Jenis viskometer adalah viskometer baru dikembangkan yang mengutamakan kemampuan

pengukuran viskositas secara terus menerus dengan akurat, biaya rendah dan kemudahannya pada

penggunaan dalam perbandingan dengan jenis viskometer lainnya [1-7]. Prinsip dasar dari

viskometer getaran adalah bahwa kelembapan viskos dari amplitudo osilasi dari piring melingkar

dalam fluida sasaran sebanding dengan produk dari viskositas dan densitas fluida, yang merupakan

fungsi dari temperatur fluida. Oleh karena itu, akurasi pengukuran temperatur sangat penting bagi

keakuratan yang tinggi dari pengukuran viskositas fluida. Namun, ada beberapa studi tentang error

viskositas karena ketidakseragaman temperatur dalam fluida [8].

Pengukuran viskositas dalam viscometer getaran membutuhkan pengetahuan tentang

konveksi termal dalam cangkir tes, yang dipanaskan dari bawah dan sisi persegi panjang pada

cangkir. Biasanya, pemanasan dari bawah dan sisi cangkir menyebabkan konveksi termal, yang

meningkatkan pencampuran dalam fluida, dan menghasilkan dalam temperatur yang seragam[9-13].

Oleh karena itu, besarnya konveksi termal adalah kunci untuk memahami bidang suhu dalam cangkir

dan keakuratan pengukuran viskositas dalam viskometer getaran.

Tujuan dari makalah ini adalah untuk mempelajari bidang suhu yang tidak seragam pada

viskometer getaran untuk variasi viskositas pada fluida dengan mengukur distribusi temperatur dan

medan kecepatan di test-cup.

Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skematis dari viskometer getaran, yang terdiri dari unit

driving elektromagnetik, osilator, thermometry, cangkir tes, Unit pemanas air dan heater. Biasanya,

diameter osilator adalah 10 mm dan itu berosilasi pada frekuensi 30 Hz dengan amplitudo 0,4 mm,

sedangkan volume cangkir uji cukup besar yang memiliki ketinggian 40 mm dan dimensi horizontal

64 mm × 24 mm. Untuk alasan ini, percobaan ini dirancang untuk mengukur medan suhu yang tidak

seragam di cangkir uji tanpa unit oscil-lator. Perlu disebutkan bahwa volume cangkir pemanas 3375

cm3, yang cukup besar perbandingan dengan cangkir uji (61,4 cm3). Cangkir uji terbuat dari bahan

resin akrilik, tebal 2 mm . Fluida uji disuplai ke cangkir uji sampai tingginya 30 mm . Ketinggian

permukaan bebas dari fluida uji dibuat sama dengan cangkir pemanas, yang diisi dengan air untuk

memanaskan cangkir tes. Air di cangkir pemanas dipanaskan dari bawah menggunakan unit

pemanas. Karakteristik dari fluida uji yang digunakan selama percobaan yang tercantum dalam

Gambar 2. Fluida uji berupa minyak silikon dari Shin-etsu Chemical Co. Fluida tersebut dinyatakan

sebagai Fluida A (KF-96-100 cS), Fluida B (KF-96-1000 cS) dan Fluida C (KF-96H-10, 000 cS), yang

menunjukkan kinematic viskositas yang berbeda ν = 100, 1000 dan 10.000 mm2 / s, masing-masing

pada 25 deg C, sementara memiliki panas spesifik yang sama 1,5 J / K dan konduktivitas termal yang

sama 0,16 W / mK.

2.2.Pengukuran Suhu

Untuk pengukuran suhu cangkir tes secara kontinu, tiga termometer ditempatkan di berbagai bagian

cangkir tes, yang tenggelam ke dalam cangkir pemanas. The ther-mometers diposisikan di tengah

dan dekat-dinding cangkir uji sepanjang sumbu panjang cangkir tes. Percobaan pengukuran

temperatur untuk dipilih fluida yang akan diulang tiga kali dan nilai rata-rata digunakan untuk

membentuk bidang temperatur yang tidak seragam untuk fluida. Selama percobaan, air pemanas

dipanaskan dari bawah oleh unit pemanas. Temperatur semua termometer tercatat secara

bersamaan.

2.3. Visualisai ALIRAN

Dalam rangka untuk memahami fenomena fisika di cangkir tes, medan kecepatan diukur dengan

partikel image velocietry (PIV). Eksperimental set-up untuk visualisasi aliran diilustrasikan pada

Gambar 3. Visualisasi aliran dalam cangkir uji dicapai dengan memperkenalkan sejumlah kecil

partikel tracer nilon ke dalam fluida uji. Diameter pelacak untuk visualisasi aliran adalah 20 µm dan g

spesifik gravity 1.02. Pengukuran medan kecepatan planar pada cangkir uji dilakukan dengan

menggunakan sistem PIV, yang terdiri dari laser Nd CW: YAG 8 W dan kamera CMOS kecepatan

tinggi (1280 × 1024 piksel dengan 8 bit), yang dioperasikan oleh pulse con-troller. Kamera CMOS

terletak 550 mm dari wadah uji. Frame rate kamera ditetapkan 130 frame / detik dan waktu

pemaparan adalah7,6 msec. Perhatikan bahwa panjang fokus lensa kamera adalah 75 mm dengan f-

number 2,8 dan ketebalan lembar cahaya adalah sekitar 1 mm.

Target bidang pengukuran bidang vertikal melalui pusat cangkir yang normal satu sama lain

untuk mengamati struktur sel tiga dimensi dalam cangkir tes. Lembar cahaya vertikal diproyeksikan

dari sumber laser untuk penerangan. Pengukuran medan kecepatan dilakukan untuk jangka waktu 5

detik. setiap 0,1 detik. Oleh karena itu, 50 gambar diambil berurutan dalam pengukuran dan bidang

kecepatan sesaat dievaluasi dari dua gambar berturut-turut dengan selang waktu tertentu dan

mereka pendek-waktu rata-rata untuk periode 5 detik. untuk menghapus vektor kecepatan yang

tidak valid, yang secara acak dalam ruang dan waktu.

Analisis PIV antara dua gambar berturut-turut dilakukan dengan menggunakan algoritma

korelasi silang langsung dengan teknik interpolasi sub-pixel [14,15]. Ukuran window interogasi diatur

ke 31 × 31 piksel dan wilayah kandidat dicari di daerah 51 × 51 piksel untuk meminimalkan vektor

kecepatan yang tidak valid, sekaligus menjaga resolusi spasial yang wajar.

3.Hasil dan Pembahasan

3.1.Pengukuran Suhu

Gambar 4 menunjukkan variasi waktu pada temperatur fluida uji dalam cangkir uji dan air pemanas,

yang diukur oleh termokopel. Suhu di tengah cangkir dinotasikan dengan Tc dan dekat dinding

samping adalah Tb, sedangkan suhu di dalam air pemanasan Tw. Semua suhu meningkat secara

bertahap dengan meningkatnya waktu t setelah pemanasan dimulai. Perhatikan bahwa suhu fluida

uji dan air pemanas dijaga pada suhu yang sama pada awal pemanasan. Meskipun hubungan antara

suhu di dalam air pemanasan dan waktu tidak dipengaruhi oleh viskositas fluida, suhu Tc dan Tb

dalam cangkir melakukan perubahan dengan perbedaan viskositas fluida dan suhu meningkat

terutama untuk cairan viskositas tinggi. Sangat menarik untuk melihat bahwa Tb mendekati dengan

Tc untuk cairan viskositas rendah, sementara itu tetap di pertengahan Tw dan Tc untuk cairan

viskositas tinggi. Ini mungkin menunjukkan pencampuran yang lebih tinggi dari cairan viskositas

rendah dalam cangkir. Hasil ini menunjukkan bahwa kesalahan suhu dalam cangkir tes dipengaruhi

oleh viskositas fluida sasaran.

3.2.Variasi Bilangan Railegh

Dalam rangka untuk memahami konveksi termal dari fenomena dalam cup test, bilangan Rayleigh

Ra dievaluasi untuk tiga cairan, yang ditunjukkan pada Gambar 5. Bilangan Rayleigh didefinisikan

sebagai 3RagTdανκ = Δ, di mana d adalah tinggi cairan, ΔT perbedaan suhu antara air pemanasan

dan pusat fluida uji, g percepatan gravitasi, α koefisien ekspansi volume-, ν kinematik viskositas dan

κ difusivitas termal. Variasi waktu pada bilangan Ray-leigh untuk cairan uji menunjukkan bahwa

bilangan Rayleigh meningkat pesat dalam tahap awal pemanasan dan cenderung jenuh dalam tahap

pemanasan selanjutnya. Perlu disebutkan bahwa jumlah Rayleigh adalah sekitar 106 untuk fluida uji

A, 105 untuk fluida uji B dan 104 untuk tes cairan C dalam tahap selanjutnya. Perbedaan dalam

bilangan Rayleigh terutama karena pengaruh dari viskositas cairan uji. Menurut penelitian

sebelumnya, jumlah kritis Ray-leigh untuk awal konveksi laminar adalah diketahui 1700 untuk

lapisan fluida horisontal dipanaskan dari bawah [10], dan transisi ke turbulen diamati sekitar 10 5

[16]. Dalam referensi untuk hasil ini, aliran dalam cangkir uji adalah turbulent pada konveksi termal

untuk cairan A dan B, sedangkan untuk cairan C dalam keadaan laminar pada konveksi termal.

3.3. Visualisasi Pola Arus

Angka 6 (a) dan (b) menunjukkan pengukuran bidang kecepatan dalam bagian planar dilihat dari

depan dan sisi cangkir uji melalui pusat cairan A pada waktu pemanasan masing-masing 4 min. dan

8 min., yang diperoleh dari percobaan PIV ini. Gambar ini menunjukkan vektor kecepatan,dan

kecepatan arus yang besar, untuk memahami medan aliran di dalam cangkir uji. Perhatikan bahwa

magnitudo kecepatan v ditunjukkan oleh bar warna. Hasil ini menunjukkan bahwa ada pola konveksi

ther-mal dalam cangkir tes. Aliran pat-tern dalam cangkir uji didorong oleh pemanasan di dinding

samping, sehingga aliran ke atas vertikal muncul di sepanjang dinding samping dan aliran ke bawah

yang dihasilkan di tengah cangkir uji terhadap dinding bawah, maka aliran menyebar kembali ke

dinding samping lagi. Pola konveksi termal seperti di cangkir uji jelas terlihat dalam pengamatan dari

sisi samping karena karakteristik dua dimensi dari struktur sel. Perlu disebutkan bahwa pola sel

asimetris sehubungan dengan bagian tengah bidang, karena jumlah Rayleigh 2,5 × 10 5 cukup besar

untuk aliran yang unsteady. Dengan meningkatnya waktu pemanasan untuk t = 8 min, kecepatan

Magni-tude dalam pola konveksi di cangkir uji meningkat dan pola aliran menjadi lebih asimetris dan

goyah, yang tercermin dari pertumbuhan bilangan Rayleigh menjadi 6,6 × 105.

Gambar 7 dan 8 menunjukkan bidang kecepatan dalam cangkir uji masing-masing untuk

cairan B dan C, , pada 8 menit dari awal pemanasan. Hasil ini menunjukkan bahwa besarnya konveksi

termal menurun dengan peningkatan vis-cosity dari cairan, yang sesuai dengan penurunan jumlah

Rayleigh. Oleh karena itu, pengaruh konveksi termal menjadi lemah untuk cairan yang sangat kental.

Hasil ini bertemu baik dengan pengamatan eksperimental dari variasi suhu di cangkir uji dan variasi

jumlah Rayleigh pada Gambar 5. Hal ini juga ditemukan dari hasil bahwa pola sel dalam cangkir tes

menjadi simetris sehubungan dengan bidang pusat cangkir uji untuk cairan yang lebih tinggi-

viskositas, yang disebabkan oleh penurunan jumlah Rayleigh dari cairan. Hal ini menunjukkan bahwa

konveksi termal menjadi lemah dan perbedaan suhu di cangkir uji menjadi besar dalam cairan vis-

cosity tinggi, sehingga kesalahan pengukuran viskositas akan meningkat. Oleh karena itu, dianjurkan

untuk meningkatkan konveksi paksa di cangkir uji ,dengan tujuan untuk meningkatkan akurasi

pengukuran viskositas dalam cairan viskositas tinggi.

4.Kesimpulan

Penelitian ini difokuskan pada topik distribusi temperatuidak seragam dalam viscometers getaran.

Untuk memahami mekanismenya, pengukuran distribusi temperatur non-seragam dalam cangkir uji

dilakukan pada tiga cairan dengan viskositas yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa

suhu non-seragam muncul kuat dalam cairan viskositas tinggi karena melemahnya termal convec-

tion dalam cangkir uji. Pengukuran PIV di cangkir uji menunjukkan bahwa pencampuran

ditingkatkan oleh unsteady konveksi termal untuk cairan viskositas rendah, sedangkan besarnya

konveksi melemah dalam cairan tinggi-vis-cosity. Hasil ini menunjukkan pentingnya pencampuran

termal dalam cangkir tes untuk meningkatkan akurasi pengukuran viskositas dengan viskometer

getaran.