李強(qiáng)

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建福州 350001）

黏度是流體的一種基本物理性質(zhì)，不僅用于反映流體內(nèi)部黏滯性大小，還可以表征流體內(nèi)部阻力。黏度計(jì)在表征產(chǎn)品老化程度、工藝配方變化和預(yù)測(cè)信息等方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，是產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制、過程分析測(cè)試中廣泛使用的精密儀器之一[1]。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)既可用于測(cè)量牛頓型流體也可用于非牛頓型流體的黏度和流變特性的測(cè)量[2]，是一種適用性極其廣泛的精密測(cè)量?jī)x器，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，而且可連續(xù)用于液體黏度的測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于食品、油漆、涂料和石油化工行業(yè)。

本文對(duì)旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)的原理進(jìn)行了介紹，并按照力矩系統(tǒng)對(duì)其分類以及影響測(cè)量誤差的因素進(jìn)行分析。

1 旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)的基本原理

旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)主要是依靠同步電機(jī)提供的穩(wěn)定動(dòng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒同步運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒以一定的速率在被測(cè)流體中運(yùn)轉(zhuǎn)，在受到流體內(nèi)部阻力的情況下，轉(zhuǎn)筒的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻礙產(chǎn)生相對(duì)滯后，黏度計(jì)受到黏滯力的阻礙，與轉(zhuǎn)筒連接的彈性元件在液體黏滯力影響下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，將測(cè)量扭矩應(yīng)力的大小按照計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)換算即可計(jì)算得到流體的黏度值[3]。

2 旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)的分類

隨著工業(yè)和科技的快速發(fā)展，工業(yè)操作控制過程對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)精度要求越來越高，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，因此眾多的研究學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了大量的改進(jìn)，極大地推動(dòng)了旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)技術(shù)的革新。

旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)的產(chǎn)品種類繁多，按照結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式和力矩系統(tǒng)等的不同可分為眾多種類。按照力矩系統(tǒng)的不同，旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)可分為以下3類。（1）軟軸式系統(tǒng)。采用此種力矩系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)品種繁多，如吊絲、管狀彈簧、盤狀彈簧等，其主要特征是在測(cè)量過程中因液體黏滯力作用產(chǎn)生相反的力矩，可使傳感系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)較大的角度，以此來測(cè)算流體的黏度。（2）硬軸式力矩系統(tǒng)。硬軸式力矩系統(tǒng)黏度計(jì)多用于黏度較大的流體測(cè)量，相較于軟軸式系統(tǒng)，其傳感器靈敏度較高，因此偏轉(zhuǎn)角度相對(duì)較小。（3）力矩補(bǔ)償式系統(tǒng)。此種類型的黏度計(jì)主要用于黏度低或剪切速率較小流體的測(cè)量。

3 影響測(cè)量精度的因素分析

在采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量液體黏度的過程中，影響流體黏度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素眾多。檢測(cè)結(jié)果不僅與儀器本身有關(guān)，環(huán)境、溫度和人等因素都會(huì)對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致最終得到的結(jié)果與真實(shí)值存在一定的偏差，為此對(duì)各種影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為提高旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供一定的依據(jù)[4-5]。

3.1 末端效應(yīng)的影響

末端效應(yīng)的存在相當(dāng)于增加了測(cè)量?jī)x器圓筒的長(zhǎng)度[6]，在實(shí)際測(cè)量過程中對(duì)于絕對(duì)測(cè)量和非牛頓流體黏度的測(cè)量，末端效應(yīng)影響因素是不可忽略，而針對(duì)于測(cè)量牛頓液體的相對(duì)測(cè)量，由末端效應(yīng)引起的偏差則已經(jīng)考慮測(cè)量過程中。影響末端效應(yīng)的因素主要有內(nèi)筒的浸入深度、內(nèi)外筒的底距、內(nèi)筒的直徑、內(nèi)外筒間隙、液體的黏度、末端湍流以及流體的非牛頓性。

3.2 液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

流體黏度測(cè)量過程中，流體的狀態(tài)采用雷諾數(shù)（Re）進(jìn)行判斷，就同軸圓筒結(jié)構(gòu)而言，外旋式與內(nèi)旋式的場(chǎng)合，其層流轉(zhuǎn)為湍流的雷諾數(shù)不一樣，同時(shí)在測(cè)量過程中由于偏離了環(huán)繞儀器轉(zhuǎn)軸流動(dòng)而產(chǎn)生的二次流動(dòng)對(duì)測(cè)量精度也有很大的影響。

3.3 儀器偏心的影響

在黏度測(cè)量過程中，當(dāng)黏度計(jì)的內(nèi)外筒同軸時(shí)，此時(shí)作用于內(nèi)外筒的力矩M相同，而發(fā)生偏心時(shí)則導(dǎo)致內(nèi)外筒力矩發(fā)生偏差，此時(shí)一個(gè)力偶F作用于兩個(gè)軸上，在這種情況下將會(huì)引起讀數(shù)誤差或?qū)е聝x器不能有效讀數(shù)。

3.4 轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)儀器設(shè)備的測(cè)量精度具有較大的影響，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過測(cè)量轉(zhuǎn)矩大小來求黏度，如果旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的旋轉(zhuǎn)部件實(shí)際轉(zhuǎn)速與標(biāo)稱值不一致，此種情況下測(cè)量得到的黏度與真實(shí)值之間就會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。如果儀器設(shè)備是采用交流供電，此種情況下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電流頻率的變化而變化，影響最終的測(cè)量結(jié)果。如采用表盤式儀器讀取數(shù)據(jù)，合理的控制區(qū)間為20～90格，此時(shí)的誤差控制在0.5格之內(nèi)，其他情況無論是示數(shù)過大還是過小都易導(dǎo)致誤差增大，因此必須要選擇合適的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速。

3.5 溫度的影響

液體黏度對(duì)溫度變化較為敏感，通常情況下，隨著溫度的升高，液體黏度變小。按照測(cè)量?jī)x器規(guī)定，在測(cè)試過程中要考察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度以及液體的溫度后再對(duì)液體進(jìn)行測(cè)量，通常要求環(huán)境溫度控制在（20±2）℃范圍內(nèi)。研究表明當(dāng)流體與檢定環(huán)境溫度相差0.5 ℃時(shí)，部分流體的黏度檢測(cè)值誤差會(huì)大于5%，因此在流體黏度測(cè)試過程中要保證流體的溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)試驗(yàn)的溫度不同或試驗(yàn)及檢定溫度有差異時(shí)，內(nèi)外筒尺寸將發(fā)生變化，此時(shí)，流場(chǎng)系數(shù)f及儀器常數(shù)K也將發(fā)生變化，存在如式（1）和式（2）的關(guān)系：

式中：α為內(nèi)外圓筒材料的線膨脹系數(shù)，f和f0為分別為T和T0溫度下的流場(chǎng)系數(shù)，K和K0分別為T和T0溫度下的儀器常數(shù)，T和T0分別為試驗(yàn)溫度和初始溫度。

為驗(yàn)證溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度，進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn)。先使用標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管分別對(duì)標(biāo)稱值為100 mPa·s（6#標(biāo)準(zhǔn)液）和1 000 mPa·s（9#標(biāo)準(zhǔn)液）的標(biāo)準(zhǔn)黏度油進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其在19.0 ℃、20.0 ℃和21.0 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度，同時(shí)使用二等標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)測(cè)試黏度油在對(duì)應(yīng)溫度下的密度（實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度同步恒溫至測(cè)量點(diǎn)溫度后進(jìn)行測(cè)試，確保環(huán)境與樣品溫差小于±1 ℃），根據(jù)η=ρ·v計(jì)算得到的動(dòng)力黏度作為動(dòng)力黏度標(biāo)準(zhǔn)值。再使用BROOKFIELD的RV型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)測(cè)得到的動(dòng)力黏度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算。結(jié)果表明：（1）高黏度的液體黏度隨溫度的變化率更大（分別約為4%和3%）；（2）相較于低黏度液體，高黏度液體在使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量時(shí)，測(cè)量穩(wěn)定性更好；（3）被測(cè)流體與環(huán)境存在穩(wěn)定溫差時(shí)，仍可帶來較大的測(cè)量波動(dòng)。

3.6 人為因素的影響

儀器的安裝需要必須嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行，否則會(huì)影響測(cè)量的精度?，F(xiàn)實(shí)安裝過程中，部分工作人員往往為了省事，對(duì)設(shè)備保護(hù)架不重視也不安裝，這導(dǎo)致出現(xiàn)人為因素引起的測(cè)量誤差，如采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量液體時(shí)，未安裝保護(hù)架得到的測(cè)試結(jié)果不合格。同時(shí)，對(duì)于測(cè)量使用后的轉(zhuǎn)子要及時(shí)進(jìn)行清洗確保表面干凈，禁止采用金屬物品損傷轉(zhuǎn)子表面，避免測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。

3.7 容器與液量含量的影響

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)子與外筒的尺寸和深度均應(yīng)在一定合理范圍內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大的誤差，如NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，分別對(duì)其外筒直徑、深度和裝液量提出明確的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外筒的內(nèi)徑和裝液量與轉(zhuǎn)子尺寸不匹配，均會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果發(fā)生較大的偏差。

4 結(jié)語

隨著科技進(jìn)步和技術(shù)更新的加快，實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝控制提出了更嚴(yán)格的要求。黏度是流體的一個(gè)重要物性參數(shù)，直接關(guān)系到工藝參數(shù)控制的準(zhǔn)確性和物質(zhì)的狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)起重要的指導(dǎo)作用，因此黏度計(jì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)生產(chǎn)工藝過程的影響至關(guān)重要。但是目前采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量液體黏度的過程中，往往受到各種因素的影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，甚至錯(cuò)誤。

為此，首先要注重測(cè)試人員素質(zhì)的培養(yǎng)，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)工作的態(tài)度；其次制定嚴(yán)格的計(jì)劃，定期對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)；最后注意環(huán)境因素和物質(zhì)本身給測(cè)量帶來的影響，制定相應(yīng)的檢測(cè)規(guī)程。通過以上措施確保所獲結(jié)果的真實(shí)性，為生產(chǎn)的順利開展保駕護(hù)航。