基于ZLJ-C系列科里奥利质量流量计的流体粘度测量技术研究

　　粘度是液体的重要物理性质和技术指标之一,粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义, 特别是在石油化工、医药、冶金、食品等行业中。如在石油化工中, 准确测定石油的粘度, 可以提高其产品的质量和产量; 在医学上, 人体内正常血液循环要求血液粘度保持在合适的水平上, 血液粘度异常会导致微循环和组织的新陈代谢出现障碍, 因而血液粘度的准确测量将有助于病情的及时诊断和疾病的有效预防; 在基础研究中, 粘度的测定也占有非常重要的地位, 如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等。粘度测量数据可以提供产品的品质、反应的进程、流程的影响、配方的改变 以及流体随时间的变化状况, 以帮助我们更进一步的了解流体系统的行为, 做出相应的判断。因此, 粘度测定技术一直以来都受到极大的关注。

　　对流体粘度的测量, 传统方法无非是基于泊肃叶( Po iseuille) 定律的毛细管粘度计, 基于Couette及与之相似原理的旋转粘度计、落球粘度计和检测驱动能量的振动粘度计。而这些粘度计应用于工业在线检测时, 存在需要送实验室, 监测不及时或者需要在管线上设置旁路[ 1] , 增加设备等缺点。

　　近些年, 美国MicroMot ion 公司的Paul Kalotay提出了利用科里奥利质量流量计( 以下简称科氏流量计) 在线测量流体粘度的方法[ 2] , 其测量原理是牛顿流体层流运动的哈根-泊肃叶( Hag en-Po-iseuille) 定律, 需要测量流体的质量流量、密度和两点间的压力差, 为能检测两点间的压力差, 在科氏流量计的正对位置接一只压力传送器。德国E+ H 公司[ 3-4] 在单直管上应用文献[ 5] 的扭转振动方法, 产生流体内摩擦, 实现了对粘度的测量。采用质量流量计进行粘度检测不仅解决了传统粘度计存在的问题, 而且在原有功能上拓展了一种新功能, 监测更多的变量, 因此应用科氏流量计测量粘度对工业生产而言具有重要意义。本文对采用科氏流量计进行粘度测量的各种方法进行了分析, 提出了一种全新的粘度测量方法。

　　1 粘性流体的内摩擦力

　　流体在受到外部剪切力作用时发生变形( 流动) , 即为流体粘度。其内部相应要产生对变形的抵抗, 并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力, 这是流体的一种固有物理属性, 称为流体的粘滞性或粘性。牛顿内摩擦定律[ 6] 或牛顿剪切定律对流体的粘性作了理论描述, 即流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比。用公式表示如下:

　　上式又称为牛顿剪切应力公式, 式中的比例系数G就是代表流体粘滞性的物理量, 反映了流体内摩擦力的大小, 称为流体的动力粘滞系数或粘度, 它与流体密度的比值称为运动粘度v 。流体的粘度与温度有密切的关系。液体的粘度随着温度升高而下降, 而气体的粘度则随着温度的升高而升高。在物理意义上, 牛顿剪切应力公式表明有一大类流体, 它们的剪切应力与速度梯度呈线性关系。这类流体被称为牛顿流体。另一方面, 如果上式的函数关系是非线性的, 所描述的流体就被称为非牛顿流体。流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。本文的研究对象为牛顿流体。