Stopień Englera
Jednostka spoza SI lepkości umownej · wielkość: opór cieczy wobec przepływu
Tabliczka starej pompy zębatej nierzadko żąda oleju «nie gęstszego niż 8 °E w 50 °C», a kto przywykł do centystokesów, czyta ten wiersz ze zdziwieniem, bo za liczbą nie stoi żaden sens fizyczny. Stopień Englera to stosunek dwóch czasów: ile sekund dwieście mililitrów cieczy wypływa z mosiężnego naczynia przez wyskalowaną dyszę i ile sekund zabiera ta sama porcja wody z tego samego naczynia. Woda równa się dlatego jeden z definicji, a olej, który płynie osiem razy wolniej, dostaje osiem stopni.
Jednostka jest zbudowana tak, że przyrząd sam sobie służy za wzorzec, a to od razu tłumaczy i jej wygodę, i jej nieszczęście: lejek można było wykonać w każdym laboratorium zakładowym, ale w Niemczech robiono go według Englera, w Wielkiej Brytanii według Redwooda, w Ameryce według Saybolta, i jedna i ta sama ropa naftowa dostawała trzy nieporównywalne liczby. Na centystokesy przeszły wszystkie trzy dopiero w drugiej połowie dwudziestego wieku, podczas gdy tabliczki na pompach, przekładniach i gospodarkach mazutowych pozostały pisane po staremu, i trzeba je przeliczać do dziś.
01 · Definicja
Stopień Englera to stosunek czasu wypływu dwustu mililitrów badanej cieczy do czasu wypływu tej samej porcji wody destylowanej w dwudziestu stopniach Celsjusza, przy czym oba pomiary wykonuje się na jednym i tym samym przyrządzie. Czas wody nazywa się wartością wodną; przy sprawnym wiskozymetrze mieści się on w pięćdziesięciu jeden sekundach z tolerancją jednej sekundy.
Związek z lepkością kinematyczną istnieje, ale nie jest liniowy, a przyczyna jest całkiem fizyczna: ciecz opuszcza dyszę nie tylko za sprawą tarcia lepkiego, ale i bezwładnością, tak że część naporu odchodzi w energię ruchu strumienia. Dopóki ciecz jest gęsta, poprawkę bezwładnościową można pominąć i stopień przelicza się na centystokesy niemal proporcjonalnie, natomiast przy cieczach rzadkich poprawka staje się porównywalna z samym pomiarem. Z tego powodu wzoru Ubbelohdego nie stosuje się poniżej 1,35 °E, a lejka Englera nie bierze się w ogóle do cieczy rzadszych niż pięć milimetrów kwadratowych na sekundę.
Temperaturę pomiaru podaje się zawsze i wchodzi ona do zapisu na równi z liczbą, bo lepkość oleju spada o połowę na każde dwadzieścia stopni ogrzania. Praktyka niemiecka badała w dwudziestu, pięćdziesięciu i stu stopniach; radziecka, która odziedziczyła ten sam przyrząd pod nazwą lepkości umownej, trzymała się częściej pięćdziesięciu i osiemdziesięciu — i właśnie ta ostatnia temperatura trafiła nawet do gatunków mazutu, gdzie liczba w M-40 czy M-100 pochodzi od lepkości w osiemdziesięciu stopniach.
Wielkość zadana przez własny przyrząd nie ma wzorca w zwykłym znaczeniu słowa: odtwarzalna jest nie lepkość, lecz para «naczynie plus dysza», atestowana wodą. Stąd i wymóg sprawdzania wartości wodnej przed każdą serią, i zakaz przeliczania cudzych stopni, gdy nie wiadomo, na jakim przyrządzie i w jakiej temperaturze je uzyskano.
Podgrzej próbkę suwakiem, a strumień z dyszy pójdzie szybciej: stoper, a wraz z nim stopień Englera, odpowiada na temperaturę o wiele ostrzej, niż można by oczekiwać. Słupek po lewej pokazuje, ile czasu zabiera dwieście mililitrów, a wiersze po prawej — jak jeden i ten sam stan czytają cztery różne skale.
Linia ciągła to prawdziwa zależność centystokesów od stopni, przerywana — prosta proporcja ze współczynnikiem 7,31. Przy olejach gęstych, na prawo od pionu, obie linie niemal się pokrywają; na lewo, gdzie ciecz płynie łatwo, proporcja zawyża lepkość, bo strumień opuszcza dyszę bezwładnością. Czerwony znak wyznacza obszar poniżej 1,35 °E, w którym pomiaru po prostu nie uważa się za wiarygodny.
02 · Przeliczanie
Wpisz to, co stoi na tabliczce
Wszystkie skale umowne sprowadzają się do jednej lepkości kinematycznej, więc przeliczenie między nimi jest mechaniczne; jego dokładność nie jest jednak bezwzględna: sekundy Saybolta i Redwooda wiążą się z centystokesami wzorami równie przybliżonymi jak ten, który Ubbelohde wyprowadził dla własnego przyrządu.
Wartość wodna przyrządu jest wyniesiona do ustawień szczegółowych karty, ponieważ czas wypływu zależy od niej wprost: jedna sekunda różnicy we wzorcowaniu daje około dwóch procent w wyniku.
Liczby bez temperatury przeliczyć się nie da, i to nie jest czepianie się: jeden i ten sam olej daje około dwunastu stopni w pięćdziesięciu stopniach Celsjusza i mniej niż trzy w stu. Jeśli na tabliczce pompy temperatury nie podano, czyta się domyślnie pięćdziesiąt stopni dla olejów przemysłowych i osiemdziesiąt dla mazutu — lepiej jednak odnaleźć to wydanie normy, według którego tabliczkę sporządzono.
| Wartość | Uwaga | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Rzędy wielkości
skala logarytmiczna: od wody do bitumu04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się lepkość
Mosiężne naczynie w łaźni wodnej lub olejowej, u dołu stożkowa dysza i drewniany korek, który wyciąga się w tej samej chwili, w której uruchamia się stoper. Dwieście mililitrów zbiera się do kolby miarowej, a sam przyrząd wzorcuje się wodą przed serią, ponieważ i dysza, i objętość z czasem odchodzą od wartości atestowanych.
Amerykański krewny tego samego lejka: dysza innego kalibru, porcja sześćdziesięciu mililitrów, a wynik nazywa się po prostu sekundami. Liczba wychodzi około trzydzieści razy większa niż Englerowska, a w anglojęzycznych raportach naftowych spotyka się ją do dziś, choć ASTM dawno dał pierwszeństwo centystokesom.
Szklana rurka z dwiema kreskami, między którymi przechodzi menisk: czas opadania mnoży się przez stałą kapilary i daje centystokesy wprost, bez żadnych skal umownych. Metodę opisano w ISO 3104 i ASTM D445, i to ona wyparła lejki, bo wymaga naparstka próbki i nie zależy od tego, czyja ręka trzyma stoper.
Wrzeciono obraca się w próbce i mierzy się moment na wale, tak że czas próby nie zależy od gęstości i jest ten sam dla oleju i dla bitumu. Rotor potrafi to, czego nie potrafi lejek: zadaje prędkość ścinania, i tylko na nim widać, że smar z dodatkami przy szybkim ścinaniu rzednie.
05 · Zasady zapisu
Stopień bez temperatury nic nie znaczy
Znak stopnia stawia się tuż przy wielkiej łacińskiej literze, wartość oddziela się spacją, a temperaturę pomiaru podaje się zawsze, bo bez niej liczby nie da się ani sprawdzić, ani przeliczyć. Radzieckie oznaczenie lepkości umownej pisze się cyrylicą i również z temperaturą; stawiać natomiast znak równości między stopniami a centystokesami nie wolno nawet w brudnopisie: związek jest przybliżony i jednostronny.
Drugi zapis myli wielkość z przyrządem, bo stopni lepkości nie ma — jest stosunek czasów, zdjęty na określonym lejku. Trzeci stawia znak równości tam, gdzie miejsce na przybliżenie, i daje przez to w raporcie fałszywą dokładność. Czwarty jest po prostu niemożliwy: poniżej 1,35 °E metoda nie działa, a liczba uzyskana dla tak rzadkiej cieczy odzwierciedla nie lepkość, lecz bezwładność strumienia.
06 · Jednostki sąsiednie
Najbliższą rodziną są pozostałe skale umowne, zbudowane dokładnie tak samo: czas wypływu porcji przez wyskalowaną dyszę, tyle że dysza w każdym kraju jest własna. Wszystkie zbiegają się do lepkości kinematycznej, a ta wiąże się przez gęstość z dynamiczną — i dopiero ta para ma prawdziwy wymiar i prawdziwy wzorzec.
woda równa się jeden
wynik wprost w sekundach
sekunda Redwood nr 1
Spośród kart Simetrium obok stoją klasy lepkości olejów ISO VG i SAE, którym ta karta jest odpowiednikiem, puaz i stokes z układu CGS, a także gęstość w kg/m³, bez której nie da się przejść od lepkości kinematycznej do dynamicznej.
07 · Dział historyczny
Trzy lejki trzech krajów
Carl Engler zajmował się przeróbką ropy naftowej i potrzebował liczby, którą można by porównywać partie przychodzące z Baku i z Pensylwanii. Przyrząd złożył z tego, co stało w laboratorium, a za miarę wziął wodę, bo była pod ręką każdego kolegi i nie wymagała żadnych tablic.
Brytyjski rzeczoznawca Boverton Redwood i amerykański inżynier George Saybolt zrobili każdy swój lejek i żaden nie dzielił czasu przez wodę: podawali wynik wprost w sekundach. Pomysł trzech przyrządów był ten sam, kalibry dysz różne, a w sporach między dostawcą a odbiorcą wychodziły z tego trzy różne liczby dla jednej cysterny.
Gdy handel stał się międzynarodowy, nieporównywalność skal wyszła drożej niż ich wygoda, a normy przeszły na lepkość kinematyczną mierzoną kapilarą. Niemiecką DIN 51560 wycofano, ASTM zachował sekundy Saybolta tylko jako przeliczenie pomocnicze, a lepkość umowna według GOST 6258 utrzymała się w praktyce krajowej jeszcze dziesięciolecia.
Lepkość mierzy się dziś kapilarą albo rotorem, ale pompy, przekładnie i gospodarki mazutowe postawione przed przejściem pracują dalej według własnych tabliczek. Regulator, który czyta «nie gęstszy niż 8 °E w 50 °C», przelicza to na sześćdziesiąt milimetrów kwadratowych na sekundę i dobiera potem olej już według klasy ISO VG — jednostka żyje więc nie w laboratorium, lecz w dokumentach.
Przyrząd, który sam sobie jest wzorcem
Stopień Englera nie ma i mieć nie może wzorca w zwykłym sensie, ponieważ definicja odsyła nie do stałej przyrody, lecz do budowy: naczynie tej objętości, dysza tego kalibru, porcja dwustu mililitrów. Atestuje się zatem nie jednostkę, lecz przyrząd, i robi się to wodą — jedyną cieczą, której czas wypływu uważa się za znany. Stąd cała obrzędowa strona pomiaru: świeża wartość wodna przed serią, trzy zgodne odczyty, zapisana temperatura łaźni.
Słabość takiej budowy ujawniła się dokładnie tam, gdzie jej wygoda była największa. Dopóki zakład porównywał własne partie na własnym lejku, liczby zgadzały się znakomicie; ale gdy tylko trzeba było porównać partie dwóch krajów, okazało się, że nie mają one wspólnej wielkości — są tylko trzy protokoły, między którymi nic lepszego niż przybliżone przeliczenie nie jest możliwe. Wiskozymetr kapilarny rozwiązał zadanie, zwracając pomiarowi wymiar: daje milimetry kwadratowe na sekundę, a stałą kapilary sprawdza się względem cieczy wzorcowych, a nie względem własnej przeszłości.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami i wielkości spoza układu, bez których nie działałaby ani technika, ani kalendarz.