丁曉炯

(笙威工程技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司，上海 201399)

0 引言

黏度測(cè)量是很多化學(xué)反應(yīng)，尤其是聚合反應(yīng)過(guò)程中十分重要的指標(biāo)，不同聚合物隨著分子量的變化，黏度相應(yīng)呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，大致都是隨著分子量的增加，黏度也相應(yīng)增加，這也是作為很多監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程的測(cè)量手段和表征方法。因此，許多生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行黏度的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制[1-3]。

在化纖行業(yè)中，有可能涉及黏度測(cè)量和控制的情況有很多，有化纖原液、后續(xù)涂布、預(yù)浸、染整等各種聚合物或含聚合物的各類液體，有單體到后續(xù)的產(chǎn)品，也有各種樹脂聚合物液體和不同濃度和比例的液體等，都有監(jiān)測(cè)黏度的需要，因此化纖行業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用在線黏度測(cè)量技術(shù)，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和已經(jīng)比較成熟的使用該項(xiàng)技術(shù)，但是由于物料本身的流變特性、在線測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)條件的變化(溫度、攪拌、流動(dòng)等因素)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果對(duì)比條件的不同，導(dǎo)致有些企業(yè)感覺(jué)在線黏度測(cè)量技術(shù)不成熟、不好用，這主要是由于對(duì)物料流變特性的不了解、黏度測(cè)量技術(shù)的不理解、以及測(cè)量條件變化對(duì)黏度測(cè)量值影響關(guān)系未掌握而造成的，這些問(wèn)題都可以從流變理論和儀器測(cè)量原理的角度來(lái)得到分析和解決[4-5]。

1 在線黏度測(cè)量

在線黏度一般用在線黏度計(jì)測(cè)量計(jì)算而得。目前，在線黏度計(jì)的類型很多，根據(jù)測(cè)量原理不同，主要有以下幾種類型。

1.1 壓差式

壓差式在線黏度計(jì)是基于泊肅葉定律(Poiseuille定律)，儀器的主體是一段細(xì)管，細(xì)管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管，有壓力監(jiān)測(cè)器測(cè)量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計(jì)算流體的黏度。

這類在線黏度計(jì)目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來(lái)測(cè)量成品油的黏度，測(cè)量范圍一般都不高，在幾百厘泊(cP)以下，但有些特殊的在線黏度計(jì)對(duì)細(xì)管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)后也可以用來(lái)測(cè)量高黏度的流體，但應(yīng)用相對(duì)較少。其在化纖行業(yè)有一些應(yīng)用，但隨著測(cè)量要求的提高和纖維產(chǎn)品的變化，這種方法的應(yīng)用越來(lái)越少。

1.2 旋轉(zhuǎn)式

在線黏度測(cè)量中，旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用比其他方法普遍很多，在線旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)相同，根據(jù)轉(zhuǎn)子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，主要是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測(cè)量流體的黏性力大小，計(jì)算出黏度。

這類在線黏度計(jì)是從黏度的物理定義出發(fā)，測(cè)量范圍可以很寬，測(cè)量時(shí)的剪切率可以精確計(jì)算，一般都不高，常用的在200 s-1以下，適應(yīng)于各類流體，但是儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)要求很高、需要定期標(biāo)定。

1.3 振動(dòng)式

振動(dòng)式的在線黏度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率，計(jì)算得到黏度，這類在線黏度計(jì)的測(cè)量范圍也很寬，適合于不同的流體測(cè)量，測(cè)量時(shí)的剪切率比較高，一般剪切率約在1 000 s-1，高剪切的測(cè)量條件要求儀器有很高的靈敏度，現(xiàn)在市場(chǎng)上最高靈敏度為SRV的0.01 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，根據(jù)流體的流變學(xué)特性模型進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該儀器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需維護(hù)，是目前使用較多的在線黏度測(cè)量方法。

1.4 注(活)塞式

這類在線黏度計(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞，測(cè)量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)計(jì)算出流體的黏度。這類黏度計(jì)是斷續(xù)式的測(cè)量，并不是完全意義上的在線測(cè)量；同時(shí)由于是依靠活塞的運(yùn)動(dòng)，因此流體自身的流動(dòng)將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。有點(diǎn)類似于實(shí)驗(yàn)室的落球黏度計(jì)。

綜上所述，各類在線黏度計(jì)的測(cè)量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1]-[2]。

2 實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運(yùn)動(dòng)法。流體法有毛細(xì)管法、流出杯法(涂4杯等)、斜坡法等；運(yùn)動(dòng)法有落球法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等。

所有黏度測(cè)量的方法，都有一定的局限性和適用范圍，但最后的溯源和基準(zhǔn)都是毛細(xì)管法。而目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)量最多的是旋轉(zhuǎn)法，包括旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和旋轉(zhuǎn)流變儀。在化纖行業(yè)，落球法也是一種比較常用的方法，利用球體在液體中自由下落的速度與該液體的黏度有關(guān)的原理制成的一種黏度計(jì)，該儀器主要由一根玻璃管和一套不同大小的落球組成，根據(jù)落球通過(guò)管內(nèi)固定長(zhǎng)度測(cè)量液體的時(shí)間，來(lái)?yè)Q算成黏度；液體一般都先需要恒溫后再測(cè)量，人工計(jì)時(shí)，儀器簡(jiǎn)單。該儀器在化纖行業(yè)起步時(shí)應(yīng)用較多，后逐步被旋轉(zhuǎn)法替代，目前有些企業(yè)還有使用。

3 在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)例

黏度的測(cè)量方法很多，實(shí)驗(yàn)室和在線黏度測(cè)量的方法和儀器也很多，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)一定要注意測(cè)量條件的一致性，這個(gè)一致性包括測(cè)量方法和測(cè)量條件，測(cè)量條件又包括測(cè)量溫度、壓力、流速、儀器的測(cè)量條件(剪切率)等，只有這些條件完全一致，測(cè)得的結(jié)果才會(huì)一致。

但是實(shí)際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會(huì)考慮是否可以找到一個(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法。這種思路是正確的，但在實(shí)施過(guò)程中，由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且不同的物料關(guān)系也不同，因此會(huì)對(duì)后續(xù)的直接使用造成一定的影響。

3.1 在線黏度和實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)黏度實(shí)例分析

國(guó)內(nèi)一家知名碳纖維廠家使用SRV在線黏度計(jì)，直接安裝在管道上(圖1)，將實(shí)時(shí)在線溫度和黏度輸入DCS，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)采樣送實(shí)驗(yàn)室測(cè)量黏度，實(shí)驗(yàn)室采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，我們摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以說(shuō)明在線黏度測(cè)量中的數(shù)據(jù)處理方法。

圖1 SRV在線黏度計(jì)的應(yīng)用

在表1中，在線溫度和在線黏度是由SRV在線黏度計(jì)直接測(cè)量和記錄的。實(shí)驗(yàn)室黏度是采樣后直接在47 ℃條件下用實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)測(cè)量，轉(zhuǎn)換黏度是根據(jù)在線和實(shí)驗(yàn)室黏度之間的關(guān)系進(jìn)行處理后得到的黏度值。

表1 在線溫度、在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度、轉(zhuǎn)換黏度

續(xù)表

注：涉及的數(shù)據(jù)已作適當(dāng)加密處理。

從表1中，可以看到溫度波動(dòng)不大，就不再考慮溫度對(duì)黏度的影響和黏溫補(bǔ)償計(jì)算，有關(guān)這方面的研究請(qǐng)參見(jiàn)另文[4]-[5]。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到在線黏度值和實(shí)驗(yàn)室黏度值不同，但趨勢(shì)一致，如圖2所示。

然后，再對(duì)在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度做相關(guān)分析，可以看到兩者之間的相關(guān)性非常好，如圖3所示。

圖2 在線溫度、在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度曲線圖

圖3 在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度相關(guān)性分析

在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度之間為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為：94.51%。我們根據(jù)這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，將在線黏度轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換黏度，結(jié)果見(jiàn)表1，經(jīng)計(jì)算可以看到和實(shí)驗(yàn)室的分析黏度值誤差很小，平均值幾乎一致，相對(duì)平均偏差為0.008%。

3.2 在線黏度和落球黏度實(shí)例分析

和上例類似，國(guó)內(nèi)另一家知名碳纖維廠家使用SRV在線黏度計(jì)，直接安裝在管道上，將實(shí)時(shí)在線溫度和黏度輸入DCS，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)采樣送實(shí)驗(yàn)室測(cè)量黏度，實(shí)驗(yàn)室采用落球黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，我們摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以說(shuō)明在線黏度測(cè)量中的數(shù)據(jù)處理方法。

在表2中，在線溫度和在線黏度是由SRV在線黏度計(jì)直接測(cè)量和記錄的，實(shí)驗(yàn)室黏度是采樣、恒溫后再用落球黏度計(jì)測(cè)量，57 ℃在線黏度是根據(jù)在線黏度和溫度之間的關(guān)系進(jìn)行處理后得到的黏度值。

表2 在線溫度、在線黏度、落球黏度、轉(zhuǎn)換黏度

續(xù)表

注：涉及的數(shù)據(jù)已作適當(dāng)加密處理。

通過(guò)對(duì)溫度、落球黏度、在線黏度和57 ℃在線黏度對(duì)比(圖4)，可以看到：

(1)在本例中，在線黏度值和上例接近，溫度有不同。具體工藝情況不在此討論。

圖4 溫度、落球黏度、在線黏度、57 ℃在線黏度過(guò)程曲線

(2)溫度有約2 ℃的波動(dòng)。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行黏溫補(bǔ)償計(jì)算，黏溫關(guān)系如圖5所示；然后將在線黏度統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成57 ℃的在線黏度，具體過(guò)程不再贅述，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[5][6]。

圖5 在線黏度、溫度的關(guān)系曲線

圖6 落球黏度和在線黏度的相關(guān)性

(3)再對(duì)得到的57 ℃在線黏度和落球黏度進(jìn)行相關(guān)分析。如圖6所示，可以看到兩者的相關(guān)性較差，落球黏度的數(shù)據(jù)區(qū)間約2.5 s，在線黏度的數(shù)據(jù)區(qū)間約150 Pa·s。根據(jù)對(duì)測(cè)量方法的誤差分析，落球法采用采樣后恒溫，再進(jìn)行人工觀察計(jì)時(shí)，測(cè)量的實(shí)時(shí)性比較差，物料可能在恒溫過(guò)程中有變化；同時(shí)同一個(gè)人測(cè)同一樣品的誤差可以達(dá)到±1 s，因此2.5 s這一區(qū)間其實(shí)沒(méi)有真正的差異。即使做了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)際上是將原本應(yīng)有的變化壓縮變小，這將影響測(cè)量的意義，因此不建議再做轉(zhuǎn)換。

(4)通過(guò)在線黏度計(jì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)在線黏度的影響如圖7所示。

圖7 在線黏度、57 ℃在線黏度、溫度過(guò)程曲線

(5)在本例中，落球黏度可能未必能真正反應(yīng)物料的黏度實(shí)時(shí)變化，這也是該方法在化纖和其他行業(yè)使用的用戶逐步減少的原因。

4 結(jié)論

根據(jù)以上兩個(gè)類似物料的案例數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論和建議。

(1)目前的SRV在線黏度計(jì)完全符合要求，安裝簡(jiǎn)單、無(wú)須后續(xù)維護(hù)。

(2)該儀器的穩(wěn)定性、靈敏度都可以反應(yīng)出所測(cè)物料的真實(shí)黏度。

(3)經(jīng)過(guò)換算的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果比較一致。

(4)根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(5)現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化會(huì)影響在線黏度測(cè)量值，因此，如果溫度波動(dòng)超過(guò)2 ℃以上的，建議一定要做黏溫補(bǔ)償計(jì)算。

(6)需要對(duì)實(shí)際使用的離線測(cè)量分析方法進(jìn)行評(píng)估，實(shí)際采用的方法有時(shí)未必能真正反應(yīng)出物料的真實(shí)黏度變化。

綜上所述，隨著在線黏度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實(shí)際使用中也產(chǎn)生了一些問(wèn)題，這些問(wèn)題主要是由于對(duì)流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量方法、在線黏度測(cè)量方法和在線黏度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測(cè)量時(shí)，需要對(duì)被測(cè)流體的流變特性有一個(gè)基本了解，這樣可以選擇合適的在線黏度測(cè)量方法，選擇相應(yīng)的在線黏度計(jì)(圖8)；同時(shí)在做數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，需要考慮實(shí)驗(yàn)室黏度的測(cè)量方法，并考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償[7-8]。

圖8 不同在線黏度計(jì)