1、非牛頓液體的粘度除了與溫度有關(guān)外，還與剪切速率、時間有關(guān)，并有剪切變稀或剪切變稠的變化。純液體和低分子物質(zhì)的溶液屬于牛頓 液體；而大多數(shù)液體，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動都是非牛頓液體。在線粘度測量中的流變學(xué)問題丁曉炯 廣州市博勒飛粘度計質(zhì)構(gòu)儀技術(shù)服務(wù)有限公司摘要：在線年度測量是目前很多石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛的技術(shù)，在線粘度的測量方法很多，主要有毛細 管式、旋轉(zhuǎn)式、振動式、注塞式等。而測量的對象也各不相同，流體的流變特性也各不相同，應(yīng)用面也各不相同。本文從流變學(xué)的角度出 發(fā)，對在線粘度測量的方法、流體的流變學(xué)類型進行分析，討

2、論不同在線粘度測量方法的特點和應(yīng)用，對一些常見行業(yè)應(yīng)用進行歸納，并 對在線粘度測量中的一些常見問題進行流變學(xué)分析，并相應(yīng)提出在線測量中的處理方法。關(guān)鍵詞：在線粘度；流變學(xué)；牛頓流體；非牛頓流體；剪切變稀；剪切變稠目前，隨著工藝控制要求的不斷提高和測量技術(shù)的不斷發(fā)展，在石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中在線粘度測量技術(shù)應(yīng)用越來 越廣泛，不同品牌和不同測量原理的在線粘度計都有使用。在實際應(yīng)用過程中，有使用效果良好的，也有使用效果不理想的，為何會有不 同的效果？除了產(chǎn)品本身的問題，如何根據(jù)測量物料的流變特性來選擇相應(yīng)的在線粘度計，如何解釋在線粘度測量數(shù)據(jù)和實驗室測量數(shù)據(jù) 的差異，如何獲得穩(wěn)定一致的

3、測量結(jié)果，這些都可以從流變學(xué)的角度來進行分析并獲得解決方案。1 在線粘度測量技術(shù)1.1 在線粘度測量的應(yīng)用 在線粘度計的測量技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，許多工業(yè)生產(chǎn)過程中都需要進行年度的連續(xù)自動測量與控制。 在石油工業(yè)中，在減壓蒸餾過程，在柴油、潤滑油、燃料油等的在線自動調(diào)和過程，石油的脫蠟脫瀝青過程等，需要進行在線粘度監(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，實現(xiàn)自動調(diào)和及自動切換產(chǎn)品等。在各種聚合工程中，通過粘度的在線監(jiān)測來控制反應(yīng)終點。子啊化纖抽絲錢的熔體粘度在線監(jiān)測科儀保證纖維的粗細適當(dāng)、均勻。減 少廢品率及能耗。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

4、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行在線 粘度測量。1.2 在線粘度計的類型 目前，在線粘度計的類型很多，根據(jù)測量原理不同，主要有以下幾種類型：1.2.1 毛細管式 毛細管式在線粘度計是基于泊氏定律，儀器的主體是一段細管，細管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進入細管，有壓 力監(jiān)測器測量細管兩端的壓力差， 根據(jù)泊氏公司計算流體的粘度。 這類在線粘度計目前一般使用在石化煉油行業(yè)， 用來測量成品油的粘度， 測量范圍一般都不高，在幾百 cP 以下，但有些特殊的在線粘度計對細管進行特殊設(shè)計后也可以用來測量高粘度的流體，但應(yīng)用相對較少。1.2.2 旋轉(zhuǎn)式 在線粘度測量中，旋轉(zhuǎn)法

5、的應(yīng)用比其他方法廣些 ，在線旋轉(zhuǎn)粘度計的測量原理與實驗室粘度計相同，根據(jù)轉(zhuǎn)子和傳感器的連接方式， 可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，主要是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測量流體的粘性力大小，計算出粘度。 這類在線粘度計是 從粘度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時的剪切率也不高，除了測量牛頓流體外，尤其適合于非牛頓流體的測量。1.2.3 振動式 振動式的在線粘度測量起步相對較晚，但發(fā)展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當(dāng)它剪切流體時，流體的粘度 對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率，計算得到粘度和密度的乘積。 這類在線粘度計的理論測量范圍也很寬，適 合于不同的

6、流體測量，但測量時的剪切率不能精確計算，一般剪切率約在 1000 s ，因此實際使用中，需要根據(jù)流體的流變學(xué)特性正確選 用。1.2.4 注塞式 這類在線粘度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內(nèi)的運動時間來計算出流體的粘度。 這類粘度計是 斷續(xù)式的測量，并不是完全意義上的在線測量；同時由于是依靠活塞的運動，因此流體自身的流動將對測量產(chǎn)生一定的影響。綜上所述，各類在線粘度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場工藝條件進 行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失。2 流變學(xué)和流變類型2.1 流變學(xué)和粘度 流變學(xué)研究的是在外力作

7、用下，物體的變形和流動的學(xué)科，研究對象主要是流體。為粘度是流變學(xué)中一個很重要的基本概念，粘度是流體流動力對其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示，粘度大表現(xiàn)內(nèi)摩擦力大。分子量越大，碳氫結(jié)合越多，這種力量也越大，因此粘度經(jīng)常用來表 征分子量、聚合程度、有效成分含量等。在實際測量中，往往會發(fā)現(xiàn)同一個流體的粘度值會有不同，開始懷疑是不是儀器有問題。其實這是粘度測量中的正常現(xiàn)象，這可以用流 變學(xué)理論來具體分析。22流體類型流體分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體是指流體的粘度不隨測量時的剪切率條件變化而變化，換一句話說，如果是用同樣的測量方法和儀器，在不同的轉(zhuǎn)速下測量，粘度是不變的；而非牛頓流體是指流體的粘度隨著測量

8、時剪切率條件變化而變化。 或接近牛頓流體的有：水、有機溶劑、汽油、柴油等小分子的流體或溶液。一般這類流體的測量采用毛細管式的居多。 的流體大部分都是非牛頓流體，而非牛頓流體又可按照流變特性（按剪切率的變化）的不同分為：剪切變稀和剪切變稠常見的牛頓流體 目前，實際測量 。見圖 1、2、3。2013-7-6 20:19 上傳 下載附件(2.07 KB)2013-7-6 20:20 上傳 下載附件(2.21 KB)2013-7-6 20:20 上傳 下載附件(2.1 KB)圖1牛頓流體圖2非牛頓流體 剪切變稀圖3非牛頓流體剪切變稠而測量的化工產(chǎn)品大部分流體又以剪切變稀的居多，聚合物、高分子材料等的熔

9、體或溶液都是。因此，我們常常說：粘度不是一個點,而是一條曲線”。既然是一條曲線，那么到底取那個點更合適，或者說測量到底是在哪個點上？這就需要根據(jù)儀器的測量原理和測試條件 具體分析了。單從流體的流變特性和粘度測量的目的來看，常用的原則是選用低剪切條件下的測量值，這樣可以流體在低剪切下測量，剪切變稀的現(xiàn)象不太明顯，使粘度指標(biāo)的靈敏性得到充分利用，提高監(jiān)測的靈敏度。IlWiII4MV0 1I啣J k、1W> | IMUH一召,* * *wM L* -IIIIIIMki2013-7-6 20:20上傳IM* i下載附件（10.79 KB）圖4東菱化工流體產(chǎn)品粘度-剪切率曲線如圖4所示的是東菱化工

10、的兩個不同產(chǎn)品，從流變曲線可以發(fā)現(xiàn)，這兩個產(chǎn)品是剪切變稀的非牛頓流體，在低剪切時藍色樣品粘度比 紅色樣品要高，而隨著剪切率的提高，兩者粘度同時下降，但下降趨勢不同，在剪切率大于1500 s后，兩者的粘度大小關(guān)系正好相反，因此該客戶試用振動式在線粘度計時，由于儀器固有的剪切率較高，因此和最終產(chǎn)品的檢驗結(jié)果差異非常大，大小關(guān)系也正好相反，而選 用旋轉(zhuǎn)式在線粘度計后，測量的結(jié)果和最終產(chǎn)品的檢驗結(jié)果相符，同時，在線粘度值作為反應(yīng)終點判斷的靈敏度也很高，獲得了預(yù)期的在 線測量目的。類似的應(yīng)用實例在國內(nèi)外的文獻中都有闡述。3在線粘度計的應(yīng)用根據(jù)以上的儀器測量原理和流變學(xué)的理論和實際現(xiàn)象，本人認為在選用在線

11、粘度測量儀器時，首先需要對測量流體的流變特性有一定 的了解，根據(jù)被測流體的實際情況來選擇相應(yīng)合適的儀器，而不能隨意選用在線粘度計，以免造成不必要的損失。根據(jù)一些行業(yè)的實際應(yīng)用情況，簡單做了一些歸納，供大家參考：A、 低粘度流體，一般小于500 mPa*s :這類流體一般為成品油、小分子的聚合物溶液，接近于牛頓流體，最佳的在線測量方法是毛細管 式，其次可以使用旋轉(zhuǎn)式、活塞式和振動式。B、 中等粘度流體，一般在幾百到10000 mPa*s:這類樣品基本都是剪切變稀的非牛頓流體，剪切變稀的傾向十分明顯，最佳的在線測量 方法是旋轉(zhuǎn)式，其次是活塞式和振動式。C、高粘度流體，一般在 10000 mPa*s

12、以上：這類樣品基本也都是剪切變稀的非牛頓流體，在線測量的結(jié)果往往和實驗室測量結(jié)果差異很 大，一方面是由于測量條件的差異，另一方面有時樣品是在實驗室用溶劑溶解后再測量，這樣由于測量條件和方法的不同會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的差異。最佳的在線測量方式是旋轉(zhuǎn)式，其次是特殊的毛細管式和振動式。當(dāng)然，這些歸納是從流體的類型角度來考慮的，在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)現(xiàn)場的要求，主要考慮安裝的要求， 是安裝在管道上，還是安裝在反應(yīng)釜或容器上；是敞開體系，還是密閉的高溫高壓體系等;流體是否具有腐蝕性；流體會不會固化等來綜合考慮。4在線測量中的常見問題由于流體的流變特性和粘度測量的特性，在線粘度測量過程中經(jīng)常遇到一些常見的問題，在

13、此我們做一歸納并給岀解決方案。4.1實驗室數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)的對比問題在前面我們提到，粘度的測量方法很多，實驗室和在線粘度測量的方法和儀器也很多，這樣在進行數(shù)據(jù)對比時一定要注意測量條件的 一致性，這個一致性包括了測量方法和測量條件，測量條件又包括了測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件（剪切率）等，只有這些條 件完全一致，測得的結(jié)果才會一致。但是實際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會考慮是否可以找到一個相互換算或轉(zhuǎn) 換的方法，這種思路是正確的，但在實施過程中，由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且最后的結(jié)果往往不是線性的，因此會對 后續(xù)的直接使用造成一定的影響。2013-7-6 20

14、:19 上傳 下載附件（14.28 KB）圖5實驗室粘度和在線粘度數(shù)據(jù)對比圖（時間 -粘度） 如圖5所示，這是用 Brookfield的實驗室粘度計 DV-11+pro和在線粘度計 TT-100對同一樣品在同一時間和粘度為坐標(biāo)下的實時曲線，我們可以不必去關(guān)心這兩者之間的關(guān)系如何，只要通過實驗室數(shù)據(jù)（可以是 中間產(chǎn)品，也可以是成品）的控制點和上下限，相應(yīng)地通過時間，找到在線粘度的控制點和上下限，這樣就省去了很多復(fù)雜的計算，在最 短時間內(nèi)獲得在線測量和控制的最佳點。4.2溫度補償問題由于實驗室采樣測量的溫度和現(xiàn)場溫度經(jīng)常是不同的，而且現(xiàn)場的溫度也會有波動，因此很多使用者會關(guān)心和需要溫度補償，這種需

15、 要也是很實際和必要的。目前市場上的在線粘度計產(chǎn)品都會提供溫度補償功能，但在實際使用中還是會有問題，問題到底在哪里呢？目前 溫度補償?shù)睦碚撘罁?jù)是，通過設(shè)置參數(shù)對粘度進行不同溫度點的計算，這在理論上是對的，一般都是根據(jù) D341進行計算，但是沒有注意到的是，這需要先行測量流體的粘度-溫度曲線，經(jīng)過計算才能獲得真實的參數(shù)，而不是根據(jù)公式簡單的設(shè)置幾個參數(shù)，需要對測量的流體的粘-溫特性有所詳細了解后才能設(shè)置，不能隨意。由于實驗室的溫度控制精度，一般都要比流程控制精度高，我們建議可以采用 4.1 所介紹的方法只進行幾個控制點的直接換算，除了對一些對溫度控制和溫度敏感性特別高的流體外，沒有必要進行溫度補償，如果需要溫 度補償就一定要獲得完整的粘度 -溫度曲線。5結(jié)論綜上所述，隨著在線粘度測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實際使用中也產(chǎn)生了一些問題，這些問題的由來主要是由于對流體的流變特性、 實驗室粘度測量方法、在線粘度測量方法和在線粘度計的特