เครื่องวัดความหนืด (หรือเรียกว่าเครื่องวัดความหนืด ) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดความหนืดของของเหลวเครื่องวัดความหนืดสามารถวัดความหนืดคงที่ได้เท่านั้น กล่าวคือ ความหนืดที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามสภาวะการไหลสำหรับของเหลวที่มีความหนืดแปรผันตามสภาวะการไหล จะใช้เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่องวัดความหนืดแบบรีโอมีเตอร์ดังนั้น เครื่องวัดความหนืดแบบรีโอมีเตอร์จึงถือได้ว่าเป็นเครื่องวัดความหนืดชนิดพิเศษ^{[ 1 ]}

โดยทั่วไป การไหลจะเกิดขึ้นได้ 3 รูปแบบ คือ ของเหลวอยู่กับที่และวัตถุเคลื่อนที่ผ่าน หรือวัตถุอยู่กับที่และของเหลวเคลื่อนที่ผ่านแรงต้าน ที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างของเหลวและพื้นผิวเป็นตัววัดความหนืด สภาวะการไหลจะต้องมีค่า เลขเรย์โนลด์ต่ำพอสมควรจึงจะเกิดการไหลแบบราบเรียบได้

^{ที่ อุณหภูมิ} 20  °C ความหนืดไดนามิก (ความหนืดจลน์ × ความหนาแน่น) ของน้ำคือ 1.0038 mPa·sและความหนืดจลน์ (ผลคูณของเวลาการไหล × ตัวประกอบ) คือ 1.0022 mm² /s ค่าเหล่านี้ใช้สำหรับการสอบเทียบเครื่องวัดความหนืดบางประเภท   

อุปกรณ์เหล่านี้เรียกอีกอย่างว่า เครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแก้วแคปิลลารี หรือ เครื่องวัดความหนืดแบบออสท์วาลด์ ซึ่ง ตั้งชื่อตามวิลเฮล์ม ออสท์วาลด์อีกแบบหนึ่งคือเครื่องวัดความหนืดแบบอุบเบโลห์เด ซึ่งประกอบด้วยหลอดแก้วรูปตัว U ที่ตั้งตรงในอ่างควบคุมอุณหภูมิ แขนข้างหนึ่งของตัว U มีส่วนที่ตั้งตรงและแคบ (แคปิลลารี) ด้านบนมีกระเปาะ และมีกระเปาะอีกอันอยู่ต่ำลงมาในแขนอีกข้าง ในการใช้งาน ของเหลวจะถูกดูดเข้าไปในกระเปาะด้านบน จากนั้นปล่อยให้ไหลลงผ่านแคปิลลารีไปยังกระเปาะด้านล่าง เครื่องหมายสองจุด (จุดหนึ่งอยู่เหนือและอีกจุดหนึ่งอยู่ใต้กระเปาะด้านบน) แสดงปริมาตรที่ทราบ เวลาที่ระดับของเหลวผ่านระหว่างเครื่องหมายเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับความหนืดจลน์ การสอบเทียบสามารถทำได้โดยใช้ของเหลวที่มีคุณสมบัติที่ทราบ หน่วยเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จะมีตัวแปลงค่าให้มาด้วย

วัดเวลาที่ของเหลวทดสอบไหลผ่านท่อแคปิลลารีที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ทราบค่าและมีค่าตัวประกอบที่แน่นอน ระหว่างจุดที่ทำเครื่องหมายไว้สองจุด โดยการคูณเวลาที่ใช้ด้วยค่าตัวประกอบของเครื่องวัดความหนืด จะได้ค่าความหนืดจลน์

เครื่องวัดความหนืดดังกล่าวสามารถจำแนกได้เป็นแบบไหลตรงและแบบไหลย้อนกลับ เครื่องวัดความหนืดแบบไหลย้อนกลับจะมีอ่างเก็บของเหลวอยู่เหนือขีดบอกระดับ และแบบไหลตรงจะมีอ่างเก็บของเหลวอยู่ต่ำกว่าขีดบอกระดับ การจำแนกประเภทดังกล่าวมีขึ้นเพื่อให้สามารถกำหนดระดับได้แม้ในขณะที่วัดของเหลวขุ่นหรือของเหลวที่ทำให้เกิดคราบ มิฉะนั้นของเหลวจะปกคลุมขีดบอกระดับและทำให้ไม่สามารถวัดเวลาที่ระดับของเหลวผ่านขีดบอกระดับได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้เครื่องวัดความหนืดมีขีดบอกระดับมากกว่า 1 ชุด เพื่อให้สามารถจับเวลาได้ทันทีว่าใช้เวลาเท่าใดจึงจะถึงขีดบอกระดับที่ 3ดังนั้นจึงได้เวลา 2 ค่า และสามารถคำนวณความสามารถในการกำหนดได้ในภายหลังเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ การใช้การจับเวลาสองค่าในเครื่องวัดความหนืดเครื่องเดียวในการวัดครั้งเดียวเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อตัวอย่างที่วัดมีคุณสมบัติแบบนิวตันเท่านั้น มิฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงของแรงดันขับเคลื่อน ซึ่งจะเปลี่ยนอัตราการเฉือน จะทำให้ความหนืดของหลอดทั้งสองแตกต่างกัน

กฎของสโตกส์เป็นพื้นฐานของเครื่องวัดความหนืดแบบลูกบอลตก ซึ่งของเหลวจะอยู่นิ่งในหลอดแก้วแนวตั้ง ลูกบอลที่มีขนาดและความหนาแน่นที่ทราบค่าจะถูกปล่อยให้ตกลงมาผ่านของเหลว หากเลือกได้อย่างถูกต้อง ลูกบอลจะถึงความเร็วปลายซึ่งสามารถวัดได้จากเวลาที่ใช้ในการผ่านเครื่องหมายสองจุดบนหลอด การตรวจจับด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์สามารถใช้ได้กับของเหลวทึบแสง เมื่อทราบความเร็วปลาย ขนาดและความหนาแน่นของลูกบอล และความหนาแน่นของของเหลวแล้ว กฎของสโตกส์สามารถใช้ในการคำนวณความหนืดของของเหลวได้ โดยปกติแล้วในการทดลองแบบคลาสสิกจะใช้ลูกปืนเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันหลายลูกเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการคำนวณ การทดลองในโรงเรียนใช้กลีเซอรอล เป็นของเหลว และเทคนิคนี้ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อตรวจสอบความหนืดของของเหลวที่ใช้ในกระบวนการต่างๆ ซึ่งรวมถึงน้ำมันและ ของเหลวโพลีเมอร์หลายชนิดเช่นสารละลาย

ในปี ค.ศ. 1851 จอร์จ กาเบรียล สโตกส์ได้พัฒนาสูตรสำหรับแรงเสียดทาน (หรือเรียกว่าแรงต้าน ) ที่กระทำต่อวัตถุทรงกลมที่มีเลขเรย์โนลด์ ต่ำมาก (เช่น อนุภาคขนาดเล็กมาก) ในของเหลวหนืด ต่อเนื่อง โดยการเปลี่ยนขีดจำกัดมวลของของเหลวขนาดเล็กของ สมการนาเวียร์-สโตกส์ซึ่งโดยทั่วไปแล้วไม่สามารถหา คำตอบได้ :

${\displaystyle F=6\pi r\eta v,}$

ที่ไหน

${\displaystyle F}$คือแรงเสียดทาน

${\displaystyle r}$คือรัศมีของวัตถุทรงกลม

${\displaystyle \eta }$คือค่าความหนืดของของเหลว

${\displaystyle v}$คือความเร็วของอนุภาค

หากอนุภาคตกลงในของเหลวหนืดด้วยน้ำหนักของตัวเอง ความเร็วปลาย หรือที่เรียกว่าความเร็วการตกตะกอน จะเกิดขึ้นเมื่อแรงเสียดทานรวมกับ แรงลอยตัวสมดุลกับแรง โน้มถ่วงอย่างพอดีความเร็วการตกตะกอน (หรือความเร็วปลาย ) ที่ได้นั้นกำหนดโดยสูตร

${\displaystyle V_{\text{s}}={\frac {2}{9}}{\frac {r^{2}g(\rho _{p}-\rho _{f})}{\mu }},}$

ที่ไหน:

Vsคือความเร็วในการตกตะกอนของอนุภาค (เมตร/วินาที) โดยจะตกตะกอนลงในแนวดิ่งหาก> ρf และหาก ρp < ρf

rคือรัศมีสโตกส์ของอนุภาค (เมตร)

gคือความเร่งโน้มถ่วง (m/ ^s² )

ρpคือความหนาแน่นของอนุภาค (กก.^ลบ.ม. )

ρfคือความหนาแน่นของของเหลว (กก.^ลบ.ม. )

μ คือ ค่าความหนืดของของไหล (แบบไดนามิก) (Pa·s)

โปรดทราบว่า สมมติฐานคือ การไหลแบบสโตกส์ดังนั้นเลขเรย์โนลด์ต้องมีค่าน้อย

ปัจจัยจำกัดความถูกต้องของผลลัพธ์นี้คือความหยาบของพื้นผิวทรงกลมที่ใช้

การปรับปรุงเครื่องวัดความหนืดแบบลูกบอลกลิ้ง ซึ่งเป็นการดัดแปลงจากเครื่องวัดความหนืดแบบลูกบอลกลิ้งตรง จะวัดเวลาการกลิ้งของลูกบอลลงตามทางลาดขณะจุ่มอยู่ในของเหลวทดสอบ สามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยใช้แผ่นรูปตัว V ที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งจะเพิ่มจำนวนรอบต่อระยะทางที่เดินทาง ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กและพกพาสะดวกยิ่งขึ้น การเคลื่อนที่แบบกลิ้งที่ควบคุมได้ของลูกบอลจะช่วยหลีกเลี่ยงการปั่นป่วนในของเหลว ซึ่งจะเกิดขึ้นหากลูกบอลตกลงมา^{[ 2 ]}อุปกรณ์ประเภทนี้ยังเหมาะสำหรับการใช้งานบนเรืออีกด้วย

เครื่องวัดความหนืดชนิดนี้รู้จักกันในชื่อเครื่องวัดความหนืดนอร์ครอส (Norcross viscometer) ตามชื่อของออสติน นอร์ครอส ผู้ประดิษฐ์ หลักการวัดความหนืดในอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ทนทานและละเอียดอ่อนนี้ basé อยู่บนชุดลูกสูบและกระบอกสูบ ลูกสูบจะถูกยกขึ้นเป็นระยะๆ ด้วยกลไกยกด้วยลม ดึงวัสดุที่ต้องการวัดลงมาผ่านช่องว่างระหว่างลูกสูบและผนังของกระบอกสูบเข้าไปในพื้นที่ที่เกิดขึ้นใต้ลูกสูบขณะที่มันถูกยกขึ้น จากนั้นชุดประกอบจะถูกยกขึ้นไว้ประมาณสองสามวินาที แล้วปล่อยให้ตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง ผลักตัวอย่างออกมาทางเดิมที่มันเข้ามา ทำให้เกิดผลกระทบจากการเฉือนต่อของเหลวที่วัด ซึ่งทำให้เครื่องวัดความหนืดนี้มีความไวเป็นพิเศษและเหมาะสำหรับการวัด ของเหลวที่มีคุณสมบัติ ไทโซโทรปิก บางชนิด เวลาที่ตกลงมาเป็นตัววัดความหนืด โดยช่องว่างระหว่างลูกสูบและด้านในของกระบอกสูบเป็นรูวัดตัวควบคุมความหนืดจะวัดเวลาที่ตกลงมา (เวลาที่ตกลงมาเป็นวินาทีคือตัววัดความหนืด) และแสดงค่าความหนืดที่ได้ ตัวควบคุมสามารถปรับเทียบค่าเวลาการตกเป็นหน่วยวินาที (เรียกว่า efflux cup), หน่วยวินาทีสากลของ Saybolt (SUS) หรือหน่วยเซนติพอยส์ได้

การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมเป็นที่นิยมเนื่องจากความเรียบง่าย ความแม่นยำในการวัดซ้ำ การบำรุงรักษาต่ำ และอายุการใช้งานยาวนาน การวัดประเภทนี้ไม่ได้รับผลกระทบจากอัตราการไหลหรือการสั่นสะเทือนภายนอก หลักการทำงานสามารถปรับให้เข้ากับสภาวะต่างๆ ได้มากมาย ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อม การควบคุมกระบวนการผลิต

เครื่องวัดความหนืดแบบแม่เหล็กไฟฟ้า หรือ EMV viscometer นั้น ถูกคิดค้นขึ้นที่บริษัท Cambridge Viscosity (เดิมชื่อ Cambridge Applied Systems)ในปี 1986 เซ็นเซอร์ (ดูรูปด้านล่าง) ประกอบด้วยห้องวัดและลูกสูบที่ได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็ก การวัดจะทำโดยการนำตัวอย่างเข้าไปในห้องวัดที่มีการควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งเป็นที่อยู่ของลูกสูบ จากนั้นวงจรไฟฟ้าจะขับเคลื่อนลูกสูบให้เคลื่อนที่แบบสั่นภายในห้องวัดด้วยสนามแม่เหล็กที่ควบคุมได้ แรงเฉือนจะเกิดขึ้นกับของเหลว (หรือก๊าซ) เนื่องจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบ และความหนืดจะถูกกำหนดโดยการวัดเวลาการเคลื่อนที่ของลูกสูบ พารามิเตอร์การสร้าง เช่น ระยะห่างระหว่างลูกสูบและห้องวัด ความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และระยะทางการเคลื่อนที่ของลูกสูบ จะถูกนำมาใช้ในการคำนวณความหนืดตามกฎความหนืดของนิวตัน

เทคโนโลยีเครื่องวัดความหนืดแบบลูกสูบสั่นได้รับการดัดแปลงเพื่อใช้ในการทดสอบความหนืดของตัวอย่างขนาดเล็กและตัวอย่างขนาดไมโครในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้ยังได้รับการดัดแปลงเพื่อใช้ในการวัดความหนืดที่ความดันสูงและอุณหภูมิสูงทั้งในห้องปฏิบัติการและในกระบวนการผลิต เซ็นเซอร์วัดความหนืดได้รับการปรับขนาดให้เหมาะสมกับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย เช่น เครื่องวัดความหนืดขนาดเล็กสำหรับใช้ในคอมเพรสเซอร์และเครื่องยนต์ เครื่องวัดความหนืดแบบไหลผ่านสำหรับกระบวนการเคลือบแบบจุ่ม เครื่องวัดความหนืดแบบติดตั้งในสายการผลิตสำหรับใช้ในโรงกลั่น และการใช้งานอื่นๆ อีกหลายร้อยประเภท การปรับปรุงความไวจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่กำลังกระตุ้นให้เครื่องวัดความหนืดแบบลูกสูบสั่นได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในห้องปฏิบัติการทางวิชาการที่ศึกษาความหนืดของก๊าซ

เครื่องวัดความหนืดแบบสั่นสะเทือนมีมาตั้งแต่เครื่องมือ Bendix ในช่วงทศวรรษ 1950 ซึ่งจัดอยู่ในประเภทที่ทำงานโดยการวัดการหน่วงของการสั่นของตัวเรโซเนเตอร์แบบอิเล็กโทรเมคานิกส์ที่จุ่มอยู่ในของเหลวที่มีความหนืดที่ต้องการหาค่า โดยทั่วไปแล้วตัวเรโซเนเตอร์จะสั่นในลักษณะบิดหรือตามแนวขวาง (เช่น คานยื่นหรือส้อมเสียง) ยิ่งความหนืดสูง การหน่วงที่เกิดขึ้นกับตัวเรโซเนเตอร์ก็จะยิ่งมากขึ้น การหน่วงของตัวเรโซเนเตอร์สามารถวัดได้ด้วยวิธีการต่างๆ ดังนี้:

1. การวัดกำลังไฟฟ้าที่จำเป็นในการทำให้ตัวสั่นมีแอมพลิจูดคงที่ ยิ่งความหนืดสูงเท่าไร ก็ยิ่งต้องการกำลังไฟฟ้ามากขึ้นเท่านั้นเพื่อรักษาแอมพลิจูดของการสั่น
2. วัดเวลาการลดลงของการสั่นหลังจากปิดการกระตุ้นแล้ว ยิ่งความหนืดสูง สัญญาณก็จะยิ่งลดลงเร็ว
3. การวัดความถี่ของตัวเรโซเนเตอร์โดยพิจารณาจากมุมเฟสระหว่างรูปคลื่นการกระตุ้นและรูปคลื่นการตอบสนอง ยิ่งความหนืดสูง การเปลี่ยนแปลงความถี่ก็จะยิ่งมากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงเฟสที่กำหนด

เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนยังมีข้อเสียคือขาดสนามแรงเฉือนที่กำหนดไว้ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการวัดความหนืดของของเหลวที่ไม่ทราบพฤติกรรมการไหลล่วงหน้า

เครื่องวัดความหนืดแบบสั่นเป็นระบบอุตสาหกรรมที่ทนทาน ใช้สำหรับวัดความหนืดในสภาวะกระบวนการผลิต ส่วนประกอบที่สำคัญของเซ็นเซอร์คือแท่งสั่น ความแรงของการสั่นจะแปรผันตามความหนืดของของเหลวที่แท่งนั้นจุ่มอยู่ เครื่องวัดความหนืดเหล่านี้เหมาะสำหรับการวัดของเหลวที่อุดตันและของเหลวที่มีความหนืดสูง รวมถึงของเหลวที่มีเส้นใย (สูงถึง 1000 Pa·s) ปัจจุบัน อุตสาหกรรมหลายแห่งทั่วโลกถือว่าเครื่องวัดความหนืดเหล่านี้เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการวัดความหนืดของของเหลวหลากหลายชนิด ในทางตรงกันข้าม เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนต้องการการบำรุงรักษามากกว่า ไม่สามารถวัดของเหลวที่อุดตันได้ และต้องสอบเทียบเป็นประจำหลังจากการใช้งานอย่างหนัก เครื่องวัดความหนืดแบบสั่นไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ ไม่มีชิ้นส่วนที่อ่อนแอ และส่วนที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงมักมีขนาดเล็ก แม้แต่ ของเหลว ที่ เป็นด่าง หรือกรด มาก ก็สามารถวัดได้โดยการเคลือบสารป้องกัน เช่น เคลือบอีนาเมลหรือเปลี่ยนวัสดุของเซ็นเซอร์เป็นวัสดุเช่นสแตนเลส316L เครื่องวัดความหนืดแบบสั่นเป็นเครื่องมือวัดแบบติดตั้งในสายการผลิตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เพื่อตรวจสอบความหนืดของของเหลวในกระบวนการผลิตในถังและท่อ

เครื่องวัดความหนืดควอตซ์เป็นเครื่องวัดความหนืดแบบสั่นสะเทือนชนิดพิเศษ โดยผลึกควอตซ์ที่สั่นจะจุ่มลงในของเหลว และอิทธิพลเฉพาะต่อพฤติกรรมการสั่นจะกำหนดความหนืด หลักการของการวัดความหนืดด้วยควอตซ์นั้นอิงตามแนวคิดของ W. P. Mason แนวคิดพื้นฐานคือการประยุกต์ใช้ผลึกเพียโซอิเล็กทริกเพื่อกำหนดความหนืด สนามไฟฟ้าความถี่สูงที่ใช้กับตัวสั่นทำให้เซ็นเซอร์เคลื่อนที่และส่งผลให้เกิดการเฉือนของของเหลว การเคลื่อนที่ของเซ็นเซอร์จะได้รับอิทธิพลจากแรงภายนอก (ความเค้นเฉือน) ของของเหลว ซึ่งส่งผลต่อการตอบสนองทางไฟฟ้าของเซ็นเซอร์^{[ 3 ]}ขั้นตอนการสอบเทียบซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นของการกำหนดความหนืดโดยใช้ผลึกควอตซ์นั้นย้อนกลับไปถึง B. Bode ซึ่งอำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับพฤติกรรมการส่งผ่านทางไฟฟ้าและทางกลของระบบการสั่น^{[ 4 ]}จากการสอบเทียบนี้ จึงได้มีการพัฒนาเครื่องวัดความหนืดควอตซ์ ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดความหนืดอย่างต่อเนื่องในของเหลวที่นิ่งและไหลได้^{[ 5 ]}

ไมโครบาลานซ์ผลึกควอตซ์ทำหน้าที่เป็นเครื่องวัดความหนืดแบบสั่นสะเทือนโดยอาศัยคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกที่มีอยู่ในควอตซ์เพื่อทำการวัดสเปกตรัมการนำไฟฟ้าของของเหลวและฟิล์มบางที่สัมผัสกับพื้นผิวของผลึก^{[ 6 ]}จากสเปกตรัมเหล่านี้ จะมีการติดตามการเปลี่ยนแปลงความถี่และการขยายตัวของยอดสำหรับความถี่เรโซแนนซ์และโอเวอร์โทนของผลึกควอตซ์ และใช้ในการกำหนดการเปลี่ยนแปลงของมวล รวมถึงความหนืดโมดูลัสเฉือนและคุณสมบัติความยืดหยุ่นหนืดอื่นๆ ของของเหลวหรือฟิล์มบาง ข้อดีอย่างหนึ่งของการใช้ไมโครบาลานซ์ผลึกควอตซ์ในการวัดความหนืดคือปริมาณตัวอย่างที่ต้องการมีน้อยเพื่อให้ได้การวัดที่แม่นยำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติความยืดหยุ่นหนืดขึ้นอยู่กับเทคนิคการเตรียมตัวอย่างและความหนาของฟิล์มหรือของเหลว จึงอาจมีข้อผิดพลาดในการวัดความหนืดระหว่างตัวอย่างได้ถึง 10% ^{[ 6 ]}

เทคนิคที่น่าสนใจในการวัดความหนืดของของเหลวโดยใช้ไมโครบาลานซ์ผลึกควอตซ์ซึ่งช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของการวัดคือการใช้วิธีการหยด^{[ 7 ] [ 8 ]}แทนที่จะสร้างฟิล์มบางหรือจุ่มผลึกควอตซ์ลงในของเหลว ให้หยดของเหลวที่ต้องการเพียงหยดเดียวลงบนพื้นผิวของผลึก ความหนืดจะถูกสกัดจากความเปลี่ยนแปลงของข้อมูลความถี่โดยใช้สมการต่อไปนี้

${\displaystyle \Delta f=-f_{0}^{3/2}{\sqrt {\frac {\eta _{l}\rho _{l}}{\pi \mu _{Q}\rho _{Q}}}}}$

โดยที่คือความถี่เรโซแนนซ์ คือความหนาแน่นของของเหลว คือโมดูลัสเฉือนของควอตซ์ และ คือความหนาแน่นของควอตซ์^{[ 8 ]}การขยายเทคนิคนี้จะแก้ไขการเปลี่ยนแปลงของความถี่เรโซแนนซ์โดยขนาดของหยดที่วางบนผลึกควอตซ์^{[ 7 ]}${\displaystyle f_{0}}$${\displaystyle \rho _{l}}$${\displaystyle \mu _{Q}}$${\displaystyle \rho _{Q}}$

เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนใช้หลักการที่ว่า แรงบิดที่จำเป็นในการหมุนวัตถุในของเหลวเป็นฟังก์ชันของความหนืดของของเหลวนั้น โดยจะวัดแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนแผ่นดิสก์หรือลูกตุ้มในของเหลวด้วยความเร็วที่ทราบค่า

เครื่องวัดความหนืดแบบ "ถ้วยและลูกตุ้ม" ทำงานโดยการกำหนดปริมาตรที่แน่นอนของตัวอย่างที่จะถูกเฉือนภายในเซลล์ทดสอบ แรงบิดที่จำเป็นเพื่อให้ได้ความเร็วในการหมุนที่กำหนดจะถูกวัดและบันทึกไว้ เครื่องวัดความหนืดแบบ "ถ้วยและลูกตุ้ม" มีรูปทรงเรขาคณิตแบบคลาสสิกสองแบบ คือ ระบบ "คูเอตต์" หรือ "เซิร์ล" ซึ่งแตกต่างกันที่การหมุนของถ้วยหรือลูกตุ้ม ในบางกรณี การหมุนของถ้วยเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากช่วยลดการเกิดกระแสน้ำวนเทย์เลอร์ที่อัตราการเฉือนสูงมาก แต่การหมุนของลูกตุ้มนั้นใช้กันทั่วไปมากกว่า เนื่องจากสามารถออกแบบเครื่องมือให้มีความยืดหยุ่นสำหรับรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ ได้เช่นกัน

เครื่องวัดความหนืดแบบ "กรวยและแผ่น" ใช้กรวยมุมแคบวางไว้ใกล้กับแผ่นเรียบ ในระบบนี้ อัตราการเฉือนระหว่างรูปทรงทั้งสองจะคงที่ที่ความเร็วรอบใดๆ ความหนืดสามารถคำนวณได้ง่ายจากความเค้นเฉือน (จากแรงบิด) และอัตราการเฉือน (จากความเร็วเชิงมุม)

หากการทดสอบใดๆ ที่ใช้รูปทรงเรขาคณิตต่างๆ ดำเนินการผ่านตารางอัตราการเฉือนหรือความเค้นหลายค่า ข้อมูลที่ได้สามารถนำมาใช้สร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดกับอัตราการเฉือนได้ หากการทดสอบข้างต้นดำเนินการอย่างช้าๆ จนค่าที่วัดได้ (ความเค้นเฉือนหากควบคุมอัตราการเฉือน หรือในทางกลับกัน) มีค่าคงที่ในแต่ละขั้นตอน ข้อมูลนั้นจะอยู่ในสภาวะ "สมดุล" และกราฟที่ได้จะเป็น "กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดกับอัตราการเฉือนในสภาวะสมดุล" ซึ่งดีกว่าการวัดในสภาวะที่ไม่สมดุล เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วข้อมูลสามารถทำซ้ำได้กับเครื่องมืออื่นๆ หรือรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ

เครื่องวัดความหนืดและรีโอมีเตอร์ทำงานโดยใช้แรงบิดและความเร็วเชิงมุม เนื่องจากความหนืดมักพิจารณาในแง่ของความเค้นเฉือนและอัตราการเฉือน จึงจำเป็นต้องมีวิธีการแปลงจาก "ค่าที่ได้จากเครื่องมือ" ไปเป็น "ค่าทางรีโอโลยี" ระบบการวัดแต่ละระบบที่ใช้ในเครื่องมือจะมี "ตัวประกอบรูปแบบ" ที่เกี่ยวข้องเพื่อแปลงแรงบิดเป็นความเค้นเฉือนและแปลงความเร็วเชิงมุมเป็นอัตราการเฉือน

เราจะเรียกตัวประกอบรูปร่างของแรงเฉือนว่าC 1 ตัวประกอบอัตราการเฉือนว่าC

ความเค้นเฉือน = แรงบิด ÷ C .

อัตราการเฉือน = C × ความเร็วเชิงมุม

สำหรับระบบการวัดบางประเภท เช่น แผ่นขนาน ผู้ใช้สามารถกำหนดระยะห่างระหว่างระบบการวัดได้ ในกรณีนี้ สมการที่ใช้คือ

อัตราการเฉือน = C × ความเร็วเชิงมุม / ช่องว่าง

ความหนืด = แรงเฉือน / อัตราการเฉือน

ส่วนต่อไปนี้จะแสดงวิธีการคำนวณค่าฟอร์มแฟคเตอร์สำหรับระบบการวัดแต่ละระบบ

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&={\frac {3}{2}}r^{3},\\C_{2}&={\frac {1}{\theta }},\end{aligned}}}$

ที่ไหน

rคือรัศมีของกรวย

θคือมุมของกรวยในหน่วยเรเดียน

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&={\frac {3}{2}}r^{3},\\C_{2}&={\frac {3}{4}}r,\end{aligned}}}$

โดยที่rคือรัศมีของแผ่นโลหะ

หมายเหตุ:แรงเฉือนจะแปรผันตามรัศมีสำหรับแผ่นขนาน สูตรข้างต้นอ้างอิงถึงตำแหน่ง 3/4 ของรัศมี หากตัวอย่างทดสอบเป็นของเหลวแบบนิวตัน

${\displaystyle {\begin{aligned}C_{1}&=2\pi r_{\text{a}}^{2}H,\\C_{2}&={\frac {2r_{\text{i}}^{2}r_{\text{o}}^{2}}{r_{\text{a}}^{2}\left(r_{\text{o}}^{2}-r_{\text{i}}^{2}\right)}},\end{aligned}}}$

ที่ไหน:

r = ( r + r )/2คือรัศมีเฉลี่ย

r คือรัศมีด้านใน

r คือรัศมีภายนอก

Hคือความสูงของทรงกระบอก

หมายเหตุ: C ถือว่า ความเค้นเฉือนเกิดขึ้นที่รัศมีเฉลี่ยr

เครื่องวัดความหนืด EMS วัดความหนืดของของเหลวโดยการสังเกตการหมุนของทรงกลมที่ขับเคลื่อนด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า: แม่เหล็กสองตัวที่ติดอยู่กับโรเตอร์สร้างสนามแม่เหล็กหมุน ตัวอย่าง ③ ที่ต้องการวัดอยู่ในหลอดทดลองขนาดเล็ก ② ภายในหลอดมีทรงกลมอะลูมิเนียม ④ หลอดตั้งอยู่ในห้องควบคุมอุณหภูมิ ① และจัดวางให้ทรงกลมอยู่ตรงกลางระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง

สนามแม่เหล็กหมุนเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวนในทรงกลม ปฏิกิริยาโลเรนซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไหลวนเหล่านี้ก่อให้เกิดแรงบิดที่ทำให้ทรงกลมหมุน ความเร็วในการหมุนของทรงกลมขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนของสนามแม่เหล็ก ขนาดของสนามแม่เหล็ก และความหนืดของตัวอย่างรอบทรงกลม การเคลื่อนที่ของทรงกลมถูกตรวจสอบโดยกล้องวิดีโอ ⑤ ที่อยู่ด้านล่างของเซลล์ แรงบิดที่กระทำต่อทรงกลมเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของความเร็วเชิงมุมของสนามแม่เหล็กΩ และความเร็วเชิงมุมของทรงกลมΩ ดังนั้นจึงมีความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่าง( Ω − Ω )/ Ω และความหนืดของของเหลว

หลักการวัดแบบใหม่นี้ได้รับการพัฒนาโดย Sakai และคณะ ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว เครื่องวัดความหนืด EMS มีลักษณะเด่นที่แตกต่างจากเครื่องวัดความหนืดแบบหมุนอื่นๆ อยู่ 3 ประการหลักดังนี้:

• ชิ้นส่วนทั้งหมดของเครื่องวัดความหนืดที่สัมผัสกับตัวอย่างโดยตรงนั้นเป็นแบบใช้แล้วทิ้งและมีราคาไม่แพง
• การวัดจะดำเนินการในภาชนะบรรจุตัวอย่างที่ปิดสนิท
• เครื่องวัดความหนืด EMS ต้องการปริมาณตัวอย่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (0.3 มิลลิลิตร)

ด้วยการดัดแปลงเครื่องวัดความหนืดแบบหมุนชนิดคูเอตต์แบบคลาสสิก ทำให้สามารถผสานความแม่นยำในการกำหนดความหนืดจลน์เข้ากับช่วงการวัดที่กว้างขึ้นได้

กระบอกด้านนอกของเครื่องวัดความหนืด Stabinger เป็นท่อที่บรรจุตัวอย่างซึ่งหมุนด้วยความเร็วคงที่ในตัวเรือนทองแดงที่ควบคุมอุณหภูมิ กระบอกภายในกลวง – รูปทรงเป็นโรเตอร์ทรงกรวย – จะอยู่ตรงกลางตัวอย่างโดยอาศัยผลของการหล่อลื่นแบบไฮโดรไดนามิก^{[ 9 ]}และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางด้วยวิธีนี้แรงเสียดทาน ของแบริ่งทั้งหมด ซึ่งเป็นปัจจัยที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในอุปกรณ์หมุนส่วนใหญ่ จะถูกหลีกเลี่ยงได้อย่างสมบูรณ์ แรงเฉือนของของเหลวที่หมุนจะขับเคลื่อนโรเตอร์ ในขณะที่แม่เหล็กภายในโรเตอร์จะสร้างเบรกกระแสไหลวนกับตัวเรือนทองแดงโดยรอบ ความเร็วของโรเตอร์ที่สมดุลจะเกิดขึ้นระหว่างแรงขับและแรงต้าน ซึ่งเป็นการวัดความหนืดแบบไดนามิกที่ชัดเจน การวัด ความเร็วและแรงบิดจะดำเนินการโดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงโดยใช้ เซ็นเซอร์ Hall-effectที่นับความถี่ของสนามแม่เหล็ก หมุน ซึ่งช่วยให้ได้ความละเอียด แรงบิดที่แม่นยำสูงถึง 50  pN·mและช่วงการวัดที่กว้างตั้งแต่ 0.2 ถึง 30,000 mPa·s ด้วยระบบการวัดเพียงระบบเดียว การวัด ความหนาแน่นในตัวโดยใช้ หลักการ ของท่อรูปตัวยูแบบสั่นช่วยให้สามารถกำหนดความหนืดจ ลน์ จากความหนืดไดนามิกที่วัดได้โดยใช้ความสัมพันธ์

${\displaystyle \nu ={\frac {\eta }{\rho }},}$

ที่ไหน:

νคือค่าความหนืดจลน์ (มม. ^² /วินาที)

ηคือค่าความหนืดไดนามิก (mPa·s)

ρคือความหนาแน่น (กรัม/ซม^³ )

เครื่องวัดความหนืดแบบฟองอากาศใช้ในการกำหนดความหนืดจลน์ของของเหลวที่ทราบค่าได้อย่างรวดเร็ว เช่น เรซินและวาร์นิช เวลาที่ฟองอากาศใช้ในการลอยขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนืดของของเหลว ดังนั้นยิ่งฟองลอยขึ้นเร็วเท่าไร ความหนืดก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น วิธีการเปรียบเทียบตามตัวอักษรใช้ชุดหลอดอ้างอิงที่มีตัวอักษร 4 ชุด ตั้งแต่ A5 ถึง Z10 ซึ่งมีความหนืดที่ทราบค่า เพื่อครอบคลุมช่วงความหนืดตั้งแต่ 0.005 ถึง 1,000 สโตกส์วิธีการวัดเวลาโดยตรงใช้หลอดวัดเวลา 3 เส้นเพียงหลอดเดียวในการกำหนด "วินาทีของฟองอากาศ" ซึ่งสามารถแปลงเป็นสโตกส์ได้^{[ 10 ]}

วิธีนี้มีความแม่นยำมาก แต่การวัดอาจเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากความแปรปรวนของแรงลอยตัวอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของฟองอากาศในท่อ^{[ 10 ]}อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้เกิดการคำนวณผิดพลาดร้ายแรงใดๆ

หลักการออกแบบพื้นฐานของเครื่องวัดความหนืด/รีโอมีเตอร์แบบช่องสี่เหลี่ยมผืนผ้า ประกอบด้วยช่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอ ของเหลวทดสอบจะถูกสูบผ่านช่องนี้ด้วยอัตราการไหลคงที่ เซ็นเซอร์วัดความดันหลายตัวที่ติดตั้งแบบเรียบในระยะห่างเชิงเส้นตามทิศทางการไหลจะวัดการลดลงของความดัน ดังแสดงในรูป:

^{[ 11 ]}

หลักการวัด:เครื่องวัดความหนืด/รีโอมีเตอร์แบบช่องแคบทำงานบนหลักการพื้นฐานที่ว่าของเหลวหนืดจะต้านทานการไหล โดยแสดงให้เห็นความดันที่ลดลงตามความยาวของช่องแคบ การลดลงของความดัน ( ∆P )สัมพันธ์กับแรงเฉือนที่ขอบผนัง อัตราการเฉือนที่ปรากฏมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหลและขนาดของช่องแคบ อัตราการเฉือนที่ปรากฏ แรงเฉือน และความหนืดที่ปรากฏจะถูกคำนวณ:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\dot {\gamma }}_{\text{a}}&={\frac {6Q}{wh^{2}}},\\\sigma &={\frac {wh}{2(w+h)}}{\frac {\Delta P}{l}},\\\eta _{\text{a}}&={\frac {\sigma }{{\dot {\gamma }}_{\text{a}}}},\end{aligned}}}$

ที่ไหน

${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$คืออัตราการเฉือนที่ปรากฏ (s ⁻¹ )

σคือแรงเฉือน (Pa)

η คือค่าความหนืดปรากฏ (Pa·s)

∆Pคือความแตกต่างของความดันระหว่างเซ็นเซอร์วัดความดันตัวแรกและเซ็นเซอร์วัดความดันตัวสุดท้าย (Pa )

Qคืออัตราการไหล (มล./วินาที)

wคือความกว้างของช่องทางการไหล (มม.)

hคือความลึกของช่องทางการไหล (มม.)

lคือระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์วัดแรงดันตัวแรกกับเซ็นเซอร์วัดแรงดันตัวสุดท้าย (มิลลิเมตร)

ในการหาค่าความหนืดของของเหลว ตัวอย่างของเหลวจะถูกสูบผ่านช่องแคบด้วยอัตราการไหลคงที่ และวัดค่าความดันที่ลดลง ตามสมการเหล่านี้ ความหนืดที่ปรากฏจะถูกคำนวณสำหรับอัตราการเฉือนที่ปรากฏ สำหรับของเหลวแบบนิวตัน ความหนืดที่ปรากฏจะเท่ากับความหนืดที่แท้จริง และการวัดอัตราการเฉือนเพียงครั้งเดียวก็เพียงพอแล้ว สำหรับของเหลวที่ไม่ใช่แบบนิวตัน ความหนืดที่ปรากฏจะไม่ใช่ความหนืดที่แท้จริง เพื่อให้ได้ความหนืดที่แท้จริง จะต้องวัดความหนืดที่ปรากฏที่อัตราการเฉือนที่ปรากฏหลายค่า จากนั้นจึงคำนวณความหนืดที่แท้จริงηที่อัตราการเฉือนต่างๆ โดยใช้ปัจจัยการแก้ไข Weissenberg–Rabinowitsch–Mooney: ^{[ 12 ]}

${\displaystyle {\frac {1}{\eta }}={\frac {1}{2\eta _{\text{a}}}}\left(2+{\frac {\mathrm {d} \ln {{\dot {\gamma }}_{\text{a}}}}{\mathrm {d} \ln {\sigma }}}\right).}$

ค่าความหนืดที่แท้จริงที่คำนวณได้นั้นเท่ากับค่าที่ได้จากการทดสอบด้วยกรวยและแผ่นที่อัตราการเฉือนเดียวกัน

นอกจากนี้ ยังสามารถใช้เครื่องวัดความหนืด/รีโอมีเตอร์แบบช่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ดัดแปลงแล้ว เพื่อกำหนดความหนืดเชิงยืด ที่ปรากฏได้อีก ด้วย

เครื่องวัดความหนืดแบบเครบส์ใช้กราฟดิจิทัลและแกนหมุนขนาดเล็กเพื่อวัดความหนืดของของเหลว โดยส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมสี

เครื่องวัดความหนืดประเภทอื่นใช้ลูกบอลหรือวัตถุอื่น เครื่องวัดความหนืดที่สามารถระบุลักษณะของของเหลวที่ไม่เป็นไปตามกฎของนิวตันมักเรียกว่า เครื่องวัดความหนืดแบบ รีโอมีเตอร์หรือ พ ลาสโตมีเตอร์เครื่องมือบางชนิด เช่น เครื่องวัดความหนืดแบบแคปิลลารีหรือ VROC® สามารถวัดได้ทั้งของเหลวที่เป็นไปตามกฎของนิวตันและของเหลวที่ไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน^{[ 13 ] [ 14 ]}

ในเครื่องวัดความหนืด ICI "Oscar" กระป๋องบรรจุของเหลวที่ปิดสนิทจะถูกทำให้สั่นแบบบิด และด้วยเทคนิคการวัดที่ชาญฉลาด ทำให้สามารถวัดทั้งความหนืดและความยืดหยุ่นในตัวอย่างได้

เครื่องวัดความหนืด แบบกรวยมาร์ชวัดความหนืดจากเวลา ( เวลาไหลออก ) ที่ของเหลวปริมาตรที่ทราบไหลจากฐานของกรวยผ่านท่อสั้น หลักการนี้คล้ายกับถ้วยวัดการไหล (ถ้วยไหลออก) เช่น ถ้วยฟอร์ด ถ้วยซาห์นและ ถ้วย เชลล์ซึ่งใช้รูปทรงของกรวยและขนาดหัวฉีดที่แตกต่างกัน การวัดสามารถทำได้ตามมาตรฐาน ISO 2431, ASTM D1200 - 10 หรือDIN 53411 ^{[ 15 ]}

เครื่องวัดความหนืดแบบใบมีดยืดหยุ่นช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัดของเหลวที่มีความหนืดต่ำ โดยใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสนามการไหลอันเนื่องมาจากความยืดหยุ่นของใบมีดที่เคลื่อนที่หรืออยู่กับที่ (บางครั้งเรียกว่าปีกหรือคานยื่นแบบยึดด้านเดียว)

เครื่องวัดความหนืดแบบจานหมุนเป็นเครื่องวัดความหนืดมาตรฐานสำหรับการวัดความหนืดของวัสดุและเวลาการไหม้เกรียมของยางก่อนการวัลคาไนซ์

• การวัดอัตราการไหล
• สมการปัวซุย
• วิสโคเทอร์ม

• มาตรฐานสถาบันแห่งสหราชอาณาจักร BS ISO/TR 3666:1998 ความหนืดของน้ำ
• มาตรฐานสถาบันแห่งสหราชอาณาจักร BS 188:1977 วิธีการหาค่าความหนืดของของเหลว

• RHEOTEST Medingen GmbH - ประวัติและคอลเลกชันเครื่องมือวัดความหนืดตั้งแต่สมัยของฟริตซ์ เฮิปเปลอร์
• ASTM International (ASTM D7042)
• ตารางแปลงค่าความหนืด
• หน้าหลัก - Alpha Technologies (เดิมชื่อ Monsanto Instruments and Equipment) - แอครอน รัฐโอไฮโอ สหรัฐอเมริกา
• แอนตัน พาร์ - หลักการพื้นฐานของการวัดความหนืด