간의 점도 값을 비교할 때 주의를 기울여야 합니다. 점도 컵이 제공하는 값은 절대값이며 허용 오차를 포함하지 않습니다. 이는 각 표준마다 상당히 다르기 때문입니다.

2. 진동 점도계

진동 점도계는 진동하는 전자 기계 공진기를 테스트 유체에 담그고 유체가 제공하는 감쇠 정도를 측정하여 작동합니다. 공진기는 일반적으로 비틀림 또는 가로로 진동하며 감쇠는 다음과 같이 결정될 수 있습니다.

• 기기를 일정한 진폭으로 진동시키는 데 필요한 전원 입력을 기록합니다.
• 진동이 꺼진 후 진동의 시간 감쇠를 측정합니다.
• 변하는 위상각에 대한 공진기의 주파수 측정.

석영 점도계는 진동 점도계의 한 예입니다. 이 방법을 사용하면 진동하는 수정을 유체에 담그고 진동 거동에 대한 특정 영향이 점도를 정의합니다. 발진기에 적용된 전기장은 센서를 움직이게 하고 유체 전단을 초래합니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 매몰된 금속 구조물의 부식 및 전기적 간섭 .)

센서의 움직임은 유체의 외부 힘(전단 응력)의 영향을 받아 센서의 전기적 응답에 영향을 미칩니다.

3. 회전 점도계

회전 점도계는 테스트 유체에서 물체를 회전시키는 데 필요한 토크를 측정하여 작동합니다. 다음은 프로세스가 진행되는 방식입니다.

1. 표면 중 하나는 고정되어 있습니다.
2. 결합 표면은 외부 드라이브에 의해 회전됩니다.
3. 액체는 표면 사이의 공간을 채웁니다. 디스크나 밥을 미리 정해진 속도로 회전시키는 데 필요한 토크를 측정하여 기록합니다.

설정 속도를 유지하는 토크는 점도에 정비례합니다. 따라서 장치는 점도, 전단 응력 및 전단 속도 값을 출력할 수 있습니다. 액체에 외부 전단력이 가해지기 때문에 회전 점도계는 유체의 동적 점도를 측정합니다.

컵, 밥, 콘 및 플레이트는 모든 유형의 회전 점도계입니다. 컵 및 밥 점도계는 직경이 다른 동축 실린더로 구성됩니다. 전단될 샘플의 부피는 테스트 셀 내에 저장됩니다. 특정 회전 속도를 달성하는 데 필요한 토크를 측정하고 플롯합니다.

콘 및 플레이트 점도계에는 개별 회전 속도로 구동되는 정밀한 토크 미터가 있습니다. 평판에 가까운 좁은 각도의 콘을 사용합니다. 점도는 전단 응력과 전단 속도에서 계산됩니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 재료의 전단 거동에 대한 부식의 영향 .)

4. 모세관 점도계

모세관 점도계는 유체 점도를 측정하는 최초의 알려진 방법 중 하나입니다.

이 방법은 정의된 부피의 유체가 알려진 직경과 길이의 U자형 모세관을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 튜브에는 일반적으로 측정 기준으로 사용되는 두 개의 표시(상단 및 하단 표시)가 있습니다. 유체가 이 표시를 지나 흐르는 데 걸리는 시간은 동점도에 비례합니다. 따라서 점도는 표준 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다.

모세관 점도계에는 Ostwald 및 Ubbelohde 점도계가 있습니다. 둘 다 U자형 기구이며 두 개의 유리 전구가 있고 모세관을 사용합니다. (유리가 부식을 방지하는 방법에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 내부 부식 방지를 위한 부식 방지 라이닝 살펴보기 .)

그러나 Ubbelohde 점도계의 한 가지 주요 이점은 얻은 값이 사용된 액체의 총 부피와 무관하다는 것입니다. Ostwald와 Ubbelohde 점도계의 주요 차이점은 Ostwald 점도계는 저점도에서 중간 점도의 액체를 측정하는 데 적합하고 Ubbelohde 점도계는 고점도 액체를 측정하는 데 적합하다는 것입니다.

5. 떨어지는 구체 점도계

낙하구 점도계는 투명한 뉴턴 유체의 동적 점도를 결정하는 데 사용됩니다.

이 개념은 밀도가 알려진 구체가 중력 하에서 샘플이 채워진 튜브를 통해 떨어지는 데 걸리는 시간을 측정하는 것과 관련됩니다. 튜브는 일반적으로 반복 테스트를 허용하기 위해 180도 빠르게 회전할 수 있는 장치에 장착됩니다. 3회 테스트의 평균 시간을 기록하고 변환 공식에 사용하여 샘플의 점도를 결정합니다.

Falling sphere 점도계는 과학적인 방법을 설명하기 위해 학술 기관뿐만 아니라 다양한 산업 분야의 품질 관리에 사용됩니다. 사용하기 쉽고 시간 측정을 기록하는 간단한 방법은 의미 있는 테스트 결과를 보장합니다.

6. 일관성계

구성계는 스프링이 장착된 게이트 뒤에 막힌 작은 부분이 있는 금속 홈통으로 구성된 장치입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

1. 테스트할 샘플은 스프링이 장착된 게이트 뒤에 배치됩니다.
2. 게이트가 들어올려져 샘플이 자체 무게로 자유롭게 흐를 수 있습니다.
3. 특정 시간에 액체가 흐르는 거리는 장치의 계조를 통해 측정됩니다.

농도계 자체는 점도 값을 직접 측정하지 않습니다. 대신 사용자가 테스트 중인 제품에 고유한 표준을 개발할 수 있습니다. 이 방법은 식품 산업에서 더 많이 사용되며 일반적으로 케첩, 마요네즈, 보존 식품, 충전재, 수프, 이유식 및 샐러드 드레싱과 같은 제품의 점도를 측정하는 데 사용됩니다. (식품 산업에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 알루미늄 및 그 합금의 부식 특성 .)

점도에 영향을 미치는 요소

유체 점도가 좌우하는 다양한 요인이 있습니다. 다음은 다음과 같습니다.

• 유체 온도. 일반적으로 액체의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 그러나 가스의 점도는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 증가합니다.
• 흐름 조건. 층류의 경우 액체의 점도는 일정하게 유지됩니다. 난류의 경우 점도가 변경됩니다.
• 압박 압력이 증가하면 일반적으로 가스의 점도가 증가합니다. 액체의 경우 비압축성이므로 압력이 큰 영향을 미치지 않습니다.
• 다상 흐름. 다상 유동의 점도는 각 상의 부피에 따라 변합니다.
• 중단된 입자. 부유 물질은 점도를 증가시킵니다.
  
  

뉴턴의 점도 법칙

유체의 전단 응력과 기계적 응력 하에서의 전단 속도 사이의 관계는 뉴턴의 점도 법칙에 의해 결정됩니다.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

결론

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.