Viscosimètre

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Un viscosimètre est un appareil destiné à mesurer la viscosité des fluides. Il existe deux types de viscosimètre : les viscosimètres de process et les viscosimètres de laboratoire.

Viscosimètre industriel vibrant[modifier | modifier le code]

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

La partie active du viscosimètre est une tige vibrante animée par une alimentation électrique constante. L'amplitude de la vibration varie en fonction de la viscosité du fluide dans lequel la tige est immergée. Ces viscosimètres de process sont pratiques, en effet, n'ayant pas de pièce d'usure, ils ne demandent aucune maintenance. De plus, certaines configurations de viscosimètres vibrants peuvent fonctionner dans des conditions industrielles très difficiles : zone explosive, haute pression 300 bar, haute température 300 °C, haute viscosité 1 000 000 mPa·s. Contrairement aux viscosimètres rotatifs, les viscosimètres de type vibrant sont les mieux adaptés pour des mesures de viscosité industrielle, car ils fonctionnent à haut taux de cisaillement et peuvent mesurer des fluides très visqueux, colmatants et fibreux.

Applications principales[modifier | modifier le code]

Viscosimètre capillaire[modifier | modifier le code]

Le principe est la mesure du temps d'écoulement du produit pour en déduire sa viscosité.

Viscosimètre d'Ostwald[modifier | modifier le code]

Viscosimètre d'Ostwald

Le viscosimètre d'Ostwald, nommé d'après Wilhelm Ostwald, est un viscosimètre à capillaire composé d'un tube en U à rayon variable. Dans une des branches verticales du U, se trouve en hauteur une partie plus large en forme de bulbe qui est directement suivi par un capillaire. Le tube reprend sa largeur standard puis effectue la partie courbée du tube. Dans l'autre branche verticale, on trouve un second bulbe, plus large encore, mais, cette fois, situé dans la partie inférieure. 


Deux points situés l'un au-dessus du bulbe supérieur (A), l'autre en dessous de ce même bulbe (B) déterminent un volume connu. Le but est de mesurer le temps nécessaire au liquide pour passer du point supérieur A au point inférieur B. Le \Delta t ainsi obtenu permet de déterminer la viscosité dynamique (\eta) du liquide en connaissant sa masse volumique (\rho) via la loi de Poiseuille.

On obtient alors :

\Delta t = \frac{k \eta}{\rho}



 où k est une constante propre au viscosimètre fournie par le fabricant, ou devant être calculée par étalonnage avec un liquide dont la masse volumique et la viscosité sont connues. Cependant, k est une constante uniquement si le liquide est toujours mis au même niveau (point A) au début de chaque manipulation et s'il n'y a pas de bulles.


Dans la pratique, le liquide dont la viscosité est à déterminer est versé dans le tube puis est monté jusqu'au point A, souvent à l'aide d'une pompe à eau. 

D'autres types de viscosimètres fonctionnant sur le même modèle sont utilisés pour les liquide opaques.


Viscosimètre rotationnel de laboratoire[modifier | modifier le code]

Les viscosimètres rotationnels mesurent le couple nécessaire pour faire tourner une tige généralement en immersion dans un fluide. Les plus communs sont de type « Brookfield » (en). La tige est entraînée en rotation par un moteur en passant par un ressort étalonné. La résistance à l'écoulement va augmenter en fonction de la grosseur de la tige et/ou la vitesse de rotation. Certains sont à mesure bidirectionnelle avec un contrôle de vitesse variable. Ce type de viscosimètre n'est pas adapté à l'industrie. En effet, en raison de la présence d'un moteur et en fonction de la fréquence d'utilisation, la mesure de viscosité peut diverger assez rapidement et des étalonnages réguliers sont nécessaires. De plus, avec ces systèmes, il est impossible de mesurer des fluides de très haute viscosité, des produits colmatants, ou encore des produits fibreux.

Un autre type de viscosimètre rotationnel est le viscosimètre de Couette : il est composé de deux cylindres concentriques, le cylindre intérieur étant fixe et le cylindre extérieur en rotation entraînée par un moteur. La mesure du couple nécessaire pour empêcher la rotation du cylindre intérieur sous l'effet de la force de viscosité du fluide contenu entre les deux cylindres permet de remonter à la valeur de la viscosité du fluide. L'écoulement entre les deux cylindres est un écoulement de Couette.

Viscosimètre Stabinger[modifier | modifier le code]

Le viscosimètre Stabinger est un viscosimètre rotatif basé sur le principe de Couette modifié. Il permet de mesurer la viscosité cinématique sur une plage de mesure étendue avec une précision suivant les normes internationales (ASTM…).

Le cylindre extérieur du viscosimètre est un tube tournant à une vitesse constante dans un bloc de cuivre thermorégulé. Le rotor, cylindre creux intérieur de forme conique, flotte librement dans l'échantillon. En raison de sa faible densité, il est centré par les forces centrifuges. Par conséquent, il n'y a pas de phénomène de friction qui est inévitable pour la plupart des instruments se basant sur ce principe de mesure par rotation. Les forces de cisaillement du liquide permettent la rotation du rotor tandis qu'un aimant à l'intérieur du rotor agit comme un frein à la rotation créée par courants de Foucault avec le bloc de cuivre. À l'équilibre entre les forces qui l'entrainent et qui le freinent, le rotor atteint une vitesse de rotation stable. Celle-ci est une mesure univoque de la viscosité dynamique. Le couple moteur et la vitesse de rotation sont mesurés sans contact par un capteur à effet Hall qui mesure la fréquence du champ magnétique. Grâce à cette technique, la résolution du couple moteur atteint la valeur très faible de 50 pN·m. Ainsi, avec ce seul système de mesure, on peut couvrir une plage de viscosité de 0,2 à 20 000 mPa·s. Une cellule de mesure de masse volumique selon le principe tube en U oscillant[1] permet de calculer la viscosité cinématique à partir de la viscosité dynamique mesurée.

Viscosimètre Mooney[modifier | modifier le code]

Développé par le physicien et rhéologiste américain Melvin Mooney (en) (1893-1968), ce viscosimètre est très répandu dans l'industrie du caoutchouc. Il sert en contrôle qualité, pour le choix du grade d'un caoutchouc, ou pour contrôler une fabrication. Il se compose d'un rotor ou d'une chambre oscillante sur lequel est déposé un échantillon de caoutchouc solide non vulcanisé. Lors d'une mesure qui dure quelques minutes, à une température fixe comprise entre 100 °C et environ 200 °C, deux plateaux thermorégulés recouvrent l'échantillon. L'appareil détermine le couple résistant. La viscosité est donnée en « unités Mooney » ou « points Mooney » arbitraires (ex. : 50 points Mooney pour un grade de caoutchouc).

Il permet aussi la détermination de la constante k, égale au couple en points Mooney, mesurée 1 s après l'arrêt du rotor. De plus, un essai de relaxation Mooney donne la grandeur α, qui est une mesure de la vitesse de relaxation. Plus la valeur de α est proche de 0, plus le matériau fait preuve d'un comportement élastique. Voir aussi[2].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Voir (en) Oscillating U-tube sur Wikipédia
  2. Vulcamètre (de)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]