Bennett Fitch, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

Un viscosímetro es un instrumento que se utiliza para medir la viscosidad de un fluido y las propiedades de flujo de los líquidos. Analicemos los diversos tipos de viscosímetros, sus características internas y los factores que intervienen en la realización de una medición de viscosidad precisa y repetible.

En tribología y el estudio de la lubricación, la viscosidad se ha mencionado a menudo como la característica más importante de un lubricante. ¿Por qué es tan importante la viscosidad en la lubricación de una máquina? Por un lado, una viscosidad demasiado baja permitiría el contacto interfacial entre los componentes internos en movimiento, generando desgaste.

Por otro lado, una viscosidad demasiado alta obligaría a la máquina a trabajar más para superar la resistencia interna a fluir del lubricante. Por esta razón, es importante comprender no solo la viscosidad del aceite base, sino también cómo puede cambiar debido a las fluctuantes condiciones del medio ambiente o de operación.

Viscosímetros frente a reómetros

La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a fluir (esfuerzo cortante) a una temperatura dada. Como las condiciones de flujo varían, no todos los fluidos mantienen una viscosidad sin cambios. Un fluido en el que la viscosidad cambia con las condiciones de flujo se denomina fluido no newtoniano. La viscosidad de este tipo de fluidos se mide con reómetros. Los viscosímetros miden la viscosidad de los fluidos newtonianos.

Viscosidad cinemática vs absoluta

Entre las diversas metodologías de viscosímetros, hay dos formas distintas en las que se puede expresar la viscosidad: viscosidad cinemática y viscosidad absoluta. La diferencia clave entre las dos es que la viscosidad cinemática se mide observando la resistencia del fluido a fluir bajo la fuerza de la gravedad, mientras que la viscosidad absoluta se mide observando la resistencia del fluido a fluir bajo una fuerza externa y controlada, ya sea a través de un capilar o por el movimiento de un cuerpo a través del fluido.

La viscosidad cinemática se reporta en centistokes (cSt), pero la viscosidad absoluta se reporta en centipoises (cP). En aras de la comparación, la viscosidad absoluta a menudo se convierte en viscosidad cinemática dividiéndola por la gravedad específica (SG) del fluido.

cSt = cP/SG o la inversa de la ecuación: cP = cSt x SG

Métodos de prueba de viscosidad

Se han establecido varios métodos para la prueba de viscosidad y cada uno tiene sus ventajas. A continuación se muestra una lista de las técnicas más comunes utilizadas en las mediciones de viscosidad del aceite.

Prueba de viscosímetro capilar (vidrio)

El aparato principal utilizado en una prueba de viscosímetro capilar es un tubo de vidrio que por lo general tiene forma de «U», lo que le da su nombre comúnmente asociado, el tubo en U. El procedimiento requiere que el tubo se sumerja en un baño a temperatura controlada (generalmente 40 o 100 ºC) y una lectura de tiempo precisa (en segundos) marcando el tiempo que tarda una cantidad fija de fluido en fluir dentro del tubo de un punto marcado a otro, ya sea por succión o por la fuerza de la gravedad.

Este tiempo medido se multiplica luego por una constante (asociada al tubo particular) para calcular la viscosidad absoluta (succión) o la viscosidad cinemática (fuerza de gravedad).

Prueba de viscosímetro rotatorio

La característica clave de un viscosímetro rotatorio involucra un aparato giratorio, que se conoce como husillo, que se sumerge dentro del fluido de prueba. El torque en el eje giratorio se usa para medir la resistencia del fluido al flujo.

Dado que esta medida no involucra la fuerza de la gravedad sino una función del esfuerzo cortante interno del fluido, el viscosímetro rotatorio calcula la viscosidad absoluta del fluido. Una variación común de este tipo de viscosímetro se llama viscosímetro Brookfield.

Figura 1. Viscosímetro capilar de tubo de vidrio en forma de U de flujo por gravedad ASTM D445

Figura 2. Viscosímetro rotatorio (Brookfield) ASTM D2983

Una variación mejorada del viscosímetro rotacional es el viscosímetro Stabinger. Utiliza un husillo flotante independiente modificado que está controlado por fuerzas electromagnéticas para generar rotación dentro del fluido. Esto es ventajoso porque elimina la difícil tarea de tener en cuenta la fricción del cojinete de un motor conectado al husillo.

Prueba de viscosímetro de caída de bola y caída de pistón

Algunas alternativas menos comunes para medir la viscosidad incluyen los viscosímetros de caída de bola y de caída de pistón. En estas pruebas, se deja caer una bola o un pistón en el líquido y se mide el tiempo entre el paso de un punto marcado a un segundo punto marcado. Para calcular la viscosidad de acuerdo con la ley de Stokes, se debe conocer la velocidad terminal, el tamaño y la densidad de la bola o pistón.

Otros métodos de prueba

En algunos casos poco comunes en las pruebas de viscosidad del aceite se puede usar un método de burbuja. Esta prueba generalmente consiste en medir el tiempo que tarda una burbuja en ascender una distancia específica. Este tiempo medido puede entonces asociarse proporcionalmente a la viscosidad del fluido. Otra variación incluye medir la resistencia a la vibración de una sonda.

Tipos de viscosímetros

Aunque existen varios métodos por los cuales se puede determinar la viscosidad, la mayoría de los viscosímetros se venden comercialmente para adaptarse mejor a su uso previsto. A continuación se muestra una lista de estas categorías de viscosímetros.

Viscosímetros portátiles

Como su nombre lo indica, los viscosímetros portátiles están diseñados para usarse en cualquier lugar donde un entorno de laboratorio no sea práctico. En muchas aplicaciones en sitio y en campo se necesitan viscosímetros para proporcionar lecturas de viscosidad aproximadas y rápidas, generalmente con el fin de garantizar un análisis adicional.

Pequeños viscosímetros en sitio

Para lecturas de viscosidad más precisas, se comercializan pequeños viscosímetros en sitio para entornos de laboratorio, pero a un precio razonable. Dichos viscosímetros incluyen los de las variedades de tubo en U o Brookfield. Si bien existen varias variaciones del viscosímetro de tubo en U, tres de los más conocidos son Ostwald, Cannon-Fenske y Ubbelohde.

Figura 3. Variaciones comunes del viscosímetro de tubo en U

Viscosímetros de servicio completo

Para obtener el mayor grado de precisión en las pruebas de viscosidad, se debe emplear un viscosímetro de servicio completo. Estas unidades suelen tener la capacidad de probar automáticamente la viscosidad cinemática y absoluta en una amplia gama de temperaturas, así como también proporcionar cálculos de densidad y gravedad específica. Un desafío común que enfrentan los laboratorios de análisis de aceite con muestras que requieren múltiples pruebas es la capacidad de realizar estas pruebas con la menor cantidad de muestra posible.

Varios de los viscosímetros de servicio completo más sofisticados pueden realizar mediciones precisas con una repetibilidad del 0.1 por ciento utilizando un tamaño de muestra de menos de 0.1 mililitros. En grandes laboratorios que analizan cientos de muestras por día, es una gran ventaja contar con viscosímetros de servicio completo.

Viscosímetros en línea/dentro de línea

Si bien la mayoría de las pruebas de viscosidad del aceite se realizan después de extraer  una muestra, algunos viscosímetros pueden proporcionar lecturas de viscosidad de forma continua en líneas de flujo activas. Esto generalmente se logra por medio de un sensor o transductor que está directamente dentro de la línea (parte de la tubería) o en línea (flujo en derivación o transductor). Las mediciones de viscosidad se toman y luego se envían electrónicamente como señales a una computadora o dispositivo de monitoreo adicional.

Factores que afectan las mediciones de viscosidad

Aunque la viscosidad de un fluido puede parecer simple de analizar, realizar mediciones precisas en dichos fluidos puede ser una tarea difícil. Se deben conocer y mantener constantes varios factores para que una medición sea efectiva, incluidos los siguientes:

Temperatura

En términos de importancia, la temperatura es a la viscosidad lo que la viscosidad es al aceite base. La única responsabilidad del baño de temperatura controlada es garantizar que todo el experimento de medición de la viscosidad permanezca a una temperatura precisa (generalmente a 40 o 100 grados C) y se controle dentro de los 0,02 grados C. Administrar el baño a este grado puede ser un desafío, por lo que los viscosímetros más sofisticados incluyen el sistema de baño de temperatura controlada como parte de la unidad.

Vidrio del viscosímetro

Los viscosímetros capilares no solo dependen de la temperatura para la precisión, sino también del diámetro interior preciso dentro del tubo. Por esta razón, estos tubos de vidrio se forman con un vidrio de borosilicato de baja expansión completamente recocido y, a menudo, vienen con la constante del viscosímetro asociada al tubo como factor de corrección. Recalibrar la constante del viscosímetro anualmente y de acuerdo con la temperatura a la que se utilizará es una práctica común para garantizar el menor error posible. Los métodos de calibración se especifican en la norma ASTM D446.

Tamaño del viscosímetro

Los viscosímetros varían en tamaño debido a la amplia variedad de viscosidades que se pueden analizar. Se recomienda que un viscosímetro demore al menos 200 segundos (para mediciones manuales usando un cronómetro) para que el fluido de prueba pase de un punto marcado al otro para evitar errores humanos.

Enjuague entre medidas

Otro factor de prueba crucial del viscosímetro es la calidad del enjuague dentro del tubo entre mediciones. Por lo general, las etapas de limpieza, enjuague y secado se realizan con varios solventes libres de residuos. En los laboratorios donde las muestras se procesan continuamente en viscosímetros de gran volumen, los sistemas de limpieza integrados garantizan la eficiencia de la limpieza. Sin embargo, aún se requiere una verificación visual para determinar si es necesario un segundo ciclo de enjuague, especialmente para los aceites usados.

Otros factores importantes que pueden afectar las mediciones de viscosidad incluyen el método y la precisión del cronómeto, el manejo adecuado de la muestra y el control de calidad profundo y continuo.

Las mediciones de viscosidad han evolucionado a lo largo de los años con varios estilos y metodologías. Para dar crédito de la ASTM y la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), los métodos de prueba, los procedimientos, la calibración, la limpieza y otros factores del viscosímetro también han evolucionado para garantizar la precisión y la consistencia entre los diferentes viscosímetros.

Después de todo, dado que la viscosidad es la propiedad física más importante de un lubricante, los esfuerzos para realizar mediciones de viscosidad a través de métodos cuidadosos y estándares estrictos pueden equivaler a una lubricación de maquinaria más confiable y, en última instancia, a una maquinaria más durable.