Englerin aste
SI:n ulkopuolinen sopimuksenvaraisen viskositeetin yksikkö · suure: nesteen virtausvastus
Vanhan hammaspyöräpumpun arvokilpi vaatii usein öljyä «ei paksumpaa kuin 8 °E lämpötilassa 50 °C», ja senttistokeseihin tottunut lukee sen rivin hämmästellen, sillä luvun takana ei ole mitään fysikaalista merkitystä. Englerin aste on kahden ajan suhde: montako sekuntia kaksisataa millilitraa nestettä valuu messinkiastiasta kalibroidun suuttimen läpi ja montako sekuntia sama annos vettä vie samasta astiasta. Vesi on siksi määritelmän mukaan yksi, ja öljy, joka virtaa kahdeksan kertaa hitaammin, saa kahdeksan astetta.
Yksikkö on rakennettu niin, että laite toimii omana normaalinaan, ja se selittää yhdellä kertaa sekä sen kätevyyden että sen onnettomuuden: suppilon saattoi valmistaa missä tahansa tehtaan laboratoriossa, mutta Saksassa se tehtiin Englerin mukaan, Britanniassa Redwoodin, Amerikassa Sayboltin, ja yksi ja sama raakaöljy sai kolme vertailukelvotonta lukua. Senttistokeseihin kaikki kolme siirtyivät vasta kahdennenkymmenennen vuosisadan jälkipuoliskolla, kun taas pumppujen, vaihteistojen ja polttoöljylaitosten kilvet jäivät kirjoitetuiksi vanhaan tapaan, ja niitä on muunnettava vielä tänään.
01 · Määritelmä
Englerin aste on koeteltavan nesteen kahdensadan millilitran valuma-ajan suhde saman annoksen tislattua vettä kahdessakymmenessä asteessa Celsiusta, molemmat mittaukset tehtynä yhdellä ja samalla laitteella. Veden aikaa kutsutaan vesiarvoksi; kelvollisella viskosimetrillä se on viisikymmentäyksi sekuntia yhden sekunnin toleranssilla.
Yhteys kinemaattiseen viskositeettiin on olemassa, mutta se ei ole lineaarinen, ja syy on läpeensä fysikaalinen: neste poistuu suuttimesta ei vain viskoosin kitkan vaan myös hitauden voimalla, joten osa paineesta menee suihkun liike-energiaan. Niin kauan kuin neste on paksua, hitauskorjaus voidaan jättää huomiotta ja aste muuntuu senttistokeseiksi lähes suhteellisesti, kun taas juoksevilla nesteillä korjaus tulee verrannolliseksi itse mittauksen kanssa. Tästä syystä Ubbelohden kaavaa ei sovelleta alle 1,35 °E, eikä Englerin suppiloa oteta lainkaan nesteille, jotka ovat ohuempia kuin viisi neliömillimetriä sekunnissa.
Mittauslämpötila ilmoitetaan aina ja tulee merkintään tasavertaisena luvun kanssa, sillä öljyn viskositeetti puolittuu jokaista kahtakymmentä lämpöastetta kohti. Saksalainen käytäntö koetti kahdessakymmenessä, viidessäkymmenessä ja sadassa asteessa; neuvostoliittolainen, joka peri saman laitteen nimellä sopimuksenvarainen viskositeetti, pitäytyi useammin viidessäkymmenessä ja kahdeksassakymmenessä — ja juuri viimeksi mainittu lämpötila päätyi jopa polttoöljylajeihin, joissa luku nimissä M-40 tai M-100 tulee viskositeetista kahdeksassakymmenessä asteessa.
Omalla laitteellaan määritellyllä suureella ei ole normaalia sanan tavallisessa merkityksessä: toistettavissa ei ole viskositeetti vaan pari «astia plus suutin», vedellä kalibroituna. Tästä sekä vaatimus tarkastaa vesiarvo ennen jokaista sarjaa että kielto muuntaa vieraita asteita, kun ei tiedetä, millä laitteella ja missä lämpötilassa ne on saatu.
Lämmitä näytettä liukusäätimellä, niin suihku suuttimesta kulkee nopeammin: sekuntikello, ja sen mukana Englerin aste, vastaa lämpötilaan paljon jyrkemmin kuin voisi odottaa. Vasemmalla oleva pylväs näyttää, kuinka kauan kaksisataa millilitraa vie, ja oikealla olevat rivit sen, miten yhtä ja samaa tilaa lukee neljä eri asteikkoa.
Yhtenäinen viiva on senttistokesien todellinen riippuvuus asteista, katkoviiva yksinkertainen suhde kertoimella 7,31. Paksuilla öljyillä, pystysuoran oikealla puolella, molemmat viivat lähes yhtyvät; vasemmalla, missä neste virtaa helposti, suhde yliarvioi viskositeetin, koska suihku poistuu suuttimesta hitauden voimalla. Punainen merkki osoittaa sen alueen alle 1,35 °E, jolla mittausta ei yksinkertaisesti pidetä luotettavana.
02 · Muunnos
Syötä se, mitä arvokilvessä lukee
Kaikki sopimuksenvaraiset asteikot palautetaan yhteen kinemaattiseen viskositeettiin, joten muunnos niiden välillä on mekaaninen; tarkkuus ei kuitenkaan ole ehdoton: Saybolt- ja Redwood-sekunnit on sidottu senttistokeseihin yhtä likimääräisillä kaavoilla kuin Ubbelohde johti omalle laitteelleen.
Laitteen vesiarvo on lehden hienosäädöissä, sillä valuma-aika riippuu siitä suoraan: yhden sekunnin ero kalibroinnissa antaa noin kaksi prosenttia tulokseen.
Lukua ilman lämpötilaa ei voi muuntaa, eikä se ole saivartelua: yksi ja sama öljy antaa noin kaksitoista astetta viidessäkymmenessä asteessa Celsiusta ja alle kolme sadassa. Jos pumpun arvokilvessä ei ole lämpötilaa, luetaan oletuksena viisikymmentä astetta teollisuusöljyille ja kahdeksankymmentä polttoöljylle — parempi on kuitenkin etsiä se standardin painos, jonka mukaan kilpi on laadittu.
| Arvo | Huomautus | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Suuruusluokat
logaritminen asteikko: vedestä bitumiin04 · Mittalaitteet
Millä viskositeettia mitataan
Messinkiastia vesi- tai öljyhauteessa, alla kartiomainen suutin ja puutulppa, joka vedetään samalla hetkellä kuin sekuntikello käynnistetään. Kaksisataa millilitraa kerätään mittapulloon, ja laite itse kalibroidaan vedellä ennen sarjaa, koska sekä suutin että tilavuus siirtyvät ajan myötä varmennetuista arvoistaan.
Saman suppilon amerikkalainen sukulainen: toisen kaliiperin suutin, kuudenkymmenen millilitran annos, ja tulosta kutsutaan yksinkertaisesti sekunneiksi. Luku tulee noin kolmekymmentä kertaa suuremmaksi kuin Englerin, ja englanninkielisissä öljyraporteissa se esiintyy vielä tänäänkin, vaikka ASTM antoi jo kauan sitten etusijan senttistokeseille.
Lasiputki, jossa on kaksi merkkiä ja joiden välistä meniski kulkee: putoamisaika kerrotaan kapillaarivakiolla ja saadaan senttistokesit suoraan, ilman mitään sopimuksenvaraisia asteikkoja. Menetelmä on kuvattu standardeissa ISO 3104 ja ASTM D445, ja juuri se syrjäytti suppilot, koska se vaatii sormustimellisen näytettä eikä riipu siitä, kenen käsi pitää sekuntikelloa.
Karaa pyöritetään näytteessä ja akselin vääntömomentti mitataan, joten kokeen kesto ei riipu paksuudesta ja on sama öljylle kuin bitumille. Roottori osaa sen, mitä suppilo ei osaa: se asettaa leikkausnopeuden, ja vain siinä näkyy, että lisäaineistettu voiteluaine ohenee nopeassa leikkauksessa.
05 · Kirjoitussäännöt
Aste ilman lämpötilaa ei merkitse mitään
Astemerkki asetetaan kiinni isoon latinalaiseen kirjaimeen, arvo erotetaan välilyönnillä, ja mittauslämpötila ilmoitetaan aina, sillä ilman sitä lukua ei voi tarkistaa eikä muuntaa. Sopimuksenvaraisen viskositeetin neuvostomerkintä kirjoitetaan kyrillisin kirjaimin ja niin ikään lämpötilan kanssa; asteiden rinnastaminen senttistokeseihin yhtäläisyysmerkillä ei sen sijaan ole sallittua edes luonnoksessa: yhteys on likimääräinen ja yksisuuntainen.
Toinen kirjoitustapa sekoittaa suureen laitteeseen, sillä viskositeetin asteita ei ole olemassa — on olemassa aikojen suhde, otettuna tietyllä suppilolla. Kolmas panee yhtäläisyysmerkin siihen, mihin kuuluu likiarvo, ja antaa siksi raportissa väärää tarkkuutta. Neljäs on yksinkertaisesti mahdoton: alle 1,35 °E menetelmä ei toimi, ja näin juoksevalle nesteelle saatu luku ei heijasta viskositeettia vaan suihkun hitautta.
06 · Naapuriyksiköt
Lähimpiä sukulaisia ovat muut sopimuksenvaraiset asteikot, rakennettu täsmälleen samalla tavalla: annoksen valuma-aika kalibroidun suuttimen läpi, vain että suutin on kussakin maassa omansa. Ne kaikki suppenevat kinemaattiseen viskositeettiin, ja se on tiheyden kautta sidottu dynaamiseen — ja vasta tällä parilla on todellinen dimensio ja todellinen normaali.
vesi on yhtä kuin yksi
vastaus suoraan sekunteina
Redwood nro 1 -sekunti
Simetriumin korteista vieressä ovat öljyn viskositeettiluokat ISO VG ja SAE, joille tämä lehti on vastine, poise ja stokes CGS-järjestelmästä, sekä tiheys yksikössä kg/m³, jota ilman kinemaattisesta ei pääse dynaamiseen viskositeettiin.
07 · Historiallinen osa
Kolmen maan kolme suppiloa
Carl Engler työskenteli raakaöljyn jalostuksen parissa ja tarvitsi luvun, jolla Bakusta ja Pennsylvaniasta saapuvia eriä voisi verrata. Laitteen hän kokosi siitä, mitä laboratoriossa oli, ja mitaksi otti veden, sillä se oli jokaisella kollegalla käsillä eikä vaatinut minkäänlaisia taulukoita.
Brittiläinen asiantuntija Boverton Redwood ja amerikkalainen insinööri George Saybolt tekivät kumpikin oman suppilonsa, eikä kumpikaan jakanut aikaa vedellä: he ilmoittivat tuloksen suoraan sekunteina. Kolmen laitteen ajatus oli sama, suuttimien kaliiperit erilaiset, ja toimittajan ja ostajan kiistoissa siitä tuli kolme eri lukua yhdelle ja samalle säiliövaunulle.
Kun kaupasta tuli kansainvälistä, asteikkojen vertailukelvottomuus kävi kalliimmaksi kuin niiden kätevyys, ja standardit siirtyivät kapillaarilla mitattuun kinemaattiseen viskositeettiin. Saksalainen DIN 51560 kumottiin, ASTM säilytti Saybolt-sekunnit vain apumuunnoksena, ja sopimuksenvarainen viskositeetti GOST 6258:n mukaan piti pintansa kotimaisessa käytännössä vielä vuosikymmeniä.
Viskositeettia mitataan nykyään kapillaarilla tai roottorilla, mutta ennen siirtymää pystytetyt pumput, vaihteistot ja polttoöljylaitokset toimivat edelleen omien kilpiensä mukaan. Asentaja, joka lukee «ei paksumpaa kuin 8 °E lämpötilassa 50 °C», muuntaa sen kuudeksikymmeneksi neliömillimetriksi sekunnissa ja valitsee sitten öljyn ISO VG -luokan mukaan — yksikkö elää siis ei laboratoriossa vaan papereissa.
Laite, joka on oma normaalinsa
Englerin asteella ei ole normaalia tavallisessa mielessä eikä voi olla, koska määritelmä ei viittaa luonnonvakioon vaan rakenteeseen: tämän tilavuuden astia, tämän kaliiperin suutin, kahdensadan millilitran annos. Kalibroitava ei siksi ole yksikkö vaan laite, ja se tehdään vedellä — ainoalla nesteellä, jonka valuma-aika katsotaan tunnetuksi. Tästä seuraa mittauksen koko rituaalinen puoli: tuore vesiarvo ennen sarjaa, kolme yhtäpitävää lukemaa, kirjattu hauteen lämpötila.
Tällaisen rakenteen heikkous paljastui juuri siellä, missä sen kätevyys oli suurin. Niin kauan kuin tehdas vertaili omia eriään omalla suppilollaan, luvut täsmäsivät erinomaisesti; mutta heti kun kahden maan eriä piti verrata, kävi ilmi, ettei niillä ollut yhteistä suuretta — vain kolme pöytäkirjaa, joiden välillä ei ole mahdollista parempaa kuin likimääräinen muunnos. Kapillaariviskosimetri ratkaisi tehtävän antamalla mittaukselle sen dimension takaisin: se tuottaa neliömillimetrejä sekunnissa, ja kapillaarivakio tarkastetaan vertailunesteitä vasten, ei omaa menneisyyttään vasten.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi johdettua omine nimineen ja järjestelmän ulkopuolisia suureita, joita ilman ei toimisi tekniikka eikä kalenteri.