Viskositeetti-indeksin mittaaminen sylinterigeometrian rotaatioviskometreillä
Ranta-Ojala, Otto (2022)
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-09-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202208296766
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202208296766
Tiivistelmä
Viskositeetin mittaamisella on useita käyttökohteita kaikissa virtauksiin liittyvissä sovelluksissa. Etenkin voiteluöljyjen tapauksessa viskositeetilla on suuri merkitys, sillä viskositeetti vaikuttaa merkittävästi voiteluominaisuuksiin. Lämpötilan muutos voi kuitenkin muuttaa viskositeettia moninkertaisesti, joten mittauksissa on usein tarkasteltava myös lämpötilan vaikutusta. Viskositeetin lämpötilariippuvuutta voidaan esittää erilaisten lämpötilasovitteiden avulla, mutta voiteluöljyjen tapauksessa yleisessä käytössä on myös niin sanottu viskositeetti-indeksi.
Tässä työssä tarkastellaan, kuinka ASTM D2270- ja ISO 2909 -standardien määrittelemä viskositeetti-indeksi voidaan mitata sylinterigeometriaan pohjautuvilla rotaatioviskometreillä. Tarkastelun kohteina ovat rotaatioviskometrien toimintaperiaatteen lisäksi kaikki oleellisimmat mittauksen osa-alueet, laitteistot, suureiden mittausmenetelmät sekä mahdolliset virhetekijät. Viskositeetti-indeksin määrittämiseksi tarkasteltavan voiteluöljyn tiheys ja dynaaminen viskositeetti on mitattava lämpötilariippuvaisesti. Lukuarvot voidaan esittää toistensa suhdelukuna eli kinemaattisena viskositeettina jakamalla dynaaminen viskositeetti tiheydellä. Kun tarkasteltavan voiteluöljyn kinemaattinen viskositeetti tunnetaan sekä 40 °C:ssa että 100 °C:ssa, viskositeettiindeksi voidaan laskea kinemaattisten viskositeettien avulla. Saatu suure on dimensioton esitysmuoto lämpötilariippuvuudesta siten, että suurempi indeksi tarkoittaa lämpötilan vaikuttavan viskositeettiin vähemmän.
Työssä tarkastellaan toisin sanoen, kuinka tiheys ja dynaaminen viskositeetti voidaan mitata sekä 40 °C:ssa että 100 °C:ssa. Dynaamisen viskositeetin mittausmenetelmäksi valittiin sylinterigeometriaan pohjautuva rotaatioviskometri. Menetelmä perustuu kahteen erikokoiseen sisäkkäiseen sylinteriin. Kun sisempää tai ulompaa sylinteriä pyöritetään, sylinterien välissä olevan fluidin dynaaminen viskositeetti voidaan johtaa kierrostaajuudesta ja vääntömomentista. Viskositeetti-indeksin mittausvirhettä arvioidaan lopuksi käytännöllisestä näkökulmasta arvioimalla kokonaismittausvirheitä kaupallisten viskometrien avulla. Kokonaismittausvirheet koostuvat pääosin vääntömomentin, tiheyden ja lämpötilan mittaustarkkuuksista. Tuloksilla havaitaan, miten pienikin mittausvirhe saattaa heikentää viskositeetti-indeksin tarkkuutta mittausvirheeseen nähden moninkertaisesti. Indeksin suhteellisen tarkkuuden huomataan tosin paranevan kinemaattisen viskositeetin ja viskositeetti-indeksin kasvaessa. Korkeilla kinemaattisilla viskositeeteilla viskositeetti-indeksin suhteellinen virhe on alle kokonaismittausvirheen.
Työ on yleiskatsaus yhteen rotaatioviskometrien käytännön sovellukseen. Vaikka työn painotus on voiteluöljyjen viskositeettiskaalassa ja viskositeetti-indeksin määrittämisessä, käsiteltyjä osa-alueita voidaan soveltaa useimmissa viskositeettimittauksissa.
Tässä työssä tarkastellaan, kuinka ASTM D2270- ja ISO 2909 -standardien määrittelemä viskositeetti-indeksi voidaan mitata sylinterigeometriaan pohjautuvilla rotaatioviskometreillä. Tarkastelun kohteina ovat rotaatioviskometrien toimintaperiaatteen lisäksi kaikki oleellisimmat mittauksen osa-alueet, laitteistot, suureiden mittausmenetelmät sekä mahdolliset virhetekijät. Viskositeetti-indeksin määrittämiseksi tarkasteltavan voiteluöljyn tiheys ja dynaaminen viskositeetti on mitattava lämpötilariippuvaisesti. Lukuarvot voidaan esittää toistensa suhdelukuna eli kinemaattisena viskositeettina jakamalla dynaaminen viskositeetti tiheydellä. Kun tarkasteltavan voiteluöljyn kinemaattinen viskositeetti tunnetaan sekä 40 °C:ssa että 100 °C:ssa, viskositeettiindeksi voidaan laskea kinemaattisten viskositeettien avulla. Saatu suure on dimensioton esitysmuoto lämpötilariippuvuudesta siten, että suurempi indeksi tarkoittaa lämpötilan vaikuttavan viskositeettiin vähemmän.
Työssä tarkastellaan toisin sanoen, kuinka tiheys ja dynaaminen viskositeetti voidaan mitata sekä 40 °C:ssa että 100 °C:ssa. Dynaamisen viskositeetin mittausmenetelmäksi valittiin sylinterigeometriaan pohjautuva rotaatioviskometri. Menetelmä perustuu kahteen erikokoiseen sisäkkäiseen sylinteriin. Kun sisempää tai ulompaa sylinteriä pyöritetään, sylinterien välissä olevan fluidin dynaaminen viskositeetti voidaan johtaa kierrostaajuudesta ja vääntömomentista. Viskositeetti-indeksin mittausvirhettä arvioidaan lopuksi käytännöllisestä näkökulmasta arvioimalla kokonaismittausvirheitä kaupallisten viskometrien avulla. Kokonaismittausvirheet koostuvat pääosin vääntömomentin, tiheyden ja lämpötilan mittaustarkkuuksista. Tuloksilla havaitaan, miten pienikin mittausvirhe saattaa heikentää viskositeetti-indeksin tarkkuutta mittausvirheeseen nähden moninkertaisesti. Indeksin suhteellisen tarkkuuden huomataan tosin paranevan kinemaattisen viskositeetin ja viskositeetti-indeksin kasvaessa. Korkeilla kinemaattisilla viskositeeteilla viskositeetti-indeksin suhteellinen virhe on alle kokonaismittausvirheen.
Työ on yleiskatsaus yhteen rotaatioviskometrien käytännön sovellukseen. Vaikka työn painotus on voiteluöljyjen viskositeettiskaalassa ja viskositeetti-indeksin määrittämisessä, käsiteltyjä osa-alueita voidaan soveltaa useimmissa viskositeettimittauksissa.