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        旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的技術(shù)現(xiàn)狀與誤差測量

        2021-06-08 18:01:30粟港

        粟港

        摘? ?要: 從工作原理、產(chǎn)品分類、應(yīng)用范圍三方面對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)。旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)以電機(jī)為動(dòng)力源,聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸克服粘滯阻力旋轉(zhuǎn),通過測量電機(jī)游絲的扭轉(zhuǎn)角完成對(duì)液體粘度的測量。旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)可分兩類,分別基于塞爾原理和庫埃特原理。塞爾原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,但易產(chǎn)生液體湍流現(xiàn)象;庫埃特原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)能降低產(chǎn)生湍流的風(fēng)險(xiǎn),但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。二者均需要進(jìn)行測量誤差和修正:一是旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)在實(shí)際測量時(shí),液體溫度會(huì)發(fā)生變化,引入測量誤差,需要通過粘溫曲線對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn);二是在測量非牛頓流體時(shí),由于流場分布規(guī)律與牛頓流體不同,需要對(duì)其測量誤差進(jìn)行分析與修正。

        關(guān)鍵詞: 旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì);粘滯阻力;塞爾原理;庫埃特原理;湍流;粘溫曲線;非牛頓流體

        引言

        粘度是液體的一種常見的物理性質(zhì),液體粘度的測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。目前測量液體粘度最常用的方法是旋轉(zhuǎn)法[1-2],旋轉(zhuǎn)法的載體——旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)是一種以電機(jī)為動(dòng)力源,聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸克服粘滯阻力旋轉(zhuǎn),通過測量電機(jī)游絲的扭轉(zhuǎn)角,完成對(duì)液體粘度進(jìn)行測量的工具,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化工、食品等行業(yè)中液態(tài)聚合物的動(dòng)力粘度測量。近年來,對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的研究主要集中于測量誤差分析[3-4]、非牛頓流體特性的測量[5-9]以及新型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的開發(fā)[10-12]等方面。

        本文從工作原理、產(chǎn)品分類、應(yīng)用范圍三方面出發(fā),首先對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)基于塞爾原理和庫埃特原理的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和歸納;接著對(duì)測量誤差和修正的必要性、技術(shù)和方法進(jìn)行分析。

        1? 旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的工作原理

        傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的工作原理大體相似。如圖1所示,同步電機(jī)作為動(dòng)力源提供一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速,電機(jī)連接帶刻度的圓盤,通過電機(jī)游絲和轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子在受到液體的粘滯阻力時(shí)會(huì)使得游絲產(chǎn)生反向扭轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生扭矩M平衡粘滯阻力,此時(shí)根據(jù)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)粘度值的計(jì)算公式,只要測量得到游絲的扭轉(zhuǎn)角,即可算得液體的粘度。粘度值的計(jì)算公式為

        在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)實(shí)際測量粘度的過程中,SMC值往往作為常量使用,采用標(biāo)準(zhǔn)液在某一參數(shù)下校準(zhǔn)后的值。需要注意的是,轉(zhuǎn)子常數(shù)只在旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)間隙流處于定常層流態(tài)時(shí)恒定,但這一假設(shè)在實(shí)際工作狀態(tài)下并不能得到保證[7]。SMC值與內(nèi)外轉(zhuǎn)子間隙比、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān),在測量前需對(duì)SMC值進(jìn)行修正。除此之外,上述關(guān)系都只適用于牛頓流體,而對(duì)于非牛頓流體,如賓漢流體、冪律流體、卡森流體來說,由于其流場中的剪切速率、剪切應(yīng)變的分布與牛頓流體不同,若套用牛頓流體進(jìn)行計(jì)算,也將產(chǎn)生一定的測量誤差[5-6]。為了減小測量誤差,需要對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)進(jìn)行誤差分析與修正。

        2? 旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的產(chǎn)品分類

        近年來,隨著旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,國內(nèi)外研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)和功能較為單一的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。在國外,安東帕公司開發(fā)了基于模塊化設(shè)計(jì)的數(shù)字化旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)ViscoQC 300[13],它能夠?qū)崿F(xiàn)精確校準(zhǔn)、自動(dòng)轉(zhuǎn)子識(shí)別以及速度自動(dòng)推薦功能。在國內(nèi),顧海珍[11]提出了一種基于單片機(jī)和科大訊飛TTS語音模塊的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì),姜瑩等[10]將T-bar轉(zhuǎn)子應(yīng)用于刻度盤式旋轉(zhuǎn)式粘度測量裝置,周延輝等[12]在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)用Bragg光柵(FBG)傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式FBG粘度計(jì)。

        旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)產(chǎn)品分類方法有很多,按照結(jié)構(gòu)形式的不同可分為同軸圓筒式、椎板式和平行板式,按驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)式和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式。本文從旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的不同工作原理出發(fā),將其分為塞爾原理(Searle Principle)式和庫埃特原理式(Coutette Principle)。

        2.1? 塞爾原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)

        聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)式雙圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)和單圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)均基于塞爾原理。該原理由物理學(xué)家塞爾命名,他于1912年設(shè)計(jì)了帶有旋轉(zhuǎn)式同心內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。塞爾原理如圖2所示。外圓筒固定,用來盛放被測液體。電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)圓筒軸旋轉(zhuǎn),內(nèi)圓筒軸的旋轉(zhuǎn)速度是預(yù)先設(shè)定的,在旋轉(zhuǎn)過程中受到液體粘滯阻力的作用,會(huì)給內(nèi)圓筒軸一個(gè)反作用扭矩,使安裝于電機(jī)殼的彈簧產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)游絲的扭矩與粘滯力平衡時(shí),通過傳感器測量的彈簧扭轉(zhuǎn)角即可算出液體粘度。

        目前,基于塞爾原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)應(yīng)用比較廣。然而在實(shí)際測量中,針對(duì)不同流體,需要更換不同的轉(zhuǎn)子和切換不同的轉(zhuǎn)速,以適應(yīng)測量轉(zhuǎn)矩的原件(彈簧),并且在測量時(shí),流體因摩擦而溫度升高,會(huì)帶來測量誤差。此外,在測試低粘度液體時(shí),由于離心力和慣性的作用,過高的轉(zhuǎn)軸速度可能會(huì)導(dǎo)致液體出現(xiàn)湍流現(xiàn)象。為了解決上述問題,顧海珍[11]提出了一種基于單片機(jī)和科大訊飛TTS語音模塊的旋轉(zhuǎn)式粘度測量裝置,該裝置的工作原理是:驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)慣性輪達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速ω0后,離合器松開,使電機(jī)與慣性輪分離,轉(zhuǎn)子在被測流體中自由旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速因粘滯阻力的作用而不斷衰減,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度所需的時(shí)間反比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衰減的速度。通過光電方式測量編碼盤所轉(zhuǎn)過的角度φd所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差。借助單片機(jī),配合對(duì)射式光電傳感器,檢測編碼盤所轉(zhuǎn)過的角度φd所對(duì)應(yīng)的時(shí)間——t1、t2、t3,從而算出時(shí)間差,即

        其中:C—常數(shù),記C=K/J,可通過標(biāo)定的方式獲取,K為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常數(shù),J表示整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;φd—一個(gè)采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角位移,rad;t1、t2、t3—編碼盤轉(zhuǎn)過角度φd所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s。

        2.2? 庫埃特原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)

        庫埃特原理又稱外筒旋轉(zhuǎn)式原理,由物理學(xué)家?guī)彀L靥岢觥H鐖D3所示,庫埃特原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的工作原理是:內(nèi)圓筒軸靜止,電機(jī)驅(qū)動(dòng)外圓筒旋轉(zhuǎn),內(nèi)圓筒受到兩圓筒之間被測流體的粘滯力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn),與之相連的張絲扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的恢復(fù)力矩與粘滯力矩的方向相反,當(dāng)二者平衡時(shí),通過內(nèi)圓筒的偏轉(zhuǎn)角的大小即可計(jì)算出液體的粘度值[1]。

        外筒旋轉(zhuǎn)可以降低液體產(chǎn)生湍流的風(fēng)險(xiǎn),從而保證測量精度,但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高,存在著技術(shù)原理和產(chǎn)品應(yīng)用之間的矛盾,因此目前市面上基于庫埃特原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)較少。

        與基于塞爾原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)一樣,基于庫埃特原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)同樣會(huì)面臨被測流體溫度的變化導(dǎo)致的粘度測量誤差,因此實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的在線溫度校準(zhǔn)尤為重要[11]。

        3? 旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的誤差分析與校準(zhǔn)

        3.1? 牛頓流體的粘溫誤差分析與補(bǔ)償

        旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的校準(zhǔn)通常采用牛頓流體標(biāo)準(zhǔn)粘度液作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),但是由于溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粘度液的粘度影響較大,因此測量粘度時(shí)需要在恒溫容器中完成。目前國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)粘度液均是在20℃下測定的,然而實(shí)際檢測中環(huán)境溫度往往無法達(dá)到此要求,從而干擾測量精度。因此,粘溫曲線的建立對(duì)于旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)尤為必要。

        任意位置處的剪切力都與剪切速率呈線性函數(shù)關(guān)系的流體被稱之為牛頓流體。水、酒精等大多數(shù)液體,潤滑油等低分子化合物,均屬于牛頓流體。何飛飛等[4]針對(duì)牛頓流體建立了粘溫曲線。其過程為:首先用兩種不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)油對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的轉(zhuǎn)子常數(shù)進(jìn)行修正,確定轉(zhuǎn)子常數(shù)f為1.006;接著設(shè)定溫度梯度,從20℃到25℃每隔1℃恒溫1 h,在30 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測量,得出不同溫度下兩種標(biāo)準(zhǔn)油的實(shí)測粘度值,結(jié)合修正后的轉(zhuǎn)子常數(shù),轉(zhuǎn)換為粘度真值;最后以溫度與對(duì)應(yīng)的粘度真值作為對(duì)象進(jìn)行線性擬合,建立了以硅油為標(biāo)準(zhǔn)的粘度液的粘溫曲線:η=-9 573T+733,相關(guān)系數(shù)為0.99,線性誤差僅為-0.57%。該方法能夠在20~25℃的溫度范圍內(nèi)完成對(duì)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

        顧海珍[11]設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì),通過溫度傳感器實(shí)時(shí)測量液體溫度,并將式(3)的轉(zhuǎn)換關(guān)系制成表格,在測量過程中采用查表結(jié)合線性內(nèi)插的辦法實(shí)現(xiàn)粘溫補(bǔ)償?shù)墓δ堋D4所示為粘溫補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)主程序框圖。

        3.2? 非牛頓流體的測量誤差分析及修正

        旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)除了用于牛頓流體的測量外,目前也廣泛用于非牛頓流體的測量,如徐杭東等[7]針對(duì)某公司的人造革Foam材料進(jìn)行了測試,得到了其流變參數(shù)特性;Song等[8]利用平行板粘度計(jì)和旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)對(duì)硼酸鉛、硅酸鉛鉀、硅酸鉛鉀鈉等玻璃材料的粘度進(jìn)行了定量表征;Chevrel等[9]在自然狀態(tài)下應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)對(duì)流動(dòng)熔巖進(jìn)行了粘度測試。

        然而,在測量非牛頓流體時(shí),流場中的剪切速率、剪切應(yīng)變的分布規(guī)律與牛頓流體不同,剪切速率與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速之比為非常數(shù),測量時(shí)將產(chǎn)生一定的誤差。肖文濤等[6]以Physica MCR301旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)為例,分析了幾種非牛頓流體的測量誤差,并提出了相應(yīng)的修正方法。測量系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

        誤差修正方法[6]:利用剪切速率和剪切應(yīng)力的實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)擬合出n的估計(jì)值,計(jì)算出c值,再根據(jù)式(16)獲得剪切速率的近似值。使用擬合后的剪切速率與剪切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值再次擬合,從而獲得更精確的結(jié)果,直到誤差可接受。

        4? 結(jié)束語

        (1)從工作原理出發(fā),旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)可分為基于塞爾原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)和基于庫埃特原理的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)兩種,塞爾原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,但易產(chǎn)生湍流現(xiàn)象。庫埃特原理式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)能降低產(chǎn)生湍流的風(fēng)險(xiǎn),但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

        (2)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)在實(shí)際測量時(shí)會(huì)由于溫度變化引入誤差,因此需要建立粘溫曲線對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。此外,在測量非牛頓流體時(shí),由于流場分布規(guī)律與牛頓流體不同,需要對(duì)測量誤差進(jìn)行分析與修正。

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