李強

（福建省計量科學研究院，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。黏度計在表征產(chǎn)品老化程度、工藝配方變化和預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，而且可連續(xù)用于液體黏度的測量，被廣泛應用于食品、油漆、涂料和石油化工行業(yè)。

本文對旋轉(zhuǎn)式黏度計的原理進行了介紹，并按照力矩系統(tǒng)對其分類以及影響測量誤差的因素進行分析。

1 旋轉(zhuǎn)式黏度計的基本原理

旋轉(zhuǎn)式黏度計主要是依靠同步電機提供的穩(wěn)定動力帶動轉(zhuǎn)筒同步運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒以一定的速率在被測流體中運轉(zhuǎn)，在受到流體內(nèi)部阻力的情況下，轉(zhuǎn)筒的運動會受到阻礙產(chǎn)生相對滯后，黏度計受到黏滯力的阻礙，與轉(zhuǎn)筒連接的彈性元件在液體黏滯力影響下會產(chǎn)生一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，將測量扭矩應力的大小按照計算公式進行相應換算即可計算得到流體的黏度值[3]。

2 旋轉(zhuǎn)式黏度計的分類

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)式黏度計已遠遠滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，因此眾多的研究學者對其結(jié)構(gòu)和功能進行了大量的改進，極大地推動了旋轉(zhuǎn)式黏度計技術(shù)的革新。

旋轉(zhuǎn)式黏度計的產(chǎn)品種類繁多，按照結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式和力矩系統(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)角度相對較小。（3）力矩補償式系統(tǒng)。此種類型的黏度計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)黏度計測量液體黏度的過程中，影響流體黏度測量結(jié)果準確性的因素眾多。檢測結(jié)果不僅與儀器本身有關，環(huán)境、溫度和人等因素都會對最終的測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，從而導致最終得到的結(jié)果與真實值存在一定的偏差，為此對各種影響因素進行簡要分析，為提高旋轉(zhuǎn)黏度計測量結(jié)果的準確性提供一定的依據(jù)[4-5]。

3.1 末端效應的影響

末端效應的存在相當于增加了測量儀器圓筒的長度[6]，在實際測量過程中對于絕對測量和非牛頓流體黏度的測量，末端效應影響因素是不可忽略，而針對于測量牛頓液體的相對測量，由末端效應引起的偏差則已經(jīng)考慮測量過程中。影響末端效應的因素主要有內(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 液體運動狀態(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，同時在測量過程中由于偏離了環(huán)繞儀器轉(zhuǎn)軸流動而產(chǎn)生的二次流動對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，當黏度計的內(nèi)外筒同軸時，此時作用于內(nèi)外筒的力矩M相同，而發(fā)生偏心時則導致內(nèi)外筒力矩發(fā)生偏差，此時一個力偶F作用于兩個軸上，在這種情況下將會引起讀數(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)速的選擇對儀器設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)黏度計的旋轉(zhuǎn)部件實際轉(zhuǎn)速與標稱值不一致，此種情況下測量得到的黏度與真實值之間就會出現(xiàn)一定的偏差。如果儀器設備是采用交流供電，此種情況下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會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液體進行測量，通常要求環(huán)境溫度控制在（20±2）℃范圍內(nèi)。研究表明當流體與檢定環(huán)境溫度相差0.5 ℃時，部分流體的黏度檢測值誤差會大于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)果的準確性。當試驗的溫度不同或試驗及檢定溫度有差異時，內(nèi)外筒尺寸將發(fā)生變化，此時，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分別為試驗溫度和初始溫度。

為驗證溫度對測量結(jié)果的影響程度，進行了下述實驗。先使用標準毛細管分別對標稱值為100 mPa·s（6#標準液）和1 000 mPa·s（9#標準液）的標準黏度油進行試驗，測試其在19.0 ℃、20.0 ℃和21.0 ℃的運動黏度，同時使用二等標準密度計測試黏度油在對應溫度下的密度（實驗過程中實驗室溫度同步恒溫至測量點溫度后進行測試，確保環(huán)境與樣品溫差小于±1 ℃），根據(jù)η=ρ·v計算得到的動力黏度作為動力黏度標準值。再使用BROOKFIELD的RV型旋轉(zhuǎn)黏度計進行測量，將實測得到的動力黏度與標準值進行相對誤差計算。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)黏度計測量時，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，仍可帶來較大的測量波動。

3.6 人為因素的影響

儀器的安裝需要必須嚴格按照說明書進行，否則會影響測量的精度?，F(xiàn)實安裝過程中，部分工作人員往往為了省事，對設備保護架不重視也不安裝，這導致出現(xiàn)人為因素引起的測量誤差，如采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計測量液體時，未安裝保護架得到的測試結(jié)果不合格。同時，對于測量使用后的轉(zhuǎn)子要及時進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)黏度計轉(zhuǎn)子與外筒的尺寸和深度均應在一定合理范圍內(nèi)，否則會導致測量結(jié)果存在較大的誤差，如NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計，分別對其外筒直徑、深度和裝液量提出明確的要求。實驗結(jié)果表明，當外筒的內(nèi)徑和裝液量與轉(zhuǎn)子尺寸不匹配，均會導致測試結(jié)果發(fā)生較大的偏差。

4 結(jié)語

隨著科技進步和技術(shù)更新的加快，實際生產(chǎn)經(jīng)營活動對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝控制提出了更嚴格的要求。黏度是流體的一個重要物性參數(shù)，直接關系到工藝參數(shù)控制的準確性和物質(zhì)的狀態(tài)，對生產(chǎn)起重要的指導作用，因此黏度計測量結(jié)果的準確性對生產(chǎn)工藝過程的影響至關重要。但是目前采用旋轉(zhuǎn)黏度計測量液體黏度的過程中，往往受到各種因素的影響導致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，甚至錯誤。

為此，首先要注重測試人員素質(zhì)的培養(yǎng)，培養(yǎng)其嚴謹工作的態(tài)度；其次制定嚴格的計劃，定期對儀器設備進行校準；最后注意環(huán)境因素和物質(zhì)本身給測量帶來的影響，制定相應的檢測規(guī)程。通過以上措施確保所獲結(jié)果的真實性，為生產(chǎn)的順利開展保駕護航。