Градус Энглера
Внесистемная единица условной вязкости · величина: сопротивление жидкости течению
Паспорт старого шестерённого насоса нередко требует масла «не выше 8 °E при 50 °C», и человек, привыкший к сантистоксам, читает эту строку с недоумением, потому что никакого физического смысла за числом не стоит. Градус Энглера — это отношение двух времён: сколько секунд двести миллилитров жидкости вытекают из латунного сосуда через калиброванное сопло и сколько секунд из того же сосуда вытекает та же порция воды. Вода поэтому равна единице по определению, а масло, которое течёт в восемь раз медленнее, получает восемь градусов.
Устроена единица так, что прибор служит сам себе эталоном, а это разом объясняет и её удобство, и её беду: воронку можно было изготовить в любой заводской лаборатории, но в Германии её делали по Энглеру, в Британии по Редвуду, в Америке по Сейболту, и одна и та же нефть получала три несравнимых числа. К сантистоксам все три перешли только во второй половине двадцатого века, тогда как таблички на насосах, редукторах и мазутных хозяйствах остались написаны по-старому, и переводить их приходится до сих пор.
01 · Определение
Градус Энглера равен отношению времени истечения двухсот миллилитров испытуемой жидкости к времени истечения такой же порции дистиллированной воды при двадцати градусах Цельсия, причём оба измерения делают на одном и том же приборе. Время воды называют водным числом; у годного вискозиметра оно укладывается в пятьдесят одну секунду с допуском в одну секунду.
Связь с кинематической вязкостью существует, но она нелинейна, и причина тому вполне физическая: жидкость покидает сопло не только под действием вязкого трения, а ещё и по инерции, так что часть напора уходит в кинетическую энергию струи. Пока жидкость густая, инерционной поправкой можно пренебречь, и градус переводится в сантистоксы почти пропорционально, тогда как у жидкостей текучих поправка становится сравнима с самим измерением. По этой причине формулу Уббелоде не применяют ниже 1,35 °E, а воронку Энглера вообще не берут для жидкостей жиже пяти квадратных миллиметров в секунду.
Температуру измерения указывают всегда, и она входит в запись наравне с числом, поскольку вязкость масла падает вдвое на каждые двадцать градусов нагрева. Немецкая практика вела испытания при двадцати, пятидесяти и ста градусах, советская, унаследовавшая тот же прибор под именем условной вязкости, чаще держалась пятидесяти и восьмидесяти — последняя температура попала даже в марки мазута, где число в названии М-40 или М-100 идёт от вязкости при восьмидесяти градусах.
Величина, заданная через собственный прибор, не имеет эталона в обычном смысле слова: воспроизводима не вязкость, а пара «сосуд плюс сопло», аттестованная по воде. Отсюда и требование поверять водное число перед каждой серией, и запрет пересчитывать чужие градусы, если неизвестно, на каком приборе и при какой температуре их получили.
Нагрейте пробу ползунком, и струя из сопла пойдёт быстрее: секундомер, а вместе с ним и градус Энглера, отзывается на температуру гораздо резче, чем можно ожидать. Столбик слева показывает, сколько времени уходит на двести миллилитров, а строки справа — как одно и то же состояние читают четыре разные шкалы.
Сплошная линия — настоящая зависимость сантистоксов от градусов, пунктирная — простая пропорция с коэффициентом 7,31. У густых масел, справа от вертикали, обе линии почти совпадают, а слева, где жидкость течёт легко, пропорция завышает вязкость, потому что струя уходит из сопла по инерции. Красной чертой отмечена та область ниже 1,35 °E, в которой измерение попросту не считают достоверным.
02 · Пересчёт
Введите то, что написано в паспорте
Все условные шкалы сводятся к одной кинематической вязкости, так что перевод между ними механичен, однако точность у него не абсолютная: секунды Сейболта и Редвуда связаны с сантистоксами такими же приближёнными формулами, какие вывел для своего прибора Уббелоде.
Водное число прибора вынесено в тонкие настройки листа, поскольку от него прямо зависит время истечения: секунда разницы в аттестации даёт около двух процентов в результате.
Число без температуры перевести нельзя, и это не придирка: одно и то же масло даёт около двенадцати градусов при пятидесяти градусах Цельсия и меньше трёх при ста. Если в паспорте насоса температура не подписана, по умолчанию читают пятьдесят градусов для промышленных масел и восемьдесят для мазута, но лучше найти ту редакцию стандарта, по которой паспорт составлен.
| Значение | Пояснение | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Порядки величин
логарифмическая шкала: от воды до битума04 · Приборы измерения
Чем измеряют вязкость
Латунный сосуд в водяной или масляной бане, коническое сопло снизу и деревянная пробка, которую выдёргивают одновременно с запуском секундомера. Двести миллилитров собирают в мерную колбу, а сам прибор перед серией аттестуют по воде, поскольку и сопло, и объём со временем уходят от паспортных.
Американский родственник той же воронки: сопло другого калибра, порция шестьдесят миллилитров, а результат называют просто секундами. Число выходит крупнее энглеровского примерно в тридцать раз, и в нефтяных отчётах на английском оно встречается до сих пор, хотя ASTM давно отдал первенство сантистоксам.
Стеклянная трубка с двумя метками, между которыми проходит мениск: время падения умножают на постоянную капилляра и получают сантистоксы прямо, без всяких условных шкал. Метод описан в ISO 3104 и ASTM D445, и он же вытеснил воронки, поскольку требует наперстка пробы и не зависит от того, кто держит секундомер.
Шпиндель вращают в пробе и мерят момент на валу, так что время опыта не зависит от густоты и одинаково для масла и для битума. Ротор умеет то, чего не умеет воронка: он задаёт скорость сдвига, а потому только на нём видно, что смазка с присадками при быстром сдвиге становится жиже.
05 · Правила записи
Градус без температуры не значит ничего
Знак градуса ставят слитно с прописной латинской буквой, значение отделяют пробелом, а температуру измерения указывают всегда, потому что без неё число нельзя ни проверить, ни перевести. Советское обозначение условной вязкости пишут кириллицей и тоже с температурой, а вот приравнивать градусы к сантистоксам знаком равенства нельзя даже в черновике: связь между ними приближённая и односторонняя.
Вторая запись путает величину с прибором, поскольку градусов вязкости не бывает — бывает отношение времён, снятое конкретной воронкой. Третья ставит знак равенства там, где стоит приближение, и потому в отчёте она даёт ложную точность. Четвёртая же попросту невозможна: ниже 1,35 °E метод не работает, и число, полученное для такой текучей жидкости, отражает не вязкость, а инерцию струи.
06 · Соседние единицы
Ближайшая родня — остальные условные шкалы, устроенные точно так же: время истечения порции через калиброванное сопло, только сопло у каждой страны своё. Все они сходятся к кинематической вязкости, а та связана с динамической через плотность, и уже эта пара имеет настоящую размерность и настоящий эталон.
вода равна единице
ответ прямо в секундах
секунда Редвуда
Из паспортов Simetrium рядом стоят классы вязкости масла ISO VG и SAE, к которым этот лист составляет пару, пуаз и стокс из системы СГС, а также плотность в кг/м³, без которой не перейти от кинематической вязкости к динамической.
07 · Исторический раздел
Три воронки трёх стран
Карл Энглер занимался переработкой нефти и нуждался в числе, которым можно было бы сравнивать партии сырья, поступавшие из Баку и Пенсильвании. Прибор он собрал из того, что стояло в лаборатории, а мерой взял воду, поскольку она была под рукой у любого коллеги и не требовала никаких таблиц.
Британский эксперт Бовертон Редвуд и американский инженер Джордж Сейболт сделали каждый свою воронку, и ни один не стал делить время на воду: они называли результат прямо в секундах. Идея у трёх приборов была одинаковая, калибры сопел разные, и в спорах между поставщиком и покупателем это оборачивалось тремя разными числами для одной цистерны.
Когда торговля стала международной, несравнимость шкал сделалась дороже удобства, и стандарты перешли на кинематическую вязкость, измеряемую капилляром. Немецкий DIN 51560 отменили, ASTM оставил секунды Сейболта лишь как справочный пересчёт, а условная вязкость по ГОСТ 6258 держалась в отечественной практике ещё десятилетия.
Вязкость сегодня измеряют капилляром или ротором, но насосы, редукторы и мазутные хозяйства, поставленные до перехода, продолжают работать со своими табличками. Наладчик, читающий «не выше 8 °E при 50 °C», переводит это в шестьдесят квадратных миллиметров в секунду и выбирает масло уже по классу ISO VG, так что единица живёт не в лаборатории, а в документах.
Прибор, который служит эталоном сам себе
У градуса Энглера нет и не может быть эталона в обычном смысле, поскольку определение отсылает не к природной постоянной, а к устройству: сосуд такого объёма, сопло такого калибра, порция в двести миллилитров. Аттестуют поэтому не единицу, а прибор, и делают это по воде — единственной жидкости, чьё время истечения принято считать известным. Из этого следует и вся обрядовая часть измерения: свежее водное число перед серией, три сходящихся замера, записанная температура бани.
Слабость такой конструкции обнаружилась ровно там, где её удобство было наибольшим. Пока завод сравнивал свои партии на своей воронке, числа сходились превосходно, а как только сравнить понадобилось партии двух стран, выяснилось, что общей величины у них нет — есть три протокола, между которыми возможен лишь приближённый перевод. Капиллярный вискозиметр решил задачу тем, что вернул измерению размерность: он выдаёт квадратные миллиметры на секунду, и постоянная капилляра поверяется по эталонным жидкостям, а не по собственному прошлому.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные величины, без которых не обходится ни наука, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи, история. На 36 языках.