Mecânica dos fluidos/Classificação dos medidores de viscosidade

Viscosímetro de Engler, medidor por cisalhamento para uso em laboratório.

Instrumentos que medem viscosidade são chamados de viscosímetros ou viscômetros. Alguns reservam esse termo para os medidores de viscosidade de líquidos Newtonianos e chamam de reômetros àqueles adequados a todos os tipos de fluido. Reômetros em geral são capazes de medir outras grandezas, além da viscosidade; por exemplo, as propriedades viscoelásticas de alguns fluidos.

A viscosidade é tradicionalmente considerada uma variável complexa e difícil de medir-se, e ainda mais se se desejar que essa medição seja feita on-line.

Classificação dos medidores de viscosidade

Os medidores de viscosidade podem ser classificados de acordo com dois critérios. O primeiro é o da utilização, que divide os viscosímetros em instrumentos de laboratório e instrumentos para uso on-line; o segundo é o princípio de funcionamento, que já adotamos para a classificação dos medidores de vazão, e que por isso será o adotado aqui.

De acordo com o princípio de funcionamento, os viscosímetros atualmente em uso na indústria podem ser divididos nas seguintes categorias:

• Por escoamento
• Por cisalhamento
• Outros

Viscosímetros por escoamento

Viscosímetro de Ostwald.

No viscosímetro de Stokes (também chamado viscosímetro de esfera), que é o tipo mais simples de viscosímetro, abandona-se uma esfera em queda livre no fluido e mede-se sua velocidade terminal. Em seguida, calcula-se a viscosidade por meio da Lei de Stokes. O corpo do medidor precisa ser largo de forma que as paredes tenham pouca influência sobre o escoamento. Esse instrumento tem a desvantagem de exigir um grande volume de líquido.

Nos viscosímetros de escoamento por capilar, como, por exemplo, o viscosímetro de Ostwald, o fluido é obrigado a escoar por um tubo em forma de U, saindo de um reservatório e entrando em um bulbo de medição, e o tempo que o processo toma permite a avaliação do valor da viscosidade. A pequena seção do tubo garante um escoamento laminar, de forma que pode ser aplicada a equação de Hagen–Poiseuille. Uma variação do viscosímetro de Ostwald é o viscosímetro de Ubbelohde, que possui uma entrada de ar extra, que torna o tempo de escoamento independente da temperatura da solução.

Existe também o viscosímetro de copo; neste caso, mede-se o tempo que o líquido leva para escoar de um reservatório por meio de um orifício aberto no fundo.

Esses instrumentos medem a viscosidade cinemática do fluido, e são medidores confiáveis e baratos, mas não geralmente adequados para medição on-line. Uma exceção é o viscosímetro de Norcross, variação do viscosímetro de Stokes em que a esfera é substituída por um pistão e são introduzidos mecanismos e eletrônica específicos para permitir a execução de medidas sem interferência de seres humanos.

Viscosímetros por cisalhamento

Os viscosímetros por cisalhamento empregam um elemento móvel que, imerso no fluido, sofre a resistência deste, resistência que é proporcional à viscosidade.

Os viscosímetros oscilatórios utilizam um pistão imerso no fluido, que oscila a uma determinada frequência; essa frequência é diferente da frequência de oscilação sem a presença do fluido. A partir do período medido da oscilação, calcula-se a viscosidade do líquido. Os viscosímetros vibratórios baseiam-se na medida da potência elétrica que precisa ser aplicada a um elemento sensor imerso no fluido para que ele oscile a uma determinada frequência; a partir da potência medida, calcula-se a viscosidade por meio de uma fórmula obtida teoricamente. Alternativamente, pode-se estimar a velocidade não através da potência, mas por meio de um outro parâmetro, como amortecimento ou atraso de fase entre excitação e resposta.

Em ambos os tipos de medidor acima, a velocidade de cisalhamento é variável. Viscosímetros rotativos utilizam um elemento que gira com velocidade angular constante, imerso no fluido. Nesse tipo de medidor, a velocidade de cisalhamento é constante. O elemento rotativo pode ser um disco, um cone, ou um cilindro.

Esses medidores combinam alta sensibilidade, repetibilidade e precisão, e são mais adequados para medições on-line.

Outros viscosímetros

Existem viscosímetros que usam outros princípios de medição. Nos viscosímetros de bolha, o tempo que uma bolha de gás leva para ascender num reservatório com o líquido permite estimar a viscosidade deste. No viscosímetro por extrusão, o fluido é forçado mecanicamente a passar por um tubo capilar. No viscosímetro por fenda, o fluido é forçado mecanicamente a passar por uma abertura estreita.