旋轉(zhuǎn)黏度計常數(shù)檢定溫度和使用溫度不同對測量結(jié)果的影響

李瑞雪 郭 毅 張春霞 李 菁

(陜西省計量科學(xué)研究院, 西安 710065)

旋轉(zhuǎn)黏度計的檢定方法是在標(biāo)準(zhǔn)黏度液定值溫度下，用相對法標(biāo)定黏度計常數(shù)或轉(zhuǎn)子常數(shù)，黏度計常數(shù)或轉(zhuǎn)子常數(shù)與轉(zhuǎn)子的幾何尺寸有關(guān)，儀器在不同溫度下使用時，轉(zhuǎn)子的幾何尺寸會發(fā)生變化，為此筆者就非檢定溫度下使用儀器時，黏度計常數(shù)或轉(zhuǎn)子常數(shù)因轉(zhuǎn)筒幾何尺寸的改變對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探討。

1 旋轉(zhuǎn)黏度計測量方法

當(dāng)圓筒、圓板或球體在流體中轉(zhuǎn)動或物體靜止而周圍流體作同心狀轉(zhuǎn)動時，這些物體均受到流體的粘性力矩的作用。若轉(zhuǎn)動物體的幾何尺寸、轉(zhuǎn)速等條件固定不變，物體所受粘性力矩將隨流體的黏度變化而變化。流體的黏度越大，作用于物體的粘性力矩越大。旋轉(zhuǎn)法測量黏度就是通過測定作用于物體的粘性力矩或轉(zhuǎn)速來確定流體黏度的大小，流體黏度相對測量法計算公式如下：

η=Kα

(1)

(2)

式中：η——動力黏度；

K——儀器常數(shù)；

α——儀器偏轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)盤讀數(shù))；

Z——轉(zhuǎn)筒常數(shù)；

γ——剪切速率。

K、Z值與轉(zhuǎn)筒的浸沒高度、內(nèi)外筒尺寸及轉(zhuǎn)筒相對轉(zhuǎn)動角速度有關(guān)，按下式計算：

(3)

Z=Kγ

(4)

式中：M—— 粘性力矩；

h—— 內(nèi)桶的浸沒高度；

Ri、Ra—— 內(nèi)、外筒的半徑；

ω—— 內(nèi)筒相對于外筒旋轉(zhuǎn)的角速度。

在黏度測量中，對于一定的測量系統(tǒng)γ和ω是固定不變的，通常不采用直接測量轉(zhuǎn)筒所受的粘性力矩和轉(zhuǎn)子幾何尺寸的絕對法求得黏度，而是采用相對測量法測量流體的黏度。具體操作如下：旋轉(zhuǎn)黏度計常數(shù)、轉(zhuǎn)子常數(shù)或數(shù)字式儀器的修正系數(shù)是在黏度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值溫度下檢定并給出的，當(dāng)使用上述儀器測量流體黏度時，對于指針式儀器是測出轉(zhuǎn)筒在粘性力矩作用下的偏轉(zhuǎn)角，用公式(1)或(2)計算出被測液體的動力黏度，對于數(shù)字式儀器則直接給出被測液體的黏度值。

由式(3)可以看出，儀器在不同溫度下使用時，轉(zhuǎn)子的幾何尺寸會發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)筒的表面積也會隨著轉(zhuǎn)子尺寸的變化產(chǎn)生改變，使其所受的粘性力矩發(fā)生變化。因此，以下主要討論非檢定溫度下使用儀器時，隨著溫度變化、轉(zhuǎn)子幾何尺寸的改變對儀器常數(shù)造成的影響。

2 實驗部分

目前黏度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大多只提供20℃的運動黏度和動力黏度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)黏度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)黏度液只能在20℃條件下使用，然而實際工作中往往在非檢定溫度下使用儀器。因此在非檢定溫度下使用儀器對測量結(jié)果的影響成了使用者最關(guān)心的問題，以下針對該問題進(jìn)行試驗。

2.1 主要儀器設(shè)備與材料

標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管黏度計：沈陽玻璃儀器廠；

二等石油密度計：浙江余姚儀表二廠；

旋轉(zhuǎn)黏度計：NDJ 79型，同濟大學(xué)機電廠；

標(biāo)準(zhǔn)黏度油：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心。

2.2 試驗方法

根據(jù)使用者的實際要求設(shè)計試驗，分別在20℃和25℃條件下對旋轉(zhuǎn)黏度計的不同測量單元進(jìn)行檢定，對不同溫度下的儀器常數(shù)進(jìn)行比較，以此評價旋轉(zhuǎn)黏度計的使用溫度和儀器常數(shù)檢定溫度不同時對測量結(jié)果造成的影響。

3 結(jié)果與討論

試驗選擇了NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計的1#、10#、100#轉(zhuǎn)筒和2#轉(zhuǎn)片作實驗樣本。分別在20℃和25℃條件下，用標(biāo)準(zhǔn)黏度液檢定主機和上述各測量單元組合的儀器常數(shù)。表1列出了20℃和25℃條件下標(biāo)準(zhǔn)黏度液動力黏度值，以及動力黏度的變化率。表2列出了20℃和25℃條件下，不同測量單元被檢定儀器的常數(shù)，以及黏度計常數(shù)的變化率 。

表1 20℃和25℃標(biāo)準(zhǔn)黏度液動力黏度值及變化率

油號20#50#200#標(biāo)定溫度/℃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%油號500#1000#2000#標(biāo)定溫度/℃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℃不同測量單元儀器常數(shù)及變化率

由表1和表2可以得出，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)黏度液的標(biāo)定溫度從20℃上升到25℃時，對于石油產(chǎn)品混合物其動力黏度變化率為20.2%～28.9%,對于硅油其動力黏度變化率為9.7%～10.0%。當(dāng)儀器的檢定溫度從20℃變?yōu)?5℃時，各測量單元儀器常數(shù)的變化率僅為0.8%～1.6%。即20℃檢定儀器常數(shù)在25℃下使用，對流體黏度測量結(jié)果的影響小于1.6%。