流體粘度傳感器的基礎知識與應用

2020-09-16 儀商網

什麼是粘度？

通俗的講，粘度就是表示流體在流動時，流體內部發生內摩擦的物理量，是流體反抗形變的能力。


➀ 粘度的定義

✎ 國標中對粘度的定義【1】：在兩個平行平面間受剪切的流體，單位接觸表面積上法向梯度為1時，由於流體粘性所引起的內摩擦力或剪切力的大小稱為粘度。非牛頓流體在某一剪切速率下的粘度稱為在該剪切速率下的表觀粘度。

✎ 百度百科對粘度的定義：是物質的一種物理化學性質，定義為一對平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體；今對上板施加一推力F，使其產生一速度變化度所需的力。即，η=（F/A）/（du/dr）=τ/r′，其中T為剪切應力，r′為剪切速率（速度梯形）


➁ 符號與單位：η（Pa·s）

1Pa·s代表的意義：即塊面積為1㎡的板浸於液體中，兩板距離為1米，若在某一塊板上加1N的切應力，使兩板之間的相對速率為1m/s，則此液體的粘度為1Pa·s


➂ 粘度的影響因素

根據流體性質的不同，流體可分為牛頓流體和非牛頓流體。

牛頓流體的粘度只與溫度有關，與切變速率無關，非牛頓流體的粘度與溫度（主要）、壓力等有關。

並且液體的粘度隨著溫度升高而減小，氣體粘度則隨溫度升高而增大。


➃ 動力粘度（dynamic viscosity），運動粘度（Kinematic viscosity）與恩氏粘度（Engler viscosity）

✎動力粘度，又稱為動態粘度、絕對粘度和簡單粘度，是度量流體粘度大小的常用物理量，常記為μ或η，單位為Pa·s（即kg/(ms)），常用非法定計量單位1釐泊（cp或cps）=1mpa·s

✎運動粘度，是流體的動力粘度與同溫度下該流體密度ρ之比，記為v，單位為m2/s

動力粘度與運動粘度的關係：

✎恩氏粘度，全稱「恩格勒黏度」或「恩格爾粘度」，亦稱「相對粘度」、「條件粘度」。是一定量的試樣，在規定溫度(如：50℃、80℃、100℃)下，從恩氏粘度計流出200毫升試樣所需的時間與蒸餾水在20℃流出相同體積所需要的時間(秒)之比。單位為：°E（量綱為1），恩氏粘度可以與運動粘度之間進行換算，即：


粘度的測量方法


牛頓流體的常用粘度測量方法如下：


➀ 毛細管法（泊肅葉法）

適用性：適用於實驗室取樣測量105mm2/s以下的運動粘度。

測量原理：通過測量一定體積的流體在重力作用下，以勻速層流狀態流經毛細管所需的時間，從而求得運動粘度。

毛細管粘度計類型：平氏粘度計，芬氏粘度計，烏氏粘度計，逆流粘度計。


➁ 落球法

適用性：適用於實驗室取樣測量，量程較寬，特別適合高粘度試樣在低剪切速率下的粘度測量

測量原理：落球法有直落式和滾落式兩種方法，直落式是通過測量球在液體中自由下落一定距離所需的時間，從而求動力粘度，滾落式是通過測量固體球在充滿試樣的傾斜管子中沿管壁滾落，下落一定距離所需的時間從而計算濃度。

測量球和試樣管：直落式採用直徑為1~4mm的若干軸承鋼球，滾落式採用直徑為11~15.8mm的不鏽鋼、合金鋼或玻璃球；試樣管的計時標間隔不應小於50mm，直落式的試樣管的直徑必須是測量球直徑的5倍~10倍。


➂ 旋轉法（轉筒法）

適用性：本方法測量範圍寬，適用於實驗室取樣測量。

測量原理：使圓筒（圓錐）在流體中旋轉或圓筒（圓錐）靜止而周圍的流體旋轉流動，流體的粘性扭矩 將作用於圓筒（圓錐），根據球體的動力粘度和扭矩的關係，可以求得流體的動力粘度


➃ 振動法（阻尼法）

適用性：適用於實驗室和工業過程測量1000mpa·s以下的粘度

測量原理：用一定強度的磁脈衝激勵測頭使振動體振動，振動體置於被測流體中，受流體粘性阻力作用振動將衰減，根據其衰減係數與流體的動力粘度和密度的關係可得到該被測流體的動力粘度。


粘度傳感器常見參數


以瑞士Truedyne sensor公司的VLO-M1粘度傳感器為例，其傳感器的參數如下

測量允許介質：無顆粒（<30μm）碳氫化合物，如汽油E5/E10/E85，柴油B7/B10/XTL，M100（甲醇），異丙醇等。

測量精度：±[0.2mPa·s + 5%測量值]

重複性：±0.1 mPa·s

測量範圍：0~5 Pa·s或0~50 Pa·s

允許的介質和環境溫度：-20~+60℃

允許的流量範圍：0~10 L/h

允許的壓力範圍：0~20bar

尺寸：80 x 30 x 15 mm3

質量：<150g

此外該傳感器還能測量密度，以及由粘度和密度衍生出的平均密度、濃度等參數


圖1：VLO-M1粘度傳感器


粘度傳感器的常見應用


粘性，是流體的基本特徵，流體粘度傳感器的最常見應用，是對產品品質進行監測，根據產品對粘度的不同相關監測需求可分為以下三類[3]：

（1）產品的品質直接與其粘度相關：

如油墨的穩定性、瀝青的品質分級、食品（巧克力、米粉等）的口感等，這些產品的最終質量直接與其粘度相關。

（2）產品工藝的品控與粘度相關：

如聚合物（化纖、樹脂等）的合成反應終點判定、陶瓷漿的配料準確性等，這些產品的生成工藝與粘度相關，需要粘度對產品工藝進行品控。

（3）工程設計或控制需要粘度指標：

如管道的設計、燃料的燃燒效率、輸送過程的監測和控制等。都需要測量粘度以達到最佳或最經濟的效果。

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