非牛頓流體的震動(dòng)式在線黏度測量方法研究

丁曉炯

(笙威工程技術(shù)服務(wù)(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(yīng)用中十分重要的指標(biāo)。不同聚合物隨著相對分子質(zhì)量的變化，其黏度相應(yīng)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(yīng)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(jìn)行黏度的連續(xù)自動(dòng)測量與控制[1-2]。

1 在線黏度測量的應(yīng)用

在線黏度計(jì)的測量技術(shù)和應(yīng)用已有幾十年的歷史，許多工業(yè)生產(chǎn)過程中都需要進(jìn)行黏度的連續(xù)自動(dòng)測量與控制。在石油工業(yè)中，在減壓蒸餾過程和柴油、潤滑油、燃料油等的在線自動(dòng)調(diào)和過程，以及在石油的脫蠟脫瀝青過程等，需要進(jìn)行在線黏度監(jiān)測來檢查原料質(zhì)量，監(jiān)視與控制生產(chǎn)，提高產(chǎn)品合格率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)和及自動(dòng)切換產(chǎn)品等；在用重油作燃料的交通、電力、玻璃等工業(yè)中，燃料油的黏度在線測量可以提高霧化效率，維持最好的燃燒效果，節(jié)約燃料；在各種聚合工程中，通過黏度的在線監(jiān)測來控制反應(yīng)終點(diǎn)；在化纖抽絲前的熔體黏度在線監(jiān)測可以保證纖維的粗細(xì)適當(dāng)、均勻和較少廢品率及能耗；造紙和紡織工業(yè)中的黏度在線測量可以改進(jìn)淀粉的轉(zhuǎn)換過程，提高上膠操作和自動(dòng)涂料過程的質(zhì)量和效率；食品、化妝品等行業(yè)利用在線黏度計(jì)控制產(chǎn)品的中間過程或者最終產(chǎn)品的黏度，達(dá)到控制不同批次產(chǎn)品的品質(zhì)一致性；此外，在油墨生產(chǎn)、印刷、油漆噴涂、洗滌劑與化妝品生產(chǎn)，膠囊生產(chǎn)以及澆涂、浸漬、滾涂等各類材料的涂布過程也都要進(jìn)行在線黏度測量。

在線黏度的測量應(yīng)用已十分廣泛，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在不少的問題，而這些問題都和黏度測量的方法、黏度測量的影響因素、物料的流變特性有關(guān)[1]。

2 在線黏度測量存在的問題及分析

有關(guān)在線黏度測量的應(yīng)用介紹也已很多。在線黏度測量解決方案中，以旋轉(zhuǎn)法和震動(dòng)法相對較多，這兩種測量方法各有其適用場合，有些可以通用，有些不能通用，對此已有不少有關(guān)旋轉(zhuǎn)法和震動(dòng)法的應(yīng)用和問題的討論與論述。其中，丁曉炯[2-4]進(jìn)行了這方面的相關(guān)研究。

有一些使用者認(rèn)為有些在線黏度計(jì)不適合非牛頓流體的測量，有學(xué)者從儀器的工作原理和實(shí)際使用情況做了分析，其中以郭少南[5]的分析研究比較全面。郭少南[5]分析超聲波黏度計(jì)不能測量泥漿黏度的根本原因是掃描速梯測量方式不適用于非牛頓流體黏度的測量。此外還有一個(gè)重要原因是超聲頻率問題，測得的泥漿動(dòng)力黏度值小于塑性黏度值。這里所說的超聲波法，就是本文中提到的震動(dòng)法，超聲波法不貼切，目前已基本沒有人再說了。

針對以上的分析，認(rèn)為郭少南[5]的分析和思路是正確的，可是忽略了以下幾點(diǎn)：

(1) 在線黏度計(jì)的測量原理以及儀器本身的靈敏度；

(2) 在線測量時(shí)流體所處的狀態(tài)以及流體本身的流變特性；

(3) 在線黏度和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)室黏度之間的關(guān)系。

2.1 震動(dòng)法在線黏度計(jì)的測量原理

震動(dòng)式在線黏度計(jì)的基本原理以扭矩微振蕩(Torsional Oscillation)原理黏度測定法為基礎(chǔ)：由驅(qū)動(dòng)線圈通電后，激勵(lì)橫梁，并且?guī)?dòng)連接在探頭傳感器探頭上的驅(qū)動(dòng)軸來、回扭動(dòng)，進(jìn)而在傳感器探頭表面上產(chǎn)生固定微振幅的共振剪切波。工作時(shí)，探頭傳感器完全浸入液體后，由于不同的液體具有不同的黏度，因此使得液體和傳感器探頭表面之間產(chǎn)生不同振幅的變化，而此時(shí)傳感器探頭為始終保持相同的微振幅共振剪切波，隨著測量時(shí)黏度的增大，所需要的能量也會(huì)隨之增大。流體黏度的變化，由維持傳感器探頭在固定振幅下的能量信號(hào)反映，變送器將此變化的能量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成液體的黏度值，并以數(shù)字直接顯示或輸出。

(a) 探頭外形(b) 探頭周圍流場(c) 探頭信號(hào)圖

圖1震動(dòng)法在線黏度計(jì)的基本原理及相應(yīng)信號(hào)示意圖

2.2 震動(dòng)法在線黏度計(jì)使用中可能的問題

通過以上介紹可知，震動(dòng)法在線黏度計(jì)在測量時(shí)，在樣品上施加的是一個(gè)變化的剪切，這一剪切會(huì)由于物料自身的流變特性不同而變化，同時(shí)在測量過程中是可能不斷變化和調(diào)整的。這樣就會(huì)帶來一個(gè)問題，即這個(gè)測量值和實(shí)驗(yàn)室測量黏度值之間的關(guān)系問題。

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室黏度或流變測試以旋轉(zhuǎn)法居多，它是在樣品靜態(tài)條件下，通過固定或改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達(dá)到在某一固定剪切率或改變剪切率的條件下，得到流體的黏度測量值，所以實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)法的測量樣品是處于靜止?fàn)顟B(tài)，黏度或流變曲線是由控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得到的。旋轉(zhuǎn)法的測量剪切率可以計(jì)算，也往往較低，實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)剪切率一般都在200 s-1以下；而震動(dòng)法的測量剪切率沒有辦法準(zhǔn)確計(jì)算，根據(jù)作者本人的實(shí)測估計(jì)，剪切率為1 000～1 500 s-1。

目前測量的流體，大多數(shù)以非牛頓剪切變稀流體居多，在靜態(tài)條件下，震動(dòng)法在線黏度的剪切率較高，因此得到的結(jié)果往往比實(shí)驗(yàn)室黏度要偏低，這和文獻(xiàn)[5]的現(xiàn)象是一致的，郭少南[5]據(jù)此就推測在線黏度計(jì)不適合非牛頓流體的測量，其中的分析思路是正確的，但結(jié)果有待商榷，原因如下。

(1) 在實(shí)測條件下，發(fā)現(xiàn)流體在流動(dòng)狀態(tài)下的測量值往往會(huì)比靜態(tài)條件下的值要高。從常規(guī)的分析來看，物料在流動(dòng)狀態(tài)下，由于受到流動(dòng)剪切，黏度會(huì)下降，但是由于物料是流動(dòng)的，所以在線黏度計(jì)探頭周圍的物料一直是新的，探頭感受到的物料實(shí)際上是處于流動(dòng)剪切條件下的新物料，而不是一直受在線黏度計(jì)探頭剪切的物料，因此，得到的黏度值反而會(huì)比靜態(tài)條件的在線黏度值偏高。這是以前的研究者都忽視的一點(diǎn)。

(2) 丁曉炯[6]對3個(gè)不同靜態(tài)黏度的非牛頓流體在不同剪切率條件下的黏度做了數(shù)值計(jì)算，剪切率條件為0～1 500 s-1，并繪制流變曲線見圖2、3。從圖2、3中可以看到，3個(gè)同類物料在低剪切是黏度差異為幾十cP，但在高剪切條件下(>1 000 s-1)，黏度差異不到1 cP，也就是說使用震動(dòng)法的在線黏度計(jì)，如果儀器的靈敏度達(dá)不到0.1 cP，這3個(gè)同類物料的黏度就根本無法測出差異，這是郭少南[5]得出結(jié)論的主要原因。

(3) 震動(dòng)法在線黏度計(jì)的技術(shù)代次。震動(dòng)法在線黏度計(jì)的基本原理基本一致，但是對儀器探頭的控制和內(nèi)部的算法又有不同的技術(shù)代次差異。目前市場上的絕大部分進(jìn)口在線震動(dòng)黏度計(jì)，以及國產(chǎn)儀器試制產(chǎn)品是仿制國外的老式機(jī)型，探頭的控制和算法是以測量反饋信號(hào)的總量直接計(jì)算，探頭本身震動(dòng)幅度大，容易受外界干擾，測量的靈敏度、精密度和抗干擾性差。實(shí)際的最小測量值約幾十個(gè)cP，如果換算成常規(guī)實(shí)驗(yàn)室條件的黏度就可能要幾百上千cP了，這也是為什么有文獻(xiàn)認(rèn)為震動(dòng)法不適合非牛頓流體在線黏度測量的原因，對非牛頓流體的在線黏度測量方法選擇造成了一定的影響。以前的震動(dòng)法在線黏度計(jì)的靈敏度確實(shí)不夠好，在高剪切率條件下的黏度測量不夠靈敏；有些廠家還進(jìn)一步說這是在所謂第二牛頓區(qū)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠，進(jìn)一步誤導(dǎo)使用者，這是兩種不同的誤解。

圖2 3個(gè)不同初始黏度的同類非牛頓流體的流變曲線

圖3 3個(gè)不同初始黏度的同類非牛頓流體的流變曲線(0～20 cP局部)

在第一代基本型的基礎(chǔ)上，對反饋信號(hào)和控制作進(jìn)一步的提高，探頭震動(dòng)幅度小、頻率高，這樣靈敏度、精密度和抗干擾性得到了極大的提高，最小分辨率可以達(dá)到0.01 cP，安裝在反應(yīng)釜攪拌或管道大流量條件下，測量數(shù)據(jù)沒有波動(dòng)。圖1是探頭浸入不同物料以后的信號(hào)響應(yīng)曲線。從圖1中可以看到，這兩種不同黏度的曲線峰形(峰高、半峰寬)不同，在以前的儀器上只計(jì)算總量,即峰面積的大小，因此這兩個(gè)物料的測出黏度可能會(huì)很接近；而對算法作了進(jìn)一步的微分計(jì)算，這樣就可以解析出不同的峰形，可以得到這兩個(gè)不同物料的真實(shí)黏度值，靈敏度比以前的儀器提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，抗干擾性和穩(wěn)定性也有了極大的提高，儀器也更小巧。

3 非牛頓流體在線黏度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

通過以上分析可知，如果有了足夠靈敏度的在線黏度計(jì)，就可以得到和實(shí)驗(yàn)室不同的測量條件下的在線黏度值，因此需要建立一種在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度值之間的轉(zhuǎn)換模型。

3.1 黏溫補(bǔ)償問題

一般來說，在建立這一轉(zhuǎn)換模型時(shí)，需要首先考慮在線溫度是否會(huì)變化、和實(shí)驗(yàn)室溫度是否不一致。流體的黏度會(huì)隨溫度的波動(dòng)而變化，現(xiàn)場的溫度往往是會(huì)波動(dòng)的，而實(shí)驗(yàn)室一般是在恒溫下進(jìn)行測量，因此需要根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行流體黏-溫關(guān)系的計(jì)算。這樣才可以得到指定溫度下的在線黏度值，數(shù)據(jù)就可以在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較，其間的關(guān)系取決于流體的黏溫特性，不同流體的參數(shù)是不同的，不是一個(gè)簡單的線性關(guān)系[7-8]。

一般而言，溫度對流體黏度值的影響是溫度上升、黏度下降，溫度下降、黏度上升。由于物料的不同，相關(guān)的黏溫特性差異也很大，物料的黏溫曲線會(huì)有不同的情況。根據(jù)實(shí)測的經(jīng)驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)溫度范圍不大時(shí)(一般小于10 ℃)，黏溫曲線接近于線性關(guān)系。

(2) 當(dāng)溫度范圍較大時(shí)(一般大于10 ℃)，黏溫曲線是非線性關(guān)系。

在黏溫補(bǔ)償計(jì)算系統(tǒng)中，根據(jù)物料的黏溫特性，選擇選取線性計(jì)算或非線性計(jì)算，然后輸入相應(yīng)的參數(shù)，這樣就可以得到指定溫度下的黏度值了，并在同一溫度下進(jìn)行黏度比較。

3.2 在線黏度值和實(shí)驗(yàn)室黏度值的關(guān)系問題

根據(jù)流變學(xué)原理可知，黏度測量是相對測量，同一種測量方法或不同測量方法之間，只要都是在相對固定的測量條件下進(jìn)行測量，測量結(jié)果就會(huì)具有確定的相關(guān)性。但是，不同的物料由于具有不同的流變特性，這種相關(guān)關(guān)系也會(huì)隨物料的不同而變化。

經(jīng)過黏溫補(bǔ)償計(jì)算后的在線黏度值和實(shí)驗(yàn)室黏度值之間，具有特定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，經(jīng)過一些數(shù)據(jù)采集和積累，通過計(jì)算得到相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這也是在實(shí)際使用中的又一技術(shù)難點(diǎn)。

在線黏度計(jì)往往是在高剪切條件下進(jìn)行測量，和實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測量的值有差異，其間的關(guān)系取決于流體的流變特性，不同流體的參數(shù)是不同的，不是一個(gè)簡單的線性關(guān)系，同時(shí)在線黏度計(jì)的靈敏度要求也會(huì)相應(yīng)提高(建議需要0.01 cP的分辨率)。經(jīng)過以上的黏溫補(bǔ)償和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在線黏度值就可以轉(zhuǎn)換成和實(shí)驗(yàn)室直接比對的測量值了[7-8]。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上分析可知，在線黏度測量中，由于非牛頓流體的流動(dòng)特性，導(dǎo)致在線黏度測量值和實(shí)驗(yàn)室測量值之間會(huì)有差異，同時(shí)由于震動(dòng)法在線黏度計(jì)的工作原理決定了測量的高剪切特性，因此也相應(yīng)要求儀器需要具備超高靈敏度，這是造成以前使用不理想的重要原因，也是在線黏度計(jì)選型時(shí)需要特別注意的問題。

溫度對黏度的影響是很大的，對于一些沒有進(jìn)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(yùn)用黏溫補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)可以通過收集現(xiàn)場的實(shí)測結(jié)果，然后進(jìn)行計(jì)算以獲取相應(yīng)的黏溫補(bǔ)償計(jì)算參數(shù)；最后，通過與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的對比分析，再次計(jì)算轉(zhuǎn)換就可以得到和實(shí)驗(yàn)室測量值基本一致的測量結(jié)果，這是在線黏度計(jì)正確使用的完整過程。而這些參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)的積累進(jìn)行修正，這是一種可行且實(shí)用的解決方案，通過軟、硬件的配合使用，高靈敏度的震動(dòng)式在線黏度計(jì)可適合各類牛頓流體和非牛頓流體。