旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)力矩系統(tǒng)類型及其相關(guān)測量影響因素分析

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)測信息等方面具有較好的優(yōu)勢，是產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制、過程分析測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量[2]，是一種適用性極其廣泛的精密測量儀器，具有操作簡便、檢測速度快、測量精度高等特點(diǎn)，而且可連續(xù)用于液體黏度的測量，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量。

3 影響測量精度的因素分析

在采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量液體黏度的過程中，影響流體黏度測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素眾多。檢測結(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)行簡要分析，為提高旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量結(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)于增加了測量儀器圓筒的長度[6]，在實(shí)際測量過程中對(duì)于絕對(duì)測量和非牛頓流體黏度的測量，末端效應(yīng)影響因素是不可忽略，而針對(duì)于測量牛頓液體的相對(duì)測量，由末端效應(yīng)引起的偏差則已經(jīng)考慮測量過程中。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)旋式的場合，其層流轉(zhuǎn)為湍流的雷諾數(shù)不一樣，同時(shí)在測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)測量精度也有很大的影響。

3.3 儀器偏心的影響

在黏度測量過程中，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)備的測量精度具有較大的影響，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過測量轉(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。按照測量儀器規(guī)定，在測試過程中要考察現(xiàn)場環(huán)境溫度以及液體的溫度后再對(duì)液體進(jìn)行測量，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值誤差會(huì)大于5%，因此在流體黏度測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量點(diǎn)溫度后進(jìn)行測試，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)行測量，將實(shí)測得到的動(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)測量時(shí)，測量穩(wěn)定性更好；（3）被測流體與環(huán)境存在穩(wěn)定溫差時(shí)，仍可帶來較大的測量波動(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)人為因素引起的測量誤差，如采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量液體時(shí)，未安裝保護(hù)架得到的測試結(jié)果不合格。同時(shí)，對(duì)于測量使用后的轉(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)測量液體黏度的過程中，往往受到各種因素的影響導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，甚至錯(cuò)誤。

為此，首先要注重測試人員素質(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)本身給測量帶來的影響，制定相應(yīng)的檢測規(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。