旋转黏度计常数检定温度和使用温度不同对测量结果的影响
2011-01-22李瑞雪张春霞
李瑞雪 郭 毅 张春霞 李 菁
(陕西省计量科学研究院, 西安 710065)
旋转黏度计的检定方法是在标准黏度液定值温度下，用相对法标定黏度计常数或转子常数，黏度计常数或转子常数与转子的几何尺寸有关，仪器在不同温度下使用时，转子的几何尺寸会发生变化，为此笔者就非检定温度下使用仪器时，黏度计常数或转子常数因转筒几何尺寸的改变对测量结果产生的影响进行了探讨。
1 旋转黏度计测量方法
当圆筒、圆板或球体在流体中转动或物体静止而周围流体作同心状转动时，这些物体均受到流体的粘性力矩的作用。若转动物体的几何尺寸、转速等条件固定不变，物体所受粘性力矩将随流体的黏度变化而变化。流体的黏度越大，作用于物体的粘性力矩越大。旋转法测量黏度就是通过测定作用于物体的粘性力矩或转速来确定流体黏度的大小，流体黏度相对测量法计算公式如下：
η=Kα
(1)
(2)
式中：η——动力黏度；
K——仪器常数；
α——仪器偏转角(转盘读数)；
Z——转筒常数；
γ——剪切速率。
K、Z值与转筒的浸没高度、内外筒尺寸及转筒相对转动角速度有关，按下式计算：
(3)
Z=Kγ
(4)
式中：M—— 粘性力矩；
h—— 内桶的浸没高度；
Ri、Ra—— 内、外筒的半径；
ω—— 内筒相对于外筒旋转的角速度。
在黏度测量中，对于一定的测量系统γ和ω是固定不变的，通常不采用直接测量转筒所受的粘性力矩和转子几何尺寸的绝对法求得黏度，而是采用相对测量法测量流体的黏度。具体操作如下：旋转黏度计常数、转子常数或数字式仪器的修正系数是在黏度标准物质定值温度下检定并给出的，当使用上述仪器测量流体黏度时，对于指针式仪器是测出转筒在粘性力矩作用下的偏转角，用公式(1)或(2)计算出被测液体的动力黏度，对于数字式仪器则直接给出被测液体的黏度值。
由式(3)可以看出，仪器在不同温度下使用时，转子的几何尺寸会发生变化，而转筒的表面积也会随着转子尺寸的变化产生改变，使其所受的粘性力矩发生变化。因此，以下主要讨论非检定温度下使用仪器时，随着温度变化、转子几何尺寸的改变对仪器常数造成的影响。
2 实验部分
目前黏度标准物质大多只提供20℃的运动黏度和动力黏度标准值，根据黏度标准物质证书中规定，该标准黏度液只能在20℃条件下使用，然而实际工作中往往在非检定温度下使用仪器。因此在非检定温度下使用仪器对测量结果的影响成了使用者最关心的问题，以下针对该问题进行试验。
2.1 主要仪器设备与材料
标准毛细管黏度计：沈阳玻璃仪器厂；
二等石油密度计：浙江余姚仪表二厂；
旋转黏度计：NDJ 79型，同济大学机电厂；
标准黏度油：国家标准物质研究中心。
2.2 试验方法
根据使用者的实际要求设计试验，分别在20℃和25℃条件下对旋转黏度计的不同测量单元进行检定，对不同温度下的仪器常数进行比较，以此评价旋转黏度计的使用温度和仪器常数检定温度不同时对测量结果造成的影响。
3 结果与讨论
试验选择了NDJ-79型旋转黏度计的1#、10#、100#转筒和2#转片作实验样本。分别在20℃和25℃条件下，用标准黏度液检定主机和上述各测量单元组合的仪器常数。表1列出了20℃和25℃条件下标准黏度液动力黏度值，以及动力黏度的变化率。表2列出了20℃和25℃条件下，不同测量单元被检定仪器的常数，以及黏度计常数的变化率 。
表1 20℃和25℃标准黏度液动力黏度值及变化率
油号20#50#200#标定温度/℃202520252025ν/mm2·s-120.34516.29050.01938.329208.11149.00ρ/g·cm-30.87090.86780.87430.86980.87770.8713η/mPa·s17.71814.13743.73233.339182.66129.82η20-η25η20×100%20.2%23.7%28.9%油号500#1000#2000#标定温度/℃202520252025ν/mm2·s-1560.41507.83954.60862.502502.62266.7ρ/g·cm-30.97250.96870.97230.96840.97360.9699η/mPa·s545.00491.93928.16835.2424362198.5η20-η25η20×100%9.7%10.0%9.7%
表2 20℃和25℃不同测量单元仪器常数及变化率
由表1和表2可以得出，当标准黏度液的标定温度从20℃上升到25℃时，对于石油产品混合物其动力黏度变化率为20.2%～28.9%,对于硅油其动力黏度变化率为9.7%～10.0%。当仪器的检定温度从20℃变为25℃时，各测量单元仪器常数的变化率仅为0.8%～1.6%。即20℃检定仪器常数在25℃下使用，对流体黏度测量结果的影响小于1.6%。
