Six Méthodes Prouvées pour Mesurer Précisément la Viscosité des Fluides

La viscosité est l'une des propriétés physiques les plus essentielles des fluides industriels, tels que les revêtements, peintures et adhésifs.

Essentiellement, la viscosité indique la résistance d'un fluide à la déformation par des contraintes de cisaillement ou de traction. En d'autres termes, cette propriété décrit le frottement entre les molécules du fluide causant une opposition au mouvement relatif entre les couches de fluide se déplaçant à des vitesses différentes. La viscosité peut être un indice sur la façon dont un fluide se comportera sous une force appliquée ou sous son propre poids.

Plus un fluide est visqueux, plus il apparaît « épais ». Par exemple, l'huile ou la graisse ont des viscosités plus élevées que l'eau et apparaissent donc plus épaisses.

Les fabricants d'huiles, revêtements, peintures et adhésifs sont souvent chargés de déterminer la viscosité optimale de leurs produits pour des applications spécifiques. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Exigences de Service et Facteurs Environnementaux pour les Revêtements.)

Les fluides à faible viscosité ont tendance à s'écouler plus facilement. Par conséquent, avoir un revêtement avec une viscosité trop faible peut causer des coulures et des affaissements. D'un autre côté, un revêtement avec une viscosité trop élevée peut être « raide » et difficile à appliquer.

Dans cet article, nous examinerons la différence entre les viscosités dynamique et cinématique ainsi que les diverses méthodes avec lesquelles elles sont mesurées.

Viscosité Dynamique

La viscosité dynamique, également connue sous le nom de viscosité absolue, est la résistance d'un fluide à l'écoulement de cisaillement dû à une force externe appliquée. Elle décrit la quantité de résistance interne offerte lorsqu'une couche de fluide se déplace sur une autre couche dans un plan horizontal.

La viscosité dynamique est particulièrement utile pour décrire les fluides non newtoniens.

Mathématiquement, la viscosité dynamique peut être exprimée comme :

μ = τ dy / dc = τ/γ

Où :

• τ = contrainte de cisaillement dans le fluide (N/m²).
• μ = viscosité dynamique du fluide (N·s/m²).
• dc = vitesse unitaire (m/s).
• dy = distance unitaire entre les couches (m).
• γ = dc / dy = taux de cisaillement (s⁻¹).

L'unité SI pour la viscosité dynamique est N·s/m² ou le Pascal-seconde (Pa·s). Une autre unité de mesure pour la viscosité dynamique est le poise (P), où un poise équivaut à un dixième de N·s/m² ou 1/10 Pa·s.

L'unité poise peut parfois être trop grande pour des usages pratiques. Pour cette raison, l'unité centipoise (cP) est souvent utilisée à sa place. Dans l'unité centipoise, un cP équivaut à 0,01 P, 0,001 N·s/m² ou 0,001 Pa·s.

Viscosité Cinématique

La viscosité cinématique est simplement le rapport de la viscosité dynamique à la densité du fluide. Elle reflète la résistance d'un fluide à l'écoulement de cisaillement sous l'influence de la gravité, c'est-à-dire l'écoulement de cisaillement dû au propre poids du fluide.

Cette viscosité est particulièrement utile pour décrire les fluides newtoniens. Mathématiquement, la viscosité cinématique peut être exprimée comme :

ν = μ / ρ

Où :

• ν = viscosité cinématique (m²/s).
• μ = viscosité absolue ou dynamique (N·s/m²).
• ρ = densité (kg/m³).

L'unité SI pour la viscosité cinématique est m²/s. Une autre unité de mesure pour cette propriété est le Stoke (St), où un St équivaut à 10⁻⁴ m²/s équivaut à 1 cm²/s.

Lorsque la valeur de viscosité en Stoke est trop grande, l'unité plus petite centistoke (cSt) est souvent utilisée à sa place. Dans le centistoke, un cSt équivaut à 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s.

Comment la Viscosité est-elle Mesurée ?

Il existe plusieurs méthodes différentes pour mesurer à la fois la viscosité dynamique et cinématique. Certaines des méthodes les plus courantes sont les suivantes :

1. Coupes de Viscosité

Les coupes de viscosité sont utilisées pour déterminer la viscosité cinématique d'un fluide et sont généralement faites d'aluminium anodisé avec un orifice en acier inoxydable. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Comprendre la Corrosion de l'Aluminium.)

Ce test relativement simple consiste à placer le fluide dans un récipient avec une petite ouverture au fond. Le fluide est autorisé à s'écouler à travers l'ouverture en une quantité précise. Le temps qu'il faut au fluide pour passer à travers l'ouverture est mesuré et corrélé à la viscosité à l'aide de tableaux fournis pour la coupe donnée.

Les coupes de viscosité sont généralement utilisées pour mesurer la consistance des peintures, vernis et produits similaires. Un tableau est ensuite utilisé pour convertir le temps d'écoulement (en secondes) en viscosité en centistokes (cSt).

Les coupes Ford et Zahn sont parmi les variétés de coupes de viscosité les plus couramment utilisées. Chaque conception de coupe est unique ; il faut donc prendre soin lors de la comparaison des valeurs de viscosité entre différents types de coupes. Les valeurs qu'une coupe de viscosité fournit sont des valeurs absolues et n'incluent pas les tolérances autorisées — car celles-ci diffèrent considérablement entre chacune des normes.

2. Viscomètres Vibrants

Les viscomètres vibrants fonctionnent en immergeant un résonateur électromécanique oscillant dans le fluide test et en mesurant le degré d'amortissement que le fluide offre. Le résonateur oscille généralement soit torsionalement, soit transversalement et l'amortissement peut être déterminé par :

• L'enregistrement de la puissance d'entrée requise pour maintenir l'appareil vibrant à une amplitude constante.
• La mesure de la décroissance temporelle de l'oscillation après l'arrêt de la vibration.
• La mesure de la fréquence du résonateur par rapport aux angles de phase variables.

Le viscomètre à quartz est un exemple de viscomètre vibrant. Avec cette méthode, un cristal de quartz oscillant est immergé dans un fluide et l'influence spécifique sur le comportement oscillant définit la viscosité. Un champ électrique appliqué à l'oscillateur fait bouger le capteur et entraîne le cisaillement du fluide. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Corrosion et Interférences Électriques dans les Structures Métalliques Enterrées.)

Le mouvement du capteur est ensuite influencé par les forces externes (la contrainte de cisaillement) du fluide, ce qui affecte la réponse électrique du capteur.

3. Viscomètres Rotationnels

Les viscomètres rotationnels fonctionnent en mesurant le couple requis pour faire tourner un objet dans le fluide test. Voici comment se déroule le processus :

1. L'une des surfaces est stationnaire.
2. La surface d'accouplement est tournée par un entraînement externe.
3. Le fluide remplit l'espace entre les surfaces. Le couple requis pour faire tourner un disque ou un cylindre à une vitesse prédéterminée est mesuré et enregistré.

Le couple maintenant la vitesse définie est directement proportionnel à la viscosité ; par conséquent, l'appareil est capable de fournir des valeurs de viscosité, contrainte de cisaillement et taux de cisaillement. Parce qu'une force de cisaillement externe est appliquée au liquide, les viscomètres rotationnels mesurent la viscosité dynamique d'un fluide.

Coupes, cylindres, cônes et plaques sont tous des types de viscomètres rotationnels. Les viscomètres à coupe et cylindre consistent en des cylindres coaxiaux de diamètres différents. Un volume d'échantillon à cisailler est stocké dans une cellule de test ; le couple requis pour atteindre une certaine vitesse de rotation est mesuré et tracé.

Les viscomètres à cône et plaque ont un mètre de couple précis qui est entraîné comme une vitesse de rotation discrète. Il utilise un cône à angle étroit en proximité proche d'une plaque plate. La viscosité est calculée à partir de la contrainte de cisaillement et du taux de cisaillement. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Les Effets de la Corrosion sur le Comportement au Cisaillement des Matériaux.)

4. Viscomètres Capillaires

Le viscomètre capillaire est l'une des méthodes les plus anciennes connues pour déterminer la viscosité des fluides.

Cette méthode mesure le temps nécessaire pour qu'un volume défini de fluide s'écoule à travers un tube capillaire en U de diamètre et longueur connus. Le tube a généralement deux repères — un supérieur et un inférieur — qui sont utilisés comme référence de mesure. Le temps qu'il faut au fluide pour s'écouler passé ces repères est proportionnel à la viscosité cinématique ; par conséquent, la viscosité peut être déterminée en utilisant des formules standards.

Les viscomètres capillaires incluent les viscomètres d'Ostwald et d'Ubbelohde. Les deux sont des instruments en U, ont deux bulbes en verre et utilisent des tubes capillaires. (Pour en savoir plus sur comment le verre peut prévenir la corrosion, voir : Un Regard sur les Revêtements Barrière pour la Protection Contre la Corrosion Interne.)

Un avantage majeur du viscomètre d'Ubbelohde, cependant, est que les valeurs qu'il obtient sont indépendantes du volume total de liquide utilisé. La différence clé entre les viscomètres d'Ostwald et d'Ubbelohde est que le viscomètre d'Ostwald convient pour mesurer des liquides de viscosité faible à modérée, tandis que le viscomètre d'Ubbelohde convient pour mesurer des liquides de haute viscosité.

5. Viscomètres à Sphère Tombante

Le viscomètre à sphère tombante est utilisé pour déterminer la viscosité dynamique des fluides newtoniens transparents.

Le concept implique la mesure du temps qu'il faut pour une sphère de densité connue pour tomber à travers un tube rempli d'échantillon sous l'effet de la gravité. Le tube est généralement monté sur un appareil qui peut tourner rapidement de 180 degrés pour permettre des tests répétés. Le temps moyen de trois tests est enregistré et utilisé dans une formule de conversion pour déterminer la viscosité de l'échantillon.

Les viscomètres à sphère tombante sont utilisés pour le contrôle qualité dans diverses industries ainsi que dans les institutions académiques pour illustrer la méthode scientifique. La facilité d'utilisation et la méthode simple pour l'enregistrement des mesures de temps assurent des résultats de test significatifs.

6. Consistomètres

Un consistomètre est un appareil composé d'une rigole en métal avec une petite section barrée derrière une porte à ressort. Voici comment cela fonctionne :

1. L'échantillon à tester est placé derrière la porte à ressort.
2. La porte est levée, permettant à l'échantillon de s'écouler librement sous son propre poids.
3. La distance que le liquide parcourt en un temps spécifique est mesurée via les graduations de l'appareil.

Le consistomètre lui-même ne mesure pas directement les valeurs de viscosité ; il permet plutôt aux utilisateurs de développer leurs propres standards spécifiques aux produits testés. Cette méthode est plus populaire dans l'industrie alimentaire et est généralement utilisée pour mesurer la viscosité de produits tels que ketchup, mayonnaise, conserves, garnitures, soupes, aliments pour bébés et vinaigrettes. (Pour en savoir plus sur l'industrie alimentaire, voir : Les Propriétés de Corrosion de l'Aluminium et de ses Alliages.)

Facteurs Affectant la Viscosité

Il existe divers facteurs dont dépend la viscosité des fluides. Ceux-ci sont :

• Température du fluide. Habituellement, la viscosité d'un liquide diminue avec une augmentation de la température. Cependant, la viscosité d'un gaz augmente généralement avec une augmentation de la température.
• Conditions d'écoulement. Pour un écoulement laminaire, la viscosité d'un liquide reste constante ; alors que pour un écoulement turbulent, la viscosité change.
• Pression. Lorsque la pression augmente, la viscosité d'un gaz augmente généralement. Pour les liquides, comme ils sont incompressibles, la pression n'a pas beaucoup d'impact.
• Écoulement multiphasique. La viscosité de l'écoulement multiphasique est modifiée par le volume de chaque phase.
• Particules en suspension. Les matériaux en suspension entraînent une augmentation de la viscosité.

Loi de Newton sur la Viscosité

La relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement d'un fluide sous contrainte mécanique est régie par la loi de Newton sur la viscosité.

La loi de viscosité de Newton stipule que, pour une température et une pression données, la contrainte de cisaillement entre deux couches adjacentes dans un fluide est proportionnelle aux gradients de vitesse entre ces couches. Différemment dit, le rapport de la contrainte de cisaillement au taux de cisaillement dans un fluide est une constante et est le coefficient de viscosité.

Cependant, la loi de viscosité de Newton s'applique seulement aux fluides newtoniens. Les fluides non newtoniens ne suivent pas la loi de viscosité de Newton ; et donc leur viscosité change et dépend du taux de cisaillement.

Conclusion

La viscosité est une propriété de fluide importante qui est essentielle pour un certain nombre de produits différents dans diverses industries.

Les viscosités dynamique et cinématique décrivent des propriétés différentes et peuvent produire des résultats très différents lors du test des fluides. Il est donc important de comprendre la différence entre les types de viscosité et de prendre les mécanismes de test appropriés pour l'échantillon en question.