1 引 言
粘度是液体的重要物理性质和技术指标之一,粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义,特别是在石油化工、医药、冶金、食品等行业中[1,2]。如在石油化工中,准确测定石油的粘度,可以提高其产品的质量和产量;在医学上,人体内正常血液循环要求血液粘度保持在合适的水平上,血液粘度异常会导致微循环和组织的新陈代谢出现障碍,因而血液粘度的准确测量将有助于病情的及时诊断和疾病的有效预防[3];在基础研究中,粘度的测定也占有非常重要的地位。如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等[4]。因此,粘度测定技术一直以来备受关注,有关液体粘度测定方法及装置的研究成果也比较多。受篇幅所限,本文主要对有代表性的传统测定方法及装置作简要回顾,并对几种粘度测定新技术的基本工作原理以及粘度测定技术发展趋势做些介绍。
2 液体粘度的传统测定方法及装置
液体粘度通常是指单相液体内部的粘度,即液体流动时所表现的内摩擦[5],它有别于液体的表(界)面粘度。测定液体粘度的方法很多,典型的传统测定方法主要有毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转法等[6~9]。
2.1 毛细管法
毛细管法测定液体粘度的理论基础是Poiseulle定律[10],即:
式(1)的推导过程可参见文献[10],假设粘滞液体在内径为r的管内以一定速度流动,如图1所示,则该部分液体的动能增加要消耗外力,因此在Poiseulle公式中需引入动能修正项,式(1)变为:
液体在毛细管两端流动时,不可能完全保持层流条件,要有径向流动,于是还须引入附加管长修正项nr,则公式变为:
根据上述原理制成的典型装置是水平毛细管粘度计[11],如图2所示,该装置用石英玻璃制成,毛细管内径r=0. 1mm,长L=175mm。它既可测量常温液体粘度,还可测高温液态金属粘度。当测高温液态金属粘度时,首先由加样磨口管将金属试样加到样品容器内,打开真空活塞将体系抽成真空,然后将装置伸入高温炉的恒温箱中,倾斜炉体,使金属熔体流经已知容器和毛细管进入储存容器。然后向相反方向倾斜炉体,使金属熔体重新流回已知体积V的容器中,通过炉子另一端石英窗观察,使液面略高于容器的上部刻线a后,立即将炉子恢复水平,此时金属熔体靠自身重力而流入毛细管,用秒表准确记录熔体液面流经容器上、下刻线a、b所需的时间t,代入式(3)即可求得被测金属液粘度值。
对某一毛细管粘度计,A、B为仪器常数,可用两种已知粘度的液体进行标定。该装置即为典型的Spell装置,它的突出优点是测量范围广,从10-4Pa·S的低粘度液体到105Pa·S的高粘度液体都可测定;但是它操作繁琐,而且用秒表记录时间会带来主观性误差,大大降低测量精度,不适合在线快速检测。
2.2 扭摆振动法
对于低粘度液体的测定大多采用扭摆振动法,其原理基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质粘度的定量关系[10]。而阻尼振动服从以下规律:
对于扭摆振动法来说,造成振幅衰减的主要原因是液体介质的粘滞性,故一般可以认为对数衰减率λ是液体粘度和密度的函数。通过测量振幅来计算对数衰减率λ是扭摆振动法测量液体粘度的基础。但在扭摆振动法中,液体粘度与其对数衰减率λ的关系是很复杂的,实际应用时,大多采用经验或半经验公式。
常用方法是柱体扭摆振动法[13,14],如图3所示。柱体插入被测液体中,用外力给悬吊的系统以外力矩,使吊丝发生扭转,达某一角度后,去掉外力矩,柱体便在吊丝扭力、系统转动惯量和液体对柱体的粘滞阻力作用下,做阻尼衰减振动,其对数衰减率λ与液体粘度的经验关系式可表示为:
通过实验测出扭摆振动的振幅变化及振动次数,用式(6)计算出对数衰减率λ,加之事先测定的K′,便可以计算出被测液体在实验温度下的粘度值。
该法的测量范围约为0. 005~180 Pa·S。它具有结构简单、使用方便的优点,但由于吊丝本身的扭转变形量大,容易引起残留的塑性变形和较大的内摩擦,可导致测量误差。
扭摆振动法测定液体粘度,振动周期对粘度测定影响很大,若振动周期很短,由于液体发生紊流流动,使衰减振动异常,即对数衰减率不为定值,而此界限周期随装置和液体的不同而不同,应通过试验来确定。一般来讲,液体粘度小时,容易产生紊流,故振动周期应该大一些。
2.3 落球法
落球法是常温下测定液体粘度常用的方法[10]。常温下,当固体圆球在静止液体中垂直下落时,小球受三个力的作用,即重力f1、浮力f2和阻力f3,当f1=f2+f3时,小球以速度v0作匀速运动。对于半径为r、密度为ρS的光滑小球在密度为ρL的液体中匀速沉降时,在层流域内的粘度计算公式为[15]:
光电落球粘度计就是基于落球法的典型仪器[16~18],结构示意图如图4所示。工作时,仪器通过磁电转换控制电磁铁自动释放小球,同时给出脉冲,自动启动计时系统,小球沿中心轴线垂直下落,当小球挡住光源时,由光电传感器给出信号,自动关闭计时系统。由于小球的下落长度(液面与光电传感器之间的距离)固定不变,因此将测得的时间t代入式(9)即可求得被测液体粘度值。该装置的优点在于,采用了磁电和光电装置,不但可以精确测量小球下落的时间,还解决了传统落球粘度计中小球易偏心下降的问题。当选择适当波长的光源和与之匹配的光电传感器后,即可测量不透明液体的粘度。
日本东京大学的Suzuki等人研制了测量高温熔体的落球型粘度计[19],可测温度高达1 973K。该仪器通过装有X射线的高分辨率CCD,来观测小球在熔体中下落的过程。在精度上比传统落球粘度计也有很大提高,主要测定NaAlSi3O8高温熔体的粘度。落球法一般适于测定粘度较大的液体或聚合体,小球下落能较客观地反映大分子之间的相互作用状态,即可获得聚合物静态粘度值[20],这也是落球法能有别于旋转法而成为浓溶液粘度测定方法的原因所在。
2.4旋转柱体法
旋转柱体法是适用范围最广的液体粘度测量方法,特别适用于粗分散体系的粘度测量,其原理图如图5所示[21,22]。内外液体之间充以待测液体,当外力使二圆柱体之一匀速转动,而另一柱体静止不动时,则在二柱体之间的径向距离上的液体内部将出现速度梯度,于是在液体中产生了内摩擦。由于内摩擦的作用,在旋转柱体上施加一个切应力,利用测量此切应力即可计算液体粘度值。
由此可见,若能测定力矩M、浸没深度h、角速度ω、内外柱体的半径r和R,便可计算出液体粘度值。不难看出,准确测定力矩M和角速度ω的大小是旋转柱体法测量液体粘度的关键技术。同时,用旋转柱体法测定粘度,需注意两个条件[10]:
(1)液体成分分布均匀且处于层流状态。测量时,要求液体对剪切应力所做出的反应必须始终一致,而层流能防止层间成分的交换,所以从测量开始,液体就必须保证成分均匀,并适当降低内外柱体间的相对转动速度。
(2)无滑动。旋转法所测摩擦力矩应为液体内摩擦力造成的,要求液体与内外柱体间无滑动摩擦,否则所测力矩为内摩擦力矩和滑动摩擦力矩之和。
因此,要求被测液体与内外筒材质间润湿性好。美国Brookfield公司研制的圆盘式旋转粘度计得到了很广泛的应用[23],其测试原理图如图6所示。同步电机以一定的角速度匀速旋转,电机连接刻度盘,再通过游丝和转轴带动转子旋转。当转子未受到液体的粘滞阻力时,游丝指针与刻度盘同速旋转,指针指向刻度盘上的零位置;当转子受到液体的粘滞阻力后,则游丝产生扭矩,与液体的粘滞阻力相抗衡,最后达到平衡,此时与游丝连接的指针在刻度盘上指示出游丝的扭转角。将此扭转角经过一定的数学运算后,代入式(11)即可求得液体的粘度值。该仪器配有多种型号的转子,而且电机的转速可调,根据被测液体性质的不同,可选择不同型号的转子和不同的电机转速。其缺点在于,该类仪器采用指针式读数,其稳定性及读数精度受到一定的限 制。而且当游丝产生的扭矩过大时,容易产生蠕变,损伤游丝,因此在测量范围和转子转速上也有所限制。
国内研制成功的单圆筒旋转式粘度计[24],在扭转角的测量上,它以数据采集系统替代了圆盘式旋转粘度计的指针式读数,使得测试精度提高了一个台阶。
3 液体粘度测定新技术
随着计算机技术、光学技术、图像技术、传感器技术的不断进步,大大推动了液体粘度测定技术的发展,液体粘度的测定方法及测定装置也得到了不断的完善和创新。
目前,对于液体粘度测量的研究主要集中在以下三个方面:基于计算机系统的液体粘度快速测定;基于虚拟仪器的液体粘度快速测定;基于新型高精度粘度传感器的液体粘度快速测定。
3.1 基于计算机系统的液体粘度快速测定
把计算机技术引入液体粘度的测定中,利用计算机强大的分析处理能力,对检测结果进行快速的分析计算,可有效地克服人为操作造成的主观误差,不但提高了测试精度,而且缩短了测试周期,提高了工作效率。
Silber[25]等人研制了基于计算机系统的可调温微型毛细管粘度计,其装置结构图如图7所示。装置通过装有CCD的立体显微镜监测液滴流经毛细管的流速,通过压力传感器和温度传感器对液体压力和温度进行监测,转换后的三路信号均由计算机系统进行数据采集与分析,进而计算被测液体的粘度值。若毛细管的直径为d,长度为l,则根据Hagen2Poiseuille方程,液体粘度可表示为:
该装置所用微型毛细管直径最小为20μm,可测量的粘度范围为0.6~1.8MPa·S,温度范围0~40℃。与其它粘度测定仪相比,它具有体积小、易于操作、测试速度快、精度高的优点,而且测量时只需要少量的被测液体,经进一步的改进,有望在医学领域获得应用。
3.2 基于虚拟仪器的液体粘度快速测定
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来实现各种测试和测量及自动化的应用。虚拟仪器运用到液体粘度的测量中,这无疑将提高液体粘度测量的速度和精度,实现液体粘度的快速测量和在线测量。
美国基尼弗尼亚大学的Smith设计了基于Lab2view平台虚拟仪器的新型粘度计[26],该粘度计具有独立陀螺锥板转子结构,结构示意图如图8所示。当电机转动时,使得转盘随之旋转,同时使容器内的液体以及液体上部的锥板转子也随之转动。当转盘突然停止转动时,由于惯性的作用,液体和转子要继续旋转,由于受到液体的剪切粘滞力作用,角速度将逐渐减小。在PC机的控制下,数据采集模块通过光电元件实时监测转子的角速度,非接触地测量转子角速度随时间变化的函数,微分求解出角加速度及通过数学运算求得液体粘度值。
3.3 基于新型粘度传感器的液体粘度快速测定
随着传感器技术的飞速发展,一些新型高精度的粘度传感器也正在被应用到液体粘度的快速检测中,使得液体粘度的测定装置在结构上大大简化。
一种新型压电陶瓷自激振荡式液体粘度传感器的结构如图9所示[27],采用这种传感器已经成功研制出新型的液体粘度自动测量仪。弹性振子是用不锈钢加工而成的矩形体,在两侧面紧固两片压电陶瓷片,不锈钢金属杆下端固定菱形片状探头,探头的方向与振动方向垂直。
激振电路信号施加到压电陶瓷片上,带动弹性振子发生变形,产生振动,压电陶瓷片随之振动,并输出相应的信号。信号反馈回激振电路,从而形成机-电自激振荡器,其振动为简谐振动,输出正弦信号,振荡器的输出电压与探头的振动幅度成正比。通过测定此电压值和振荡频率,就可以确定液体的粘度。
该传感器的测量范围0~10 000MPa·S,可广泛应用于石油、化工、食品、医药等领域中。但在设计安装时,应采取必要的防震措施,以免环境震动对传感器带来的干扰,影响测量的稳定性和精确度。
目前,用于测定液体粘度的传感器大部分是基于压电效应原理制成的。由于压电振动式粘度传感器是通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度的,而传感元件与液体接触处的切变波形容易产生畸变,所以往往造成测试精度的降低。因此,如何采取有效的防震措施和如何开发基于其它原理的新型粘度传感器还有待于进一步的研究。
4 液体粘度测定技术发展趋势讨论
国民经济许多领域均与粘度测定技术密切相关。随着科学技术的不断发展,一方面实际生产需要研究和应用新的粘度测试技术;另一方面由于相关领域的技术进步,粘度测试技术将有可能获得改进与提高。综合分析两方面因素,液体粘度测定技术将在以下三个方向得到较大发展。
(1)采用现代数据采集与处理方法完善传统粘度检测技术。
经过多年的发展与完善,传统的粘度测量方法已经比较成熟,尽管许多仪表体积偏大、操作较繁,但其测量精度及可靠性已经过长期考验。在此基础上,适当结合现代数据采集与处理技术,将使智能化程度和测试精度得到较大改善,必定大受使用者欢迎。
(2)针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术。
近年来,一些新兴材料的不断涌现,特别是以电流变液为代表的新一代智能材料的出现,对液体粘度测定提出了新的挑战。作为一种固液两相悬浮液,在外加电场(或磁场)的作用下,电(或磁)流变液的粘度会迅速变化,而现有的各种粘度测量仪对此粘度的变化只能望而却步。因此,研究适用于宽测量范围的粘度测试方法和测试装置将是今后一个重要发展方向。
(3)适合生物体体液流动粘度监测的新技术。
粘度是了解生物体体液流动机理的基础,对生物流体学的研究具有重要的意义,它可以直接服务于生物医学工程,目前,虽然已有很多方法可以测定全血的粘度,但在精度上还达不到医学的要求,所以在对全血粘度的精确测定上还有漫长的道路,更应引起广大研究者的重视。
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