粘度測(cè)定原理與應(yīng)用

1、實(shí)用技 經(jīng)驗(yàn) 粘 度測(cè)定原理與應(yīng) 用P r i n c i p l e so fVi s c o s i t yMe a s u r e me n ta n dTh e i rAp p l i c a t i o n s武漢理工 大學(xué)機(jī) 電學(xué)院 ( 武漢 4 3 0 0 7 0 )吳德志 徐東亮 吳耀楚 [ 摘要] 粘度的測(cè)量在石油、 化工 、 國(guó)防、 醫(yī)學(xué)等行業(yè)起 著越 來(lái)越 重要 的作用、 我 們?cè)跍y(cè)量流體粘度 時(shí)必須 了解不 同粘

2、度的測(cè)量原理 和它們 的適 用范圍， 選擇合適 的粘度計(jì) 、 本文主要分析粘度測(cè) 量 中常用的細(xì) 管 法 、 落 體 法 和 旋轉(zhuǎn) 法 的原 理 以及 采 用 此 方 法 粘度 計(jì) 的 應(yīng) 用場(chǎng) 合 ． ．[ 關(guān)鍵詞】粘度測(cè)量 細(xì)管法 落體法 旋轉(zhuǎn)法 Ab s t r a c t ： Vi s c o s i t yme a s u r e me n tp l a y sam o r ei mp o r t a n tr o l ei

3、np e t r o l e u m， c h e m i s t r yi n d u s t r y ， n a t i o n a ld e —f e n s ea n dm e d i c i n ei n d u s t r y ， Wemu s tu n d e r s t a n dp r i n c i p l e so f v i s c o s i t yme a s u r e me n ta n dt h e i

4、 ra p p l i c a t i o nr a n g ewh e nwem e a s u r ei t ， a n dt h e nc h o o s ep r o p e rv i s c o m e t e r ． Th i sa r t i c l em a i n l ya n a l y z e st h ep r i n c i p l e so fm e t h o d st h a tweo f t e nu

5、s e ， T h e s eme t h o d sa r et u b u l e ． d r o p p i n go b j e c ta n dc i r c u mr o t a t i o ne t c ． An di ta l s oa n a l y z e st h e i ra p —p l i c a t i o ns i t u a t i o n s ．K e yw o r d s ：V i s c o s

6、i t yme a s u r e m e n tT u b u l eD r o p p i n go b j e c tC i r c u mr o t a t i o n1引言 粘度 是指在流體 中流體抗 其不可逆位置 變化的能 力 ，是對(duì)流體 內(nèi)部流動(dòng)阻力的一種度量。粘度 測(cè)量在石油 、化 _ l、紡織 、國(guó)防 、醫(yī)學(xué) 等行 業(yè)應(yīng)用非常廣 泛。如在醫(yī)學(xué)業(yè) ．測(cè)量血液及生理 液體 的粘度是最新發(fā)展起來(lái) 的診 斷學(xué) ，特別是在心血管

7、疾 病和癌 、 瘤等疑難雜癥的重要診 斷手段 ； 在鉆井領(lǐng)域 ，鉆井 、固井的各個(gè)階段 中對(duì)鉆井液 粘度的正確測(cè)量 和 控制不但直接影響鉆井效率 ， 而且 能決定井 的質(zhì)量 ； 在 纖 維纏繞過(guò)程 中，樹脂 的粘度變化對(duì) 產(chǎn)品的極限應(yīng)力 影響很大 。但 是在測(cè)量流體 的粘度 時(shí) ，必須 了解粘度 計(jì) 的測(cè)量原理和適用 范同。本文 旨在系統(tǒng)分析介紹粘 度測(cè)量 的基本 原理 和不 同粘度計(jì) 的適用范 圍 ，根據(jù) 不同的情況選擇適 當(dāng)?shù)恼?度

8、計(jì) 。目前 ，粘度測(cè)量 的方法有細(xì)管 法 、落體法 、旋轉(zhuǎn) 《 中國(guó)儀器儀表 》 2 0 0 2 ． 6法和平 板法等。本 文重 點(diǎn)闡述細(xì)管 法 、落體 法和旋轉(zhuǎn)法 的測(cè)量原 理和它們應(yīng)用范 同? 流體有 牛頓流體和非牛頓液體 ． 在 這里只研 究牛頓 流體 的情況 。2細(xì) 管法 假設(shè)細(xì)管的半徑為 R ，長(zhǎng)度 為 L ， 細(xì)管兩端的壓強(qiáng) 差 為 P ，液體在外力n RP的作用下在細(xì)管中做勻速流 動(dòng) ，如 圖 1 所 示 。圖 1 細(xì)管中

9、流 體受力示意 網(wǎng)4l維普資訊 http://www.cqvip.com 實(shí)用搜 翌驗(yàn) 體粘度計(jì)一般用 于幾 千厘 泊 以下的粘度測(cè)定 ；可 以測(cè) 量不透 明的液體 ； 對(duì)于蒸發(fā)性液體的粘度測(cè)定很適合 ；為 了計(jì)算粘度必須求試料 的密度 。圓柱落下 粘度 計(jì)可 作 1 0 一 ～ 1 0 “ 泊范 圍的測(cè)定 ，精度約為 l ％～ 3 ％；也可用 于不透明液體 ； 有的需要測(cè)定試料密度而對(duì)浮力作修正。落體式連續(xù)粘度計(jì)可以作 l 0泊 的粘

10、度測(cè)定 ， 精度 約 為 2 ％～ 3 ％；可以連續(xù)測(cè) 定在管 中流動(dòng) 的流體粘度 ，并能進(jìn)行遙控指示 和記 錄；必須用定量泵輸送試料 。4旋轉(zhuǎn) 法 使 圓筒或球在流體 中旋轉(zhuǎn) ，或者流體作 同心狀旋 轉(zhuǎn)流動(dòng)而物 體靜 止時(shí) ，這些物體均受到流體 的粘性力 矩作用 。若旋轉(zhuǎn)速 度等條件相 同 ，粘度越大 力矩 也越 大 ，故測(cè)定力矩就可知道流體的粘度 了。假設(shè)在半徑為 R 。 的外 簡(jiǎn)里 同軸 的安裝 了半徑為 R的內(nèi)簡(jiǎn) ，在其中充滿粘

11、性流體 ，如圖 2 所示 。內(nèi)筒 l外筒 I圖 2 旋轉(zhuǎn)法結(jié)構(gòu) 示意圖 現(xiàn)在讓 內(nèi)簡(jiǎn)以一定角速度( 1 ) 旋轉(zhuǎn) ， 任意半徑 r 處 的 流速 為v ， Nv = r t o ，得速度梯度為 ：d v ／ d r = r d ( 1 ) ／ d r + ( 1 )( 1 4)這里 ， ( 1 ) 是不產(chǎn)生粘性 阻力 的，因此僅第一項(xiàng)成 為 產(chǎn)生粘性阻力 的剪切速率 D。在半徑 為 r 與 r + d r 的兩 圓筒形液層之間 的剪切

12、應(yīng)力為 ：x = F ／ S = M／( r· 2 兀 h r )= M／( 2 兀h )( 1 5)式中 F 為粘性 力 ； S 為半徑為液層柱面 r 的表面積 ；M為粘性力矩 ；h 為簡(jiǎn)的高度 。《 中國(guó)儀器儀表 》 2 0 0 2 ． 6從牛頓定律x = q D得 ：r d t o ／ d r = - M／( 2 1 t r 2 hr 1 )( 1 6)根據(jù)邊界條件對(duì)上式積分解得 ：_ n = M／( 4 ~ h c o

13、 )f ( 1 ／ R。 )一 ( 1 ／ R。 ) 】( 1 7)將 ( 1 7 )式寫成 ：q = f M／ t o( 1 8)f 稱為流場(chǎng)系數(shù) ，只與 內(nèi)外簡(jiǎn)的尺寸有關(guān) 。對(duì)于相 對(duì)測(cè)量 ， 如果測(cè)量的量直接給出 M和( 1 ) ， 則 f 就是儀器 常數(shù) K 。通 常是 以控制轉(zhuǎn)速 測(cè)量力矩或控制力矩測(cè)量 轉(zhuǎn)速 的方法 ， 測(cè)量其中的一個(gè)量就可求 出液體的粘度 了。當(dāng) R》R ： 時(shí) ，公式就轉(zhuǎn)化為單圓筒式 的粘度計(jì)算 公 式

14、：q = M／ ( 4 ~ h c o R 2)( 1 9)采用旋轉(zhuǎn)法的粘度計(jì)有 同軸雙圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 、 單 一 圓筒旋轉(zhuǎn) 粘度計(jì) 和旋轉(zhuǎn) 圓板粘度計(jì) 等 ，它們 都可測(cè) 量不透 明液體 。同軸雙圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 可用 于較低粘 度的粘度 測(cè)定 ， 也可 以用于 1 0 0 0 厘泊 以上 的高粘度測(cè) 定 ，試料 用 量在 0 ． 0 2 m左 右 ，取 樣測(cè) 定 ，精 度可 達(dá) l ％～ 2 ％；單一 圓筒旋轉(zhuǎn) 粘度計(jì) 便于作 幾十厘

15、泊 以上的 粘度測(cè)量 ，精度一般為 3 ％～ 4 ％，通常為手提式測(cè)量 ．便于測(cè)量貯槽 中的試料 粘度 。旋 轉(zhuǎn)圓板粘度計(jì)適用 于 1 0- 1 0泊的高粘度測(cè)量 ， 測(cè)量精 度約 為 2 ％～ 3 ％， 試 料 用 量 少 。平板法 中帶形 粘度計(jì)的原理是把 流體夾在平行安 裝 的兩平行 板 中間 ，使其 中一平板 以一定速度平行地 移動(dòng) ，測(cè)量此 時(shí)所受的粘性阻力 而求 粘度 。它適用 于 1 0- 1 0 “ 泊 的高粘度測(cè)量 ，

16、 測(cè)量精度約為 3 ％～ 5 ％． 可 以用于不透 明液體 的測(cè)量 ?？傊?，在測(cè)量流 體的粘度之前 必須先 了解 流體的 性 質(zhì)和粘度的大概范 圍以及應(yīng)用場(chǎng)合 ( 如實(shí)驗(yàn)室 或工 程應(yīng)用 中 ) ， 然后再選擇適 當(dāng)?shù)恼扯扔?jì) ， 這樣 才能獲得 流體 的準(zhǔn)確 粘度 。特別是在線粘度 的檢 測(cè)與控制 ，選 擇適宜流體粘度 的檢測(cè)方法 ，是粘度測(cè)控 的技 術(shù)關(guān)鍵 之 一 參考文獻(xiàn) 1 陳惠釗 ． 粘度測(cè)量． 中國(guó)計(jì)量出版社． 1 9 9