固体黏度的测量方法及实现

    0　引言

    黏度是表征流体质量的一个重要物理参数,它是液体受到外力作用流动时在流体分子间所呈现的内摩擦力。

    黏度测量的传统方法主要有毛细管法^[1]。毛细管黏度测量方法的原理是基于Hagen-Poiseuille定律,即当流体以一定流量流经毛细管时,在毛细管两端产生的压力差Δp与流体的动力黏度η成正比,即Δp = k·η。毛细管黏度计是目前最有效的黏度计之一,但毛细管黏度计也有以下明显的缺点:①温度是影响毛细管黏度计测量的一个非常重要的参数,温度的变化会影响到黏度测量的精度,温度测量故障常导致毛细管受压过高而损坏;②需要频繁而精心地维护,这样既干扰生产,又加大了运行成本;③介质附着在毛细管上,影响黏度计正常测量;④价格太高。

    毛细管黏度计的这些重大缺陷,严重制约着它的应用,导致化工生产中的一些在线黏度计形同虚设,严重影响了产品质量,这就要求从根本上创新黏度测量手段。化工产品处于高温熔融状态下,材料力学实验表明液体绝热压缩比与黏度存在某种关系;声学实验表明液体绝热压缩比与声速存在某种关系。所以,液体绝热压缩比作为黏度和声速的桥梁,使声速与黏度之间有了一定的关联。

    黏度本是流体的物理特性,但许多产品又常以固体的形态出现。采用常规的方法必需先把样品加热熔化成液体形态,然后在恒温的条件下才可以用常规的检测方法来进行测量。因此,对这些产品进行测试时,不仅使得测试系统比较复杂,而且使得测试时间比较长。所以,探索黏度与固体物质的力学量和声学量的关系,研究直接对固体进行测试而得到其液态时的黏度测量方法,既可简化黏度测量过程,又可实现固体物质的在线黏度测量。

    1　基于固态的黏度测量原理

    化工产品处于固体状态下,材料力学实验表明,弹性模量与黏度具有如下关系^[2]:

    η=αE             (1)

式中:E为弹性模量,Pa;η为动力黏度,Pa·s;α为黏度比例系数。

    声学实验表明,弹性模量E与声速c存在如下关系[2]:

式中:c为声速,m/s;ρ为密度, kg/m³。

    将式(2)代入式(1)得到:

    η=αρc²          (3)

    基于上述原理,设计了超声波固体黏度计[3-4]。

    2　系统结构和工作过程

     2.1　系统结构

    超声波固体黏度测试仪由超声波发射器、超声波接收器和单片机智能控制系统三部分构成^[5-6]。系统结构如图1所示。

    2.2　工作过程

    超声波发射器部分可在夹台的滑槽中滑动,发射器与接收器2之间可夹住待测试样。