Englergraad
Niet-SI-eenheid van conventionele viscositeit · grootheid: de weerstand van een vloeistof tegen stromen
Het typeplaatje van een oude tandwielpomp vraagt niet zelden olie «niet dikker dan 8 °E bij 50 °C», en wie aan centistokes gewend is, leest die regel met bevreemding, want achter het getal staat geen natuurkundige zin. De Englergraad is een verhouding van twee tijden: hoeveel seconden tweehonderd milliliter vloeistof uit een messing vat door een geijkte tuit uitloopt en hoeveel seconden dezelfde vulling water uit hetzelfde vat nodig heeft. Water is daarom per definitie gelijk aan één, en een olie die acht maal langzamer stroomt, krijgt acht graden.
De eenheid is zo gebouwd dat het toestel zichzelf als standaard dient, en dat verklaart in één keer zowel haar gemak als haar ongeluk: de trechter kon elk fabriekslaboratorium maken, maar in Duitsland bouwde men hem naar Engler, in Groot-Brittannië naar Redwood, in Amerika naar Saybolt, en één en dezelfde ruwe olie kreeg drie onvergelijkbare getallen. Naar centistokes gingen alle drie pas in de tweede helft van de twintigste eeuw over, terwijl de plaatjes op pompen, tandwielkasten en stookolie-installaties op de oude wijze beschreven bleven, en men moet ze tot vandaag omrekenen.
01 · Definitie
De Englergraad is de verhouding van de uitlooptijd van tweehonderd milliliter van de te beproeven vloeistof tot de uitlooptijd van dezelfde vulling gedestilleerd water bij twintig graden Celsius, waarbij beide metingen op één en hetzelfde toestel gebeuren. De tijd van water heet de waterwaarde; bij een deugdelijk viscosimeter ligt hij op eenenvijftig seconden met een tolerantie van één seconde.
Een betrekking met de kinematische viscositeit bestaat, maar zij is niet lineair, en de reden daarvoor is volstrekt natuurkundig: de vloeistof verlaat de tuit niet alleen door viskeuze wrijving maar ook door traagheid, zodat een deel van de druk in de bewegingsenergie van de straal gaat. Zolang de vloeistof dik is, mag men de traagheidscorrectie verwaarlozen en rekent de graad zich bijna evenredig om naar centistokes, terwijl bij dunne vloeistoffen de correctie vergelijkbaar wordt met de meting zelf. Om die reden past men de formule van Ubbelohde niet toe onder 1,35 °E, en de Englertrechter neemt men voor vloeistoffen dunner dan vijf vierkante millimeter per seconde in het geheel niet.
De meettemperatuur wordt altijd vermeld en gaat gelijkwaardig met het getal in de aantekening, want de viscositeit van een olie halveert per twintig graden verwarming. De Duitse praktijk beproefde bij twintig, vijftig en honderd graden; de Sovjetpraktijk, die hetzelfde toestel onder de naam conventionele viscositeit overnam, hield zich vaker aan vijftig en tachtig — en die laatste temperatuur kwam zelfs in de stookoliesoorten terecht, waar het getal in M-40 of M-100 van de viscositeit bij tachtig graden stamt.
Een via haar eigen toestel bepaalde grootheid heeft geen standaard in de gewone zin van het woord: reproduceerbaar is niet de viscositeit, maar het paar «vat plus tuit», met water geijkt. Vandaar zowel de eis om de waterwaarde vóór elke reeks te controleren, als het verbod om vreemde graden om te rekenen wanneer onbekend is op welk toestel en bij welke temperatuur zij verkregen zijn.
Verwarm het monster met de schuif, en de straal uit de tuit gaat sneller lopen: de stopwatch, en daarmee de Englergraad, reageert veel scherper op temperatuur dan men zou verwachten. De kolom links toont hoeveel tijd tweehonderd milliliter kost, en de regels rechts hoe één en dezelfde toestand door vier verschillende schalen wordt gelezen.
De doorgetrokken lijn is de werkelijke afhankelijkheid van centistokes van graden, de gestippelde de eenvoudige evenredigheid met de factor 7,31. Bij dikke oliën, rechts van de verticaal, vallen beide lijnen bijna samen; links, waar de vloeistof gemakkelijk stroomt, overschat de evenredigheid de viscositeit, omdat de straal de tuit door traagheid verlaat. Het rode merkteken duidt het gebied onder 1,35 °E aan, waarin de meting eenvoudig niet als betrouwbaar geldt.
02 · Omrekening
Voer in wat op het typeplaatje staat
Alle conventionele schalen worden herleid tot één kinematische viscositeit, zodat de omrekening ertussen mechanisch is; haar nauwkeurigheid is echter niet absoluut: Saybolt- en Redwoodseconden zijn met centistokes verbonden door even benaderende formules als die welke Ubbelohde voor zijn eigen toestel afleidde.
De waterwaarde van het toestel staat in de fijne instellingen van het blad, want de uitlooptijd hangt er rechtstreeks van af: één seconde verschil in de ijking geeft ongeveer twee procent in het resultaat.
Een getal zonder temperatuur laat zich niet omrekenen, en dat is geen muggenzifterij: één en dezelfde olie geeft ongeveer twaalf graden bij vijftig graden Celsius en minder dan drie bij honderd. Staat er op het typeplaatje van de pomp geen temperatuur, dan leest men standaard vijftig graden voor industriële oliën en tachtig voor stookolie — beter is het echter de uitgave van de norm te vinden waarnaar het plaatje is opgesteld.
| Waarde | Toelichting | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Ordes van grootte
logaritmische schaal: van water tot bitumen04 · Meetinstrumenten
Waarmee viscositeit wordt gemeten
Een messing vat in een water- of oliebad, onderaan een kegelvormige tuit en een houten stop die men trekt op hetzelfde ogenblik dat de stopwatch start. Tweehonderd milliliter wordt in een maatkolf opgevangen, en het toestel zelf wordt vóór elke reeks met water geijkt, omdat zowel tuit als volume mettertijd van hun gecertificeerde waarden afwijken.
De Amerikaanse verwant van dezelfde trechter: een tuit van een ander kaliber, een vulling van zestig milliliter, en het resultaat noemt men simpelweg seconden. Het getal valt ongeveer dertig maal groter uit dan het Englerse, en in Engelstalige olierapporten komt het tot vandaag voor, hoewel ASTM allang de voorrang aan centistokes heeft gegeven.
Een glazen buis met twee merktekens waartussen de meniscus doorloopt: de valtijd wordt vermenigvuldigd met de capillairconstante en geeft rechtstreeks centistokes, zonder enige conventionele schaal. De methode is beschreven in ISO 3104 en ASTM D445, en zij heeft de trechters verdrongen, omdat zij een vingerhoed monster vraagt en niet afhangt van wiens hand de stopwatch vasthoudt.
Een spil wordt in het monster gedraaid en het koppel op de as gemeten, zodat de proefduur niet van de dikte afhangt en gelijk is voor olie en voor bitumen. De rotor kan wat de trechter niet kan: hij legt de afschuifsnelheid op, en alleen daaraan blijkt dat een smeermiddel met additieven bij snelle afschuiving dunner wordt.
05 · Schrijfregels
Een graad zonder temperatuur betekent niets
Het gradenteken staat tegen de hoofdletter aan, de waarde wordt door een spatie gescheiden, en de meettemperatuur wordt altijd vermeld, want zonder haar kan het getal noch gecontroleerd noch omgerekend worden. Het Sovjetsymbool voor conventionele viscositeit schrijft men cyrillisch en eveneens met temperatuur; graden echter met een gelijkteken aan centistokes gelijkstellen mag zelfs in een klad niet: de betrekking is benaderend en eenzijdig.
De tweede schrijfwijze verwart de grootheid met het toestel, want viscositeitsgraden bestaan niet — er bestaat een verhouding van tijden, op een bepaalde trechter verkregen. De derde zet een gelijkteken waar een benadering hoort, en levert in een rapport dus valse nauwkeurigheid. De vierde is eenvoudig onmogelijk: onder 1,35 °E werkt de methode niet, en een getal dat voor zo'n dunne vloeistof is verkregen, weerspiegelt niet de viscositeit maar de traagheid van de straal.
06 · Naburige eenheden
De naaste verwanten zijn de overige conventionele schalen, precies zo gebouwd: de uitlooptijd van een vulling door een geijkte tuit, alleen is de tuit in elk land een eigen. Zij lopen alle uit op de kinematische viscositeit, en die is via de dichtheid met de dynamische verbonden — en pas dit paar heeft een echte dimensie en een echte standaard.
water is gelijk aan één
het antwoord meteen in seconden
Redwood nr. 1-seconde
Van de fiches van Simetrium staan ernaast olieviscositeitsklassen ISO VG en SAE, waarvan dit blad de tegenhanger is, poise en stokes uit het CGS-stelsel, en ook dichtheid in kg/m³, zonder welke men van de kinematische niet naar de dynamische viscositeit komt.
07 · Historisch deel
Drie trechters van drie landen
Carl Engler hield zich bezig met de verwerking van ruwe olie en had een getal nodig waarmee partijen uit Bakoe en Pennsylvania vergeleken konden worden. Het toestel bouwde hij uit wat er in het laboratorium stond, en als maat nam hij water, want dat had elke collega bij de hand en het vroeg geen enkele tabel.
De Britse deskundige Boverton Redwood en de Amerikaanse ingenieur George Saybolt bouwden elk zijn eigen trechter, en geen van beiden deelde de tijd door water: zij noemden het resultaat rechtstreeks in seconden. Het idee achter de drie toestellen was hetzelfde, de kalibers van de tuiten verschilden, en in geschillen tussen leverancier en koper werden dat drie verschillende getallen voor één ketelwagen.
Toen de handel internationaal werd, kwam de onvergelijkbaarheid van de schalen duurder te staan dan hun gemak, en de normen gingen over op de kinematische viscositeit, met het capillair gemeten. De Duitse DIN 51560 werd ingetrokken, ASTM behield de Saybolt-seconden alleen als hulpomrekening, en de conventionele viscositeit volgens GOST 6258 hield zich in de eigen praktijk nog decennia staande.
Viscositeit wordt vandaag met capillair of rotor gemeten, maar pompen, tandwielkasten en stookolie-installaties die vóór de overgang zijn geplaatst, werken verder volgens hun eigen plaatjes. Een monteur die «niet dikker dan 8 °E bij 50 °C» leest, rekent dat om naar zestig vierkante millimeter per seconde en kiest de olie vervolgens naar ISO VG-klasse — de eenheid leeft dus niet in het laboratorium, maar in de papieren.
Een toestel dat zijn eigen standaard is
De Englergraad heeft geen standaard in de gewone zin en kan er geen hebben, omdat de definitie niet naar een natuurconstante verwijst maar naar een bouwwijze: een vat van dit volume, een tuit van dit kaliber, een vulling van tweehonderd milliliter. Geijkt wordt daarom niet de eenheid maar het toestel, en wel met water — de enige vloeistof waarvan de uitlooptijd als bekend geldt. Daaruit volgt de hele rituele kant van de meting: een verse waterwaarde vóór de reeks, drie overeenstemmende metingen, de genoteerde badtemperatuur.
De zwakte van deze constructie bleek juist daar waar haar gemak het grootst was. Zolang een fabriek haar eigen partijen op haar eigen trechter vergeleek, klopten de getallen voortreffelijk; maar zodra partijen van twee landen vergeleken moesten worden, bleek dat zij geen gemeenschappelijke grootheid hadden — slechts drie protocollen, waartussen niets beters dan een benaderende omrekening mogelijk is. Het capillairviscosimeter loste de opgave op door de meting haar dimensie terug te geven: het levert vierkante millimeters per seconde, en de capillairconstante wordt aan referentievloeistoffen geijkt, niet aan haar eigen verleden.
Catalogus · meeteenheden
Een fiche voor elke grootheid
Zeven SI-basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met een eigen naam en grootheden buiten het stelsel waarzonder techniek noch kalender zouden werken.