旋转黏度计力矩系统类型及其相关测量影响因素分析

李强

（福建省计量科学研究院，福建福州 350001）

黏度是流体的一种基本物理性质，不仅用于反映流体内部黏滞性大小，还可以表征流体内部阻力。黏度计在表征产品老化程度、工艺配方变化和预测信息等方面具有较好的优势，是产品开发、质量控制、过程分析测试中广泛使用的精密仪器之一[1]。旋转黏度计既可用于测量牛顿型流体也可用于非牛顿型流体的黏度和流变特性的测量[2]，是一种适用性极其广泛的精密测量仪器，具有操作简便、检测速度快、测量精度高等特点，而且可连续用于液体黏度的测量，被广泛应用于食品、油漆、涂料和石油化工行业。

本文对旋转式黏度计的原理进行了介绍，并按照力矩系统对其分类以及影响测量误差的因素进行分析。

1 旋转式黏度计的基本原理

旋转式黏度计主要是依靠同步电机提供的稳定动力带动转筒同步运转，转筒以一定的速率在被测流体中运转，在受到流体内部阻力的情况下，转筒的运动会受到阻碍产生相对滞后，黏度计受到黏滞力的阻碍，与转筒连接的弹性元件在液体黏滞力影响下会产生一个与旋转方向相反的扭矩，将测量扭矩应力的大小按照计算公式进行相应换算即可计算得到流体的黏度值[3]。

2 旋转式黏度计的分类

随着工业和科技的快速发展，工业操作控制过程对生产工艺参数精度要求越来越高，传统的旋转式黏度计已远远满足不了现代化生产的要求，因此众多的研究学者对其结构和功能进行了大量的改进，极大地推动了旋转式黏度计技术的革新。

旋转式黏度计的产品种类繁多，按照结构、驱动方式和力矩系统等的不同可分为众多种类。按照力矩系统的不同，旋转式黏度计可分为以下3类。（1）软轴式系统。采用此种力矩系统的旋转黏度计品种繁多，如吊丝、管状弹簧、盘状弹簧等，其主要特征是在测量过程中因液体黏滞力作用产生相反的力矩，可使传感系统偏转较大的角度，以此来测算流体的黏度。（2）硬轴式力矩系统。硬轴式力矩系统黏度计多用于黏度较大的流体测量，相较于软轴式系统，其传感器灵敏度较高，因此偏转角度相对较小。（3）力矩补偿式系统。此种类型的黏度计主要用于黏度低或剪切速率较小流体的测量。

3 影响测量精度的因素分析

在采用旋转黏度计测量液体黏度的过程中，影响流体黏度测量结果准确性的因素众多。检测结果不仅与仪器本身有关，环境、温度和人等因素都会对最终的测量结果产生一定的影响，从而导致最终得到的结果与真实值存在一定的偏差，为此对各种影响因素进行简要分析，为提高旋转黏度计测量结果的准确性提供一定的依据[4-5]。

3.1 末端效应的影响

末端效应的存在相当于增加了测量仪器圆筒的长度[6]，在实际测量过程中对于绝对测量和非牛顿流体黏度的测量，末端效应影响因素是不可忽略，而针对于测量牛顿液体的相对测量，由末端效应引起的偏差则已经考虑测量过程中。影响末端效应的因素主要有内筒的浸入深度、内外筒的底距、内筒的直径、内外筒间隙、液体的黏度、末端湍流以及流体的非牛顿性。

3.2 液体运动状态的影响

流体黏度测量过程中，流体的状态采用雷诺数（Re）进行判断，就同轴圆筒结构而言，外旋式与内旋式的场合，其层流转为湍流的雷诺数不一样，同时在测量过程中由于偏离了环绕仪器转轴流动而产生的二次流动对测量精度也有很大的影响。

3.3 仪器偏心的影响

在黏度测量过程中，当黏度计的内外筒同轴时，此时作用于内外筒的力矩M相同，而发生偏心时则导致内外筒力矩发生偏差，此时一个力偶F作用于两个轴上，在这种情况下将会引起读数误差或导致仪器不能有效读数。

3.4 转子和转速的影响

转子和转速的选择对仪器设备的测量精度具有较大的影响，在转速不变的情况下，通过测量转矩大小来求黏度，如果旋转黏度计的旋转部件实际转速与标称值不一致，此种情况下测量得到的黏度与真实值之间就会出现一定的偏差。如果仪器设备是采用交流供电，此种情况下转子的转速会随着电流频率的变化而变化，影响最终的测量结果。如采用表盘式仪器读取数据，合理的控制区间为20～90格，此时的误差控制在0.5格之内，其他情况无论是示数过大还是过小都易导致误差增大，因此必须要选择合适的转子和转速。

3.5 温度的影响

液体黏度对温度变化较为敏感，通常情况下，随着温度的升高，液体黏度变小。按照测量仪器规定，在测试过程中要考察现场环境温度以及液体的温度后再对液体进行测量，通常要求环境温度控制在（20±2）℃范围内。研究表明当流体与检定环境温度相差0.5 ℃时，部分流体的黏度检测值误差会大于5%，因此在流体黏度测试过程中要保证流体的温度稳定在一定范围内，以保证测试结果的准确性。当试验的温度不同或试验及检定温度有差异时，内外筒尺寸将发生变化，此时，流场系数f及仪器常数K也将发生变化，存在如式（1）和式（2）的关系：

式中：α为内外圆筒材料的线膨胀系数，f和f0为分别为T和T0温度下的流场系数，K和K0分别为T和T0温度下的仪器常数，T和T0分别为试验温度和初始温度。

为验证温度对测量结果的影响程度，进行了下述实验。先使用标准毛细管分别对标称值为100 mPa·s（6#标准液）和1 000 mPa·s（9#标准液）的标准黏度油进行试验，测试其在19.0 ℃、20.0 ℃和21.0 ℃的运动黏度，同时使用二等标准密度计测试黏度油在对应温度下的密度（实验过程中实验室温度同步恒温至测量点温度后进行测试，确保环境与样品温差小于±1 ℃），根据η=ρ·v计算得到的动力黏度作为动力黏度标准值。再使用BROOKFIELD的RV型旋转黏度计进行测量，将实测得到的动力黏度与标准值进行相对误差计算。结果表明：（1）高黏度的液体黏度随温度的变化率更大（分别约为4%和3%）；（2）相较于低黏度液体，高黏度液体在使用旋转黏度计测量时，测量稳定性更好；（3）被测流体与环境存在稳定温差时，仍可带来较大的测量波动。

3.6 人为因素的影响

仪器的安装需要必须严格按照说明书进行，否则会影响测量的精度。现实安装过程中，部分工作人员往往为了省事，对设备保护架不重视也不安装，这导致出现人为因素引起的测量误差，如采用NDJ-1型旋转黏度计测量液体时，未安装保护架得到的测试结果不合格。同时，对于测量使用后的转子要及时进行清洗确保表面干净，禁止采用金属物品损伤转子表面，避免测量结果出现误差。

3.7 容器与液量含量的影响

旋转黏度计转子与外筒的尺寸和深度均应在一定合理范围内，否则会导致测量结果存在较大的误差，如NDJ-1型旋转黏度计，分别对其外筒直径、深度和装液量提出明确的要求。实验结果表明，当外筒的内径和装液量与转子尺寸不匹配，均会导致测试结果发生较大的偏差。

4 结语

随着科技进步和技术更新的加快，实际生产经营活动对产品生产工艺控制提出了更严格的要求。黏度是流体的一个重要物性参数，直接关系到工艺参数控制的准确性和物质的状态，对生产起重要的指导作用，因此黏度计测量结果的准确性对生产工艺过程的影响至关重要。但是目前采用旋转黏度计测量液体黏度的过程中，往往受到各种因素的影响导致测量结果出现偏差，甚至错误。

为此，首先要注重测试人员素质的培养，培养其严谨工作的态度；其次制定严格的计划，定期对仪器设备进行校准；最后注意环境因素和物质本身给测量带来的影响，制定相应的检测规程。通过以上措施确保所获结果的真实性，为生产的顺利开展保驾护航。