丁曉炯

(笙威工程技術(shù)服務(上海)有限公司， 上海 201399)

0　前言

黏度測量是很多行業(yè)生產(chǎn)或應用中十分重要的指標。不同聚合物隨著相對分子質(zhì)量的變化，黏度相應呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，大致都是隨著相對分子質(zhì)量的增加，黏度也相應增加，這也是很多在聚合過程監(jiān)控和濃度(含量)等控制中采用黏度作為測量手段和表征方法的原因，因此，許多過程中都需要進行黏度的連續(xù)自動測量與控制[1-2]。

在涂料生產(chǎn)和涂裝過程聚合反應及使用高分子材料過程中，涉及到黏度測量和控制的情況有很多：各種聚合物或含聚合物的各類液體；單體到后續(xù)的產(chǎn)品；各種樹脂聚合物液體和不同濃度及比例的液體等，都有監(jiān)測黏度的需要。當進行各種涂裝過程在使用高分子材料時，往往需要先進行物料的黏度測量和控制，物料黏度的不穩(wěn)定或流變特性的問題會影響完成該過程之后的產(chǎn)品質(zhì)量，如涂層的厚薄、均勻性、收縮性、色彩的一致和均勻性、黏合性等，甚至影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。因此很多行業(yè)已經(jīng)開始應用在線黏度測量技術(shù)，國內(nèi)也已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和比較成熟地使用該項技術(shù)。但是由于物料本身的流變特性、在線測量時實時條件的變化(溫度、攪拌、流動等因素)、實驗室測量結(jié)果對比條件的不同，導致了有些企業(yè)感覺在線黏度測量技術(shù)不成熟、不好用。這主要是由于對物料流變特性的不了解、黏度測量技術(shù)的不理解以及沒有掌握測量條件變化對黏度測量值影響關(guān)系而造成的，這些問題都可以從流變理論和儀器測量原理的角度來進行分析和解決[3-4]。

1　黏度測量的影響因素

在黏度測量過程中，除去測量方法和物料自身結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量、揮發(fā)等因素外，其他主要的影響因素有：溫度、壓力、剪切率(流場、管道、測量方法和測量條件等)，本文討論溫度對黏度的影響。

流體的黏度會隨溫度的波動而變化，現(xiàn)場的溫度往往是會波動的。實驗室一般是在恒溫下進行測量，該溫度經(jīng)常和現(xiàn)場溫度不一樣，因此需要根據(jù)實測的數(shù)據(jù)進行流體黏度和溫度關(guān)系的計算，這樣才可以得到指定溫度下的在線黏度值，得到的數(shù)據(jù)才可以在同一標準下進行比較。其間的黏度和溫度關(guān)系取決于流體的黏溫特性，不同流體的參數(shù)是不同的，不一定是一個簡單的線性關(guān)系。

姜繼海等[5-6]對于物料的黏溫特性研究提出了一些模型和計算方法，這些方程都是針對那些特定研究物料做出的歸納總結(jié)，作為研究某些特定物料的黏溫特性研究可以提供參考和指導。

實際的在線黏度測量過程中，客戶往往會希望通過實測的溫度和黏度值，通過黏溫補償計算得到一個指定溫度下的黏度值，而這個指定溫度往往就是在實驗室采樣測量的溫度。本文通過對實際使用過程的分析，專門設計了相應的算法來進行黏溫補償計算[7]，并對不同算法進行誤差分析。

2　黏溫補償計算過程

2.1　黏溫曲線分類及計算

通過之前的介紹可知，物料的黏溫曲線會有所不同。根據(jù)實測的經(jīng)驗，黏溫曲線關(guān)系如下:

(1) 當溫度范圍不大時，黏溫曲線接近于線性關(guān)系，見圖1；

(2) 當溫度范圍較大時，黏溫曲線是非線性關(guān)系，見圖2。

從圖1可以看出：當溫度范圍較小時，黏溫曲線更接近于線性關(guān)系，可以利用Excel收集在線測量的結(jié)果，然后做相應的回歸計算，判斷是否是線性關(guān)系；當溫度范圍較大時，黏溫曲線更接近于非線性關(guān)系，可以利用Excel收集在線測量的結(jié)果，然后做相應的回歸計算，判斷是否是非線性關(guān)系，在實際中大多采用冪函數(shù)方程進行黏溫補償計算。

圖1　黏溫曲線及關(guān)系曲線

2.2　黏溫補償計算誤差計算

采用數(shù)值模擬的方法進行黏溫補償計算的誤差分析。假設一種物料的黏溫特性在溫度5～150 ℃變化，黏溫特性關(guān)系符合非線性變化規(guī)律，η=2 000×T-0.5，根據(jù)最先二乘法得到線性補償?shù)酿靥匦郧€就是η=-2.904 1×T+510.84，然后按線性補償方法和非線性補償方法進行計算，補償計算到指定中間溫度75 ℃的黏度，對結(jié)果誤差進行計算和統(tǒng)計計算。為計算方便，假設在線黏度測量本身沒有誤差，只研究兩種不同補償計算方法間的計算差異。

根據(jù)計算，可以得到不同溫度T、黏度η、線性補償計算得到的黏度、非線性補償計算得到的黏度、兩種結(jié)果的絕對誤差、相對偏差線性補償,如表1所示。

表1　線性補償、非線性補償計算結(jié)果和誤差結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，利用Excel對以上結(jié)果進行畫圖以直觀表示，見圖2。從表1和圖2可以得到以下結(jié)果：

（2）內(nèi)部物流體系低能高耗、漏洞百出。鄂州市大中型工商企業(yè)幾乎80%都擁有自營的物流公司，但總體運營情況都不好，既抵減了物流市場的活力與動力，又擴大了自身的物流成本和資產(chǎn)秏費，有的管理混亂漏洞百出。比如在鄂城某鋼廠，“靠車吃飯”“靠船吃飯”“靠中介吃飯”等，常常發(fā)生“面上干工作、底下攬私活”的行為，這些“吃里扒外”的人和事，致使出現(xiàn)了物流越忙、虧損越多的尷尬境地。同時，第三方物流體系雜亂、層級與結(jié)構(gòu)不配匹，物流業(yè)態(tài)呈畸形生態(tài)。

(1) 非線性補償計算的結(jié)果和標準值在任一溫度點都沒有任何偏差，補償計算結(jié)果完全符合設定黏溫特性；

(2) 線性補償計算的結(jié)果在不同的溫度段呈現(xiàn)不同的誤差，正、負誤差都有，整體呈現(xiàn)兩大段，即小于計算溫度點一段(正、負誤差都有)和大于計算溫度點一段(正誤差)，計算溫度點(75 ℃)誤差最小；

(3) 線性補償計算的相對偏差最大可以達到199.3%，平均相對偏差為21.4%；

(4) 線性補償計算時，計算點越靠近指定點75 ℃(即溫度波動范圍越小)，絕對偏差和相對誤差也越小，即溫度控制得越好，計算誤差也越小，結(jié)果越準確。

圖2　黏溫曲線和補償計算結(jié)果誤差

3　結(jié)論

經(jīng)過以上的介紹可以看到，在線黏度測量中，溫度對黏度的影響是很大的，對于一些沒有進行溫度控制、控制得不夠穩(wěn)定或者需要知道指定溫度下黏度值的場合而言，就需要運用黏溫補償?shù)姆椒▉磉M行計算，而計算的準確性取決于所選取的計算方法。

(1) 如果溫度波動范圍小或者在線溫度和指定計算溫度差異小，可以采用線性補償計算方法。但此范圍大小取決于物料的黏溫特性(一般不超過30～50 ℃)，不能照搬。

(2) 如果溫度波動范圍大或者在線溫度和指定計算溫度差異大，一定要采用非線性補償計算方法。非線性方法在較寬的溫度范圍內(nèi)幾乎適用絕大多數(shù)場合，線性關(guān)系也可以用非線性關(guān)系來代替，計算誤差很小(平均相對偏差小于5%)，見圖3，線性補償有一定的局限性，不同溫度段的誤差情況也有不同。

(3) 物料的黏溫關(guān)系曲線是需實測數(shù)據(jù)的，不能根據(jù)別的物料曲線照搬。

圖3線性補償計算在不同溫度段的情況

黏溫補償計算是在線黏度測量中很重一個步驟，需要根據(jù)物料的黏溫特性和計算要求進行方法的選擇和計算，對于特定的行業(yè)和產(chǎn)品，這些方法和參數(shù)可以借鑒，但不建議照搬，可以逐步積累數(shù)據(jù)，建立起自己產(chǎn)品的數(shù)據(jù)參數(shù)庫，這些參數(shù)是自己產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝參數(shù)和技術(shù)訣竅(know how)。我公司根據(jù)以上的分析，設計了相應的顯示控制器，接入在線溫度、黏度信號，可以自行輸入?yún)?shù)，選擇線性或非線性補償計算方式，實現(xiàn)在線實時、自動完成黏溫補償計算并自動存儲數(shù)據(jù)。