三種自動黏度儀在潤滑油品運(yùn)動黏度測定中的應(yīng)用比較

俞慧珍

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

運(yùn)動黏度是評價潤滑油品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是設(shè)備選用潤滑油的主要參數(shù)?？赏ㄟ^監(jiān)測在用潤滑油的運(yùn)動黏度變化判定油品是否發(fā)生劣化，為合理換油提供參考依據(jù)。

目前，國外測定運(yùn)動黏度的ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)主要有ASTM D445《透明和不透明液體運(yùn)動黏度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(和動態(tài)黏度的計(jì)算) 》、ASTM D7279《使用自動Houillon 黏度計(jì)測定透明和不透明液體運(yùn)動黏度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D2170《瀝青運(yùn)動黏度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D7042《使用Stabinger 黏度計(jì)測定液體的動態(tài)黏度和密度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(和運(yùn)動黏度的計(jì)算) 》，國內(nèi)的方法主要有GB/T 265《石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度測定法和動力黏度計(jì)算法》、GB/T 11137《深色石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度測定法(逆流法)和動力黏度計(jì)算法》、NB/SH/T 0956《透明和不透明液體運(yùn)動黏度的測定 折管式自動黏度計(jì)法》、SH/T 0654《石油瀝青運(yùn)動黏度測定法》、NB/SH/T 0870《石油產(chǎn)品動力黏度和密度的測定及運(yùn)動黏度的計(jì)算 斯塔賓格黏度計(jì)法》。其中，1988 年發(fā)布的GB/T 265[1]在石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度檢測中應(yīng)用最為廣泛，檢測原理是測定一定體積的液體在一定溫度下經(jīng)重力作用流經(jīng)校準(zhǔn)的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)的一段距離所需的時間，通過如下公式計(jì)算得到運(yùn)動黏度：

式中：

vt—運(yùn)動黏度，mm2/s；

c—黏度計(jì)常數(shù)，mm2/s2；

t—平均流動時間，s。

GB/T 265 是由人工操作全部測定過程，測試條件需嚴(yán)格控制[2]，測量時間長，控溫精度低（±0.1 ℃）、測試結(jié)果受人為因素影響較大（人眼判斷樣品是否流過玻璃毛細(xì)管彎月面、人手按動秒表的速度不同），檢測效率低下（至少重復(fù)測定4 次），無法滿足潤滑油生產(chǎn)、研發(fā)、技術(shù)服務(wù)等對時效的要求。

目前市面上使用的自動黏度儀可實(shí)現(xiàn)全自動進(jìn)樣、恒溫、測試、清洗、干燥等程序，可大大提高運(yùn)動黏度的檢測效率。由于不同類型的自動黏度儀配備的黏度管不盡相同，執(zhí)行的檢測標(biāo)準(zhǔn)不同，在實(shí)際使用中適用的范圍也不一樣，因此有必要驗(yàn)證各類自動黏度儀檢測不同種類的潤滑油品的精密度，根據(jù)實(shí)際情況選用最佳的檢測儀器。本文采用不同品牌的3 臺自動黏度儀對不同標(biāo)準(zhǔn)油、基礎(chǔ)油及成品潤滑油進(jìn)行測試，以驗(yàn)證各臺儀器的精密度，考察不同儀器在不同種類潤滑油品分析中的適用性。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)儀器及原理

本研究采用的試驗(yàn)儀器包括：

◇Cav2100 型自動黏度儀（圖1 a），美國Cannon 公司，配備Atlantic（簡稱“阿氏”）黏度管；

圖1 自動黏度儀器

◇U-Visc210型自動黏度儀（圖1 b），荷蘭Omnitek 公司，配備Ubbelohde（簡稱“烏氏”）黏度管；

◇SL-SF04 型自動黏度儀（圖1 c），湖南懾力公司，配備Houillon（簡稱“侯氏”）黏度管。

物質(zhì)的還原能力與抗氧化活性之間有明顯的相關(guān)性[12],還原能力的高低間接反映抗氧化能力的強(qiáng)弱。由圖5可知,香水蓮多糖溶液具有較強(qiáng)的還原能力,并且還原能力隨多糖濃度(0～6 mg/mL)的升高而增強(qiáng)。當(dāng)多糖濃度在0～1 mg/mL時,香水蓮多糖溶液的還原能力(y)與多糖濃度(x)呈顯著正相關(guān),y=0.328x + 0.157,R2=0.993;當(dāng)香水蓮多糖濃度大于6 mg/mL時,增加香水蓮多糖溶液濃度,還原力基本穩(wěn)定為0.732,維生素C濃度0.5 mg/mL,吸光度為1.5。

Cav2100 型自動黏度儀

Cav2100 型自動黏度儀系美國Cannon 公司依據(jù)ASTM D455 標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)制造。其帶有一個恒溫浴，浴內(nèi)有2 支“阿氏”黏度管（參見圖2 a）?！鞍⑹稀别ざ裙苁峭该饕后w用懸浮液面式黏度管中的一種，配備3 個球泡（從上往下依次為3、2、1 球泡，黏度常數(shù)為C1、C2、C3）和4 個熱敏傳感器。三球泡的作用是增大測試范圍，使每根黏度管具有100 倍檢測范圍，該儀器配備的2 根黏度管測量范圍分別為：1～100 mm2/s、50～5 000 mm2/s。熱敏傳感器提供的信號和電路不受液體的顏色和導(dǎo)電率影響，因此可以精確測量黑色和不透明液體。由于“阿氏”黏度管具有較大的直徑，因而黏狀物體堵塞毛細(xì)管的可能性很小。超長毛細(xì)管的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可使樣品很快達(dá)到浴溫，縮短恒溫時間。

圖2 3種常用黏度計(jì)示意

Cav2100 型自動黏度儀器是通過頂部真空抽取的吸樣方式實(shí)現(xiàn)全自動進(jìn)樣，計(jì)算機(jī)檢測從真空開始到樣品接觸第一個探測器所需的時間，從而確定該樣品的近似黏度；當(dāng)樣品通過下部傳感器后，開始新的時間測量，當(dāng)樣品通過中部傳感器時，測得的時間用于選擇合適的球泡來測量。低黏度的試樣繼續(xù)往上抽至球泡3，高黏度試樣將往上抽至球泡1。當(dāng)液體達(dá)到合適高度時真空解除，此時液面固定，試樣升溫至恒溫浴溫度，達(dá)到熱平衡后在重力作用下從黏度管中流下，儀器測量樣品流經(jīng)兩傳感器之間的時間。由于自動黏度計(jì)的流動時間可以小于200 s，但需對結(jié)果進(jìn)行動能修正，且動能修正量不能超過黏度值的3%，因此計(jì)算公式相較GB/T 265 增加了動能校正項(xiàng)：

式中：

E—動能校正因子[3]。

黏度計(jì)常數(shù)和動能校正因子可用2 種以上的有證標(biāo)油在儀器軟件上計(jì)算確定[4]。

U-Visc210 型自動黏度儀

U-Visc210 型自動黏度儀是荷蘭OMNITEK 公司依據(jù)ASTM D455標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的。該儀器具有雙恒溫?。瑟?dú)立測試或同時測定40 ℃和100 ℃兩個溫度點(diǎn)），每個浴中配備1 支改良“烏氏”黏度管（參見圖2 b）?！盀跏健别ざ裙芤彩峭该饕后w用懸浮液面式黏度管的一種，配備2 個球泡和2 個熱敏傳感器。每根黏度管配有16 個進(jìn)樣位，能自動計(jì)算黏度指數(shù)。對于添加劑、石蠟油等高黏度樣品可在程序中選擇預(yù)加熱，儀器配備的預(yù)加熱器只對當(dāng)前樣品加熱，能避免樣品全加熱后輕組分揮發(fā)造成的黏度升高和環(huán)境污染。

SL-SF04 型自動黏度儀

SL-SF04 型自動黏度儀為湖南懾力公司依據(jù)ASTM D7279 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。其具有24 位全自動進(jìn)樣盤和雙恒溫浴，每個浴中配備2 支“侯氏”（又稱折管）黏度管（參見圖2 c），每支管子上有1 個球泡和2個光敏檢測器。由于“侯氏”黏度管的測量球泡較小，所需樣品量不超過1 mL，因此在樣品加入黏度計(jì)后能快速達(dá)到恒溫浴的測量溫度，無需單獨(dú)的恒溫時間，測試效率高；因樣品流經(jīng)球泡的方式類似于逆流黏度計(jì)充滿球泡，故而在采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)自動測量時不受樣品顏色和掛壁性能的影響，對于測量在用油的黏度具有一定的優(yōu)勢[5]。

SL-SF04 型自動黏度儀測試原理為：用專用注射器吸取2 mL 樣品放置在樣品盤中，儀器自動將一定量樣品注入黏度計(jì)，樣品在流動過程中達(dá)到恒溫浴溫度，當(dāng)樣品的先頭部分到達(dá)第一個檢測器（發(fā)光二極管）時，儀器自動開始計(jì)時，當(dāng)樣品的先頭部分到達(dá)第二個檢測器（光敏三極管）時，儀器自動終止計(jì)時。用充滿球泡的時間乘以黏度管系數(shù)自動計(jì)算出樣品的運(yùn)動黏度，計(jì)算公式為vt=c·t。

試驗(yàn)材料

◇黏度標(biāo)準(zhǔn)油N44，LOT No.2200212，英國Paragon Scientific Ltd 。

◇黏度標(biāo)準(zhǔn)油N100，LOT No.4211506，英國Paragon Scientific Ltd 。

◇黏度標(biāo)準(zhǔn)油S200，LOT No.21301，美國Cannon 公司。

◇石油醚（90～120 ℃），分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

結(jié)果及討論

準(zhǔn)確性考察

分別用3 種進(jìn)口有證標(biāo)油N44、N100、S200 進(jìn)行測試，對各儀器的準(zhǔn)確性進(jìn)行考察，測試結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)油在3臺自動黏度儀器的測試結(jié)果

由表1 可見，所用3 種標(biāo)油在CAV2100、U-Visc210 兩臺儀器上的相對誤差均滿足ASTM D445方法對標(biāo)油認(rèn)證值的限值要求（標(biāo)油黏度＜10 mm2/s， 限值要求±0.30%；標(biāo)油黏度10～100 mm2/s，限值要求±0.32%； 標(biāo)油黏度100～1 000 mm2/s， 限 值 要 求±0.36%），在SL-SF04 儀器上的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于ASTM D7279方法對標(biāo)油認(rèn)證值的限值要求（±0.50%）。

準(zhǔn)確度試驗(yàn)

選取2 種基礎(chǔ)油、7 種潤滑油成品油，分別在3 臺自動黏度儀上測定 40 ℃和 100 ℃下的運(yùn)動黏度，測定2 次取平均值作為樣品的報(bào)告數(shù)據(jù)，計(jì)算3 臺自動儀器與手動測試得到的數(shù)據(jù)的平均值，考察儀器的準(zhǔn)確度。測試結(jié)果見表2。

表2 各類油品在3臺自動黏度儀器的測試結(jié)果

從表2 可見，3 種自動黏度儀測試結(jié)果與手動測試結(jié)果的差值均小于GB/T 265—1988 的重復(fù)性要求。

精密度試驗(yàn)

選取質(zhì)控樣品1 和2，分別在3臺自動黏度儀上測試40 ℃及100 ℃的運(yùn)動黏度，連續(xù)測試10 次，計(jì)算該組數(shù)據(jù)的平均值X及標(biāo)準(zhǔn)偏差S，以測量次數(shù)為橫坐標(biāo)，運(yùn)動黏度值為縱坐標(biāo)制作控制圖(圖中UCL 為上限值，LCL 為下限值)，考察儀器的精密度，如圖3、圖4 所示。

圖3 質(zhì)控樣品1在3臺儀器上40 ℃運(yùn)動黏度的控制圖

圖4 質(zhì)控樣品2在3臺儀器上100 ℃運(yùn)動黏度的控制圖

由圖3、圖4 可見，3 臺儀器10 次測量的數(shù)據(jù)均在控制線內(nèi)，說明儀器的精密度滿足使用要求。

適用性分析

3 種自動黏度儀器在市場上應(yīng)用較廣，測試結(jié)果均能滿足方法指標(biāo)要求。其中，CAV2100、U-Visc210這兩臺儀器都滿足ASTM D445 方法要求，有諸多相似之處，如都需要18 ～20 mL 樣品，清洗過程需用20 ～40 mL 溶劑，單個樣品檢測時間10～20 min，都具備預(yù)加熱功能，但在實(shí)際應(yīng)用過程中各有優(yōu)缺點(diǎn)：CAV2100 配備2 只黏度計(jì)，測量范圍為 1 ～ 5 000 mm2/s，但由于只有一個恒溫浴，只能測試一個溫度點(diǎn)，故只適用于各類潤滑油品單溫度點(diǎn)的運(yùn)動黏度檢測；U-Visc210配備2 個恒溫浴，可同時測試40 ℃和100 ℃，適用于需要檢測黏度指數(shù)的樣品，且該儀器具有彩色觸屏系統(tǒng)，可實(shí)時觀察檢測狀態(tài)，但每個浴中只有一根黏度計(jì)，測量范圍從5～500 mm2/s，遇到超過量程范圍的樣品需要更換黏度計(jì)。

SL-SF04 型儀器具有高通量（4根管子同時測量）、測量速度快（普遍為3 ～5 min 出結(jié)果）、樣品用量少（不超過1 mL）、容易清洗（可直接用鉻酸清洗）等突出優(yōu)點(diǎn)，其不足之處在于：侯氏黏度計(jì)內(nèi)徑較小，不適用于黏度大于6 000 mm2/s的齒輪油、添加劑等檢測，且對測試樣品要求較高，要求樣品中不能有氣泡、水分和固體顆粒[6]，特別是油渣等固體顆粒會沉積在橫臂處造成堵塞。

結(jié)論

☆試驗(yàn)結(jié)果表明，所考察的3種自動黏度儀能夠快速準(zhǔn)確地測定潤滑油品運(yùn)動黏度，測試結(jié)果均符合GB/T 265—1988 的重復(fù)性要求，具有操作簡單、測試方便的優(yōu)勢。

☆CAV2100、U-Visc210 型自動黏度儀在測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性上優(yōu)于SL-SF04 型自動黏度儀，可作為產(chǎn)品研發(fā)、原材料驗(yàn)收等檢測的儀器，用于質(zhì)量控制、仲裁鑒定；SL-SF04 型自動黏度儀的測試效率更高，可作為潤滑油產(chǎn)品生產(chǎn)、使用過程中的檢測儀器。