在線粘度測(cè)量中的流變學(xué)問(wèn)題

       丁曉炯  廣州市博勒飛粘度計(jì)質(zhì)構(gòu)儀技術(shù)服務(wù)有限公司

摘要：在線年度測(cè)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(lái)越廣泛的技術(shù)，在線粘度的測(cè)量方法很多，主要有毛細(xì)管式、旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式、注塞式等。而測(cè)量的對(duì)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(duì)在線粘度測(cè)量的方法、流體的流變學(xué)類型進(jìn)行分析，討論不同在線粘度測(cè)量方法的特點(diǎn)和應(yīng)用，對(duì)一些常見(jiàn)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行歸納，并對(duì)在線粘度測(cè)量中的一些常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行流變學(xué)分析，并相應(yīng)提出在線測(cè)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�。患羟凶兂�

    目前，隨著工藝控制要求的不斷提高和測(cè)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(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不同品牌和不同測(cè)量原理的在線粘度計(jì)都有使用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有使用效果良好的，也有使用效果不理想的，為何會(huì)有不同的效果？除了產(chǎn)品本身的問(wèn)題，如何根據(jù)測(cè)量物料的流變特性來(lái)選擇相應(yīng)的在線粘度計(jì)，如何解釋在線粘度測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的差異，如何獲得穩(wěn)定一致的測(cè)量結(jié)果，這些都可以從流變學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行分析并獲得解決方案。
 1  在線粘度測(cè)量技術(shù)
 1.1  在線粘度測(cè)量的應(yīng)用
     在線粘度計(jì)的測(cè)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(guò)程中都需要進(jìn)行年度的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制。
    在石油工業(yè)中，在減壓蒸餾過(guò)程，在柴油、潤(rùn)滑油、燃料油等的在線自動(dòng)調(diào)和過(guò)程，石油的脫蠟脫瀝青過(guò)程等，需要進(jìn)行在線粘度監(jiān)測(cè)來(lái)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)和及自動(dòng)切換產(chǎn)品等。
     在各種聚合工程中，通過(guò)粘度的在線監(jiān)測(cè)來(lái)控制反應(yīng)終點(diǎn)。子啊化纖抽絲錢的熔體粘度在線監(jiān)測(cè)科儀保證纖維的粗細(xì)適當(dāng)、均勻。減少?gòu)U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)，膠囊生產(chǎn)以及澆涂、浸漬、滾涂等各類材料的涂布過(guò)程也都要進(jìn)行在線粘度測(cè)量。
1.2  在線粘度計(jì)的類型
     目前，在線粘度計(jì)的類型很多，根據(jù)測(cè)量原理不同，主要有以下幾種類型：
1.2.1  毛細(xì)管式
    毛細(xì)管式在線粘度計(jì)是基于泊氏定律，儀器的主體是一段細(xì)管，細(xì)管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管，有壓力監(jiān)測(cè)器測(cè)量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊氏公司計(jì)算流體的粘度。這類在線粘度計(jì)目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來(lái)測(cè)量成品油的粘度，測(cè)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(jì)對(duì)細(xì)管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)后也可以用來(lái)測(cè)量高粘度的流體，但應(yīng)用相對(duì)較少。
1.2.2  旋轉(zhuǎn)式
     在線粘度測(cè)量中，旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用比其他方法廣些 ，在線旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì)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(cè)量流體的粘性力大小，計(jì)算出粘度。 這類在線粘度計(jì)是從粘度的物理定義出發(fā)，測(cè)量范圍可以很寬，測(cè)量時(shí)的剪切率也不高，除了測(cè)量牛頓流體外，尤其適合于非牛頓流體的測(cè)量。
1.2.3  振動(dòng)式
     振動(dòng)式的在線粘度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的粘度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率，計(jì)算得到粘度和密度的乘積。 這類在線粘度計(jì)的理論測(cè)量范圍也很寬，適合于不同的流體測(cè)量，但測(cè)量時(shí)的剪切率不能精確計(jì)算，一般剪切率約在1000 s ，因此實(shí)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(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞，測(cè)量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)計(jì)算出流體的粘度。 這類粘度計(jì)是斷續(xù)式的測(cè)量，并不是完全意義上的在線測(cè)量；同時(shí)由于是依靠活塞的運(yùn)動(dòng)，因此流體自身的流動(dòng)將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。
    綜上所述，各類在線粘度計(jì)的測(cè)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(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)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)研究的是在外力作用下，物體的變形和流動(dòng)的學(xué)科，研究對(duì)象主要是流體。為粘度是流變學(xué)中一個(gè)很重要的基本概念，粘度是流體流動(dòng)力對(duì)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?xì)浣Y(jié)合越多，這種力量也越大，因此粘度經(jīng)常用來(lái)表征分子量、聚合程度、有效成分含量等。
   在實(shí)際測(cè)量中，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)流體的粘度值會(huì)有不同，開(kāi)始懷疑是不是儀器有問(wèn)題。其實(shí)這是粘度測(cè)量中的正�，F(xiàn)象，這可以用流變學(xué)理論來(lái)具體分析。
2.2 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(cè)量時(shí)的剪切率條件變化而變化，換一句話說(shuō)，如果是用同樣的測(cè)量方法和儀器，在不同的轉(zhuǎn)速下測(cè)量，粘度是不變的；而非牛頓流體是指流體的粘度隨著測(cè)量時(shí)剪切率條件變化而變化。 常見(jiàn)的牛頓流體或接近牛頓流體的有：水、有機(jī)溶劑、汽油、柴油等小分子的流體或溶液。一般這類流體的測(cè)量采用毛細(xì)管式的居多。 目前，實(shí)際測(cè)量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 。見(jiàn)圖 1、2、3。      

               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(cè)量的化工產(chǎn)品大部分流體又以剪切變稀的居多，聚合物、高分子材料等的熔體或溶液都是。因此，我們常常說(shuō)：“粘度不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條曲線”。既然是一條曲線，那么到底取那個(gè)點(diǎn)更合適，或者說(shuō)測(cè)量到底是在哪個(gè)點(diǎn)上？這就需要根據(jù)儀器的測(cè)量原理和測(cè)試條件具體分析了。單從流體的流變特性和粘度測(cè)量的目的來(lái)看，常用的原則是選用低剪切條件下的測(cè)量值，這樣可以流體在低剪切下測(cè)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(cè)的靈敏度。 
 

 圖 4 東菱化工流體產(chǎn)品粘度-剪切率曲線

     如圖 4 所示的是東菱化工的兩個(gè)不同產(chǎn)品，從流變曲線可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)產(chǎn)品是剪切變稀的非牛頓流體，在低剪切時(shí)藍(lán)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(shí)下降，但下降趨勢(shì)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(dòng)式在線粘度計(jì)時(shí)，由于儀器固有的剪切率較高，因此和最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)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(jì)后，測(cè)量的結(jié)果和最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)結(jié)果相符，同時(shí)，在線粘度值作為反應(yīng)終點(diǎn)判斷的靈敏度也很高，獲得了預(yù)期的在線測(cè)量目的。類似的應(yīng)用實(shí)例在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn) 中都有闡述。
3 在線粘度計(jì)的應(yīng)用
    根據(jù)以上的儀器測(cè)量原理和流變學(xué)的理論和實(shí)際現(xiàn)象，本人認(rèn)為在選用在線粘度測(cè)量?jī)x器時(shí)，首先需要對(duì)測(cè)量流體的流變特性有一定的了解，根據(jù)被測(cè)流體的實(shí)際情況來(lái)選擇相應(yīng)合適的儀器，而不能隨意選用在線粘度計(jì)，以免造成不必要的損失。
    根據(jù)一些行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，簡(jiǎn)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(cè)量方法是毛細(xì)管式，其次可以使用旋轉(zhuǎn)式、活塞式和振動(dòng)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(cè)量方法是旋轉(zhuǎn)式，其次是活塞式和振動(dòng)式。
C、高粘度流體，一般在 10000 mPa*s 以上：這類樣品基本也都是剪切變稀的非牛頓流體，在線測(cè)量的結(jié)果往往和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果差異很大，一方面是由于測(cè)量條件的差異，另一方面有時(shí)樣品是在實(shí)驗(yàn)室用溶劑溶解后再測(cè)量，這樣由于測(cè)量條件和方法的不同會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的差異。最佳的在線測(cè)量方式是旋轉(zhuǎn)式，其次是特殊的毛細(xì)管式和振動(dòng)式。 當(dāng)然，這些歸納是從流體的類型角度來(lái)考慮的，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(huì)不會(huì)固化等來(lái)綜合考慮。
4 在線測(cè)量中的常見(jiàn)問(wèn)題
     由于流體的流變特性和粘度測(cè)量的特性，在線粘度測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常遇到一些常見(jiàn)的問(wèn)題，在此我們做一歸納并給出解決方案。
4.1 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)的對(duì)比問(wèn)題
     在前面我們提到，粘度的測(cè)量方法很多，實(shí)驗(yàn)室和在線粘度測(cè)量的方法和儀器也很多，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)一定要注意測(cè)量條件的一致性，這個(gè)一致性包括了測(cè)量方法和測(cè)量條件，測(cè)量條件又包括了測(cè)量溫度、壓力、流速、儀器的測(cè)量條件（剪切率）等，只有這些條件完全一致，測(cè)得的結(jié)果才會(huì)一致。 但是實(shí)際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會(huì)考慮是否可以找到一個(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法，這種思路是正確的，但在實(shí)施過(guò)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(huì)對(duì)后續(xù)的直接使用造成一定的影響。 

圖 5 實(shí)驗(yàn)室粘度和在線粘度數(shù)據(jù)對(duì)比圖（時(shí)間-粘度）

     如圖 5 所示，這是用 Brookfield 的實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì) DV-II+pro 和在線粘度計(jì) TT-100 對(duì)同一樣品在同一時(shí)間和粘度為坐標(biāo)下的實(shí)時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（可以是中間產(chǎn)品，也可以是成品）的控制點(diǎn)和上下限，相應(yīng)地通過(guò)時(shí)間，找到在線粘度的控制點(diǎn)和上下限，這樣就省去了很多復(fù)雜的計(jì)算，在最短時(shí)間內(nèi)獲得在線測(cè)量和控制的最佳點(diǎn)。
4.2 溫度補(bǔ)償問(wèn)題
     由于實(shí)驗(yàn)室采樣測(cè)量的溫度和現(xiàn)場(chǎng)溫度經(jīng)常是不同的，而且現(xiàn)場(chǎng)的溫度也會(huì)有波動(dòng)，因此很多使用者會(huì)關(guān)心和需要溫度補(bǔ)償，這種需要也是很實(shí)際和必要的。目前市場(chǎng)上的在線粘度計(jì)產(chǎn)品都會(huì)提供溫度補(bǔ)償功能，但在實(shí)際使用中還是會(huì)有問(wèn)題，問(wèn)題到底在哪里呢？目前溫度補(bǔ)償?shù)睦碚撘罁?jù)是，通過(guò)設(shè)置參數(shù)對(duì)粘度進(jìn)行不同溫度點(diǎn)的計(jì)算，這在理論上是對(duì)的，一般都是根據(jù) ASTM D341 進(jìn)行計(jì)算，但是沒(méi)有注意到的是，這需要先行測(cè)量流體的粘度-溫度曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算才能獲得真實(shí)的參數(shù)，而不是根據(jù)公式簡(jiǎn)單的設(shè)置幾個(gè)參數(shù)，需要對(duì)測(cè)量的流體的粘-溫特性有所詳細(xì)了解后才能設(shè)置，不能隨意。由于實(shí)驗(yàn)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(jìn)行幾個(gè)控制點(diǎn)的直接換算，除了對(duì)一些對(duì)溫度控制和溫度敏感性特別高的流體外，沒(méi)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果需要溫度補(bǔ)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(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實(shí)際使用中也產(chǎn)生了一些問(wèn)題，這些問(wèn)題的由來(lái)主要是由于對(duì)流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室粘度測(cè)量方法、在線粘度測(cè)量方法和在線粘度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠而造成的。在考慮在線粘度測(cè)量時(shí)，需要對(duì)被測(cè)流體的流變特性有一個(gè)基本了解，這樣可以選擇合適的在線粘度測(cè)量方法，選擇相應(yīng)的在線粘度計(jì)；同時(shí)在做數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，需要考慮實(shí)驗(yàn)室粘度的測(cè)量方法，并考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以利用 4.1和 4.2 所介紹的方法獲得相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換。 流體粘度的測(cè)量需要根據(jù)流體的流變特性，選擇相應(yīng)的測(cè)試方法和儀器，針對(duì)一些成品油、低粘度接近于牛頓流體的物料，采用毛細(xì)管在線粘度計(jì)；針對(duì)一些中、高粘度的流體，需要考察其流變特性，建議選用低剪切的旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)。