1.1 为何要做有关流变的测量

        任何一位在开始研究有关流变的过程中一定先会问一个问题那就是”为什么要做粘度的测量呢”成千做相关实验的研究人员告诉我们它可以提供数据包括流程的影响、公式的改变以及对象对时间的变化状况以帮助我们更进一步的了解实验系统的行为并且做相当程度的推测。

        在流变特性的测量里常见的是对于其品质的控制如一批批的原料必须有着一致的流变特性。也就是为了这个原因对于产品的一致性与品质的控制上大家相信流体的行为是一个最直接能够测量的方式。

        研究流体行为的另外一个原因是因为它是一个直接得到可用于实际使用估计数据的研究。如一个高粘度的液体在传送上我们知道需要比较高瓦数的泵。因此了解流变行为对于管线设计与泵的装配设计系统上是非常有用的。另外在研究上也被提出物质的特性在流变上的表现是敏感的如物质分子量的增加或是其分子量分布不一致也会直接反映在其流动行为上。这在高分子的合成上是很重要的我们可以藉由其流变行为来比较其分子量而不需大费周折地去测量其真正数值。流变的测量在接下去的化学反应中也是非常有用的应用在生产中的品质控制或是藉由它来控制一个流程并且无论在化学、机械、热处理、添加物的影响或是热硬化反应的过程。它也是预测并控制产品特性、最终控制过程以保证原材料表现与行为的一种方法。

1.2 流变现象

        一开始让我们思考一个问题”在一产品或流程上流变的某些参数是否对它们有着关联性呢”要知道问题的答案直觉上我们必须要在材料的化学及物理现象上下功夫而原因是因为它们会反映出流变行为。现在我们先假设这些信息我们已经知道并且也确定了几种的可能性。我们要做的下一步是去收集一些初步关于流变一些数据并且思考决定此系统所表现出的流体行为特性是属于那一范畴内。基本上上述决定帮助我们选择使用某一款粘度计做测量并且绘制其有关流体行为的结果。

        一旦流体的行为已经确定我们就能对于系统成分间的互相作用情形有更详细的了解。在仪器内亦建有不少的数学模式可拿来对数据做最适当的仿真模拟。

        这些数学模式范围可以从简单到复杂有些仅是将数据绘制成图表其它则需要两种变量比例的计算。有些是相当复杂的需要用到计算器或计算机的程序处理。这类的分析可以将我们的资料作最有效的利用常常也能由这些程序得到一些对流程与产品来说很重要的一些数字。

        一旦我们能得知流变数据和产品品质的关系这些流程就能够被我们一再地反复使用并控制而测得的数据也可以帮助我们预先评估和控制产品的品质。

1.3 粘度测量所考虑的三个学派

        在流变学的应用和粘度计的使用上面来说经验中有三个思维的基本方向。我们把它们列在这里加以简单论述并且提供选择。在选择上并没有绝对的对与错因为每一个都有自己的优点。

1.3.1 实用学派

        第一个思考方向是其实用价值。选择这一类的人们关心的不是流变的理论或是一些测量的参数他们所需要的是仪器提供的数据这些数据对有关产品与流程方面非常的有用。重视品质控制与工厂产品应用的使用者是隶属于此范畴内的。

1.3.2 理论学派

        第二个我们所提到的是思考与理论有较密切的关系。支持此一学派的人们知道某些种类的粘度计无法直接的提供非牛顿流体的剪切数值与绝对粘度。然而他们发现可以将一些重要的结果或是流程参数与读到的粘度加以研究来找到其相关性。有许多使用者是属于这一范畴内的。在许多与流变相关的文献上常提到一句话”我知道这组数据并不是非常的精准但是我们把它放在心里并多取几组数据来提供比较”。在许多的例子里照着上述的流程我们可以得到一些令人满意的结果而不需要再去购买一些更高精密且昂贵的流变仪器设备。

1.3.3 学术学派

        第三类是相当学术派的。他们需要所有测量的参数特别是剪切率及剪切力他们都想要知道并且予以了解。他们对于装置的几何形状也一并想要了解如cone and plate 或是coaxial cylinders。举一些本公司的产品来说有Wells-Brookfield Cone/Plate、CAP Viscometers、UL adapter、Small Sample Adapter、Thermosel、Din Adapter 和Spiral Adapter accessories 和PVS Rheometer 一样。这些仪器可以有效的测得剪切率而也可直接地得到绝对粘度数值。

        上述的是我们提供有关粘度测量思维的几个方向。一般可以依据各自的背景、目标、方法与拥有仪器的种类来加以选择。

2 在线粘度计产品

        目前Brookfield 公司的在线粘度计产品主要有VTA、VTE、TT-100、TT-200、TT220、AST-100 等主要系列各系列产品的测量范围和适用范围也不尽相同在测量原理上除了AST-100 是采用振动式之外均采用旋转式的测量这也是Brookfield 公司最擅长的。

2.1 旋转粘度计运作的基本原理

        Brookfield 的旋转粘度计可以调整不同的转速由一个浸入样品中的转子可以测得扭力。此转子是由一个马达弹簧所带动 此弹簧的偏离由指针所显示(或者经由数字化仪表显示)。通过变速箱调整不同速度与使用不同转子可以测得不同范围的粘度。

        粘度、粘力、流动的阻力(与弹簧的松紧有关)与转子的转速与转子形状有关当转速增加或转子增大时粘力会加大。因此当转速增大或转子变大时粘度可以由弹簧的偏离所读出。最小范围的粘度可以由表面积最大的转子与最高转速测得而最大范围的粘度可由表面积最小的转子与最慢转速测得。同一个转子在不同的转速下可以测量流体的流变特性。

        马达与变速箱一般是装置在仪器顶端的机壳内粘度计主机包含了一个精确的铍铜合金的弹簧一端接在轴承上另一端直接接在指针上。这个指针是由变速箱所驱动并且经由弹簧控制轴承。在指针式的机型中 指针与轴承直接相连。在数字化仪表的机型中一个变速度位移转换器侦测轴承的转角并显示在数为仪表板上。在线粘度计则可以输出4-20mA 的电信号、直流电压信号或直接在仪表板上显示。

2.2 在线粘度计的主要指标

3 在线粘度计的应用

3.1 应用实例

        随着对产品品质控制要求的提高传统的实验室测量或滞后的检验已不能满足要求在线测量的应用和需求日益广泛下表列举了一些不同型号的在线粘度计在实际中应用供参考

3.2 应用效果

        从在线粘度计的实际应用情况来看使用的效果和实际收益大致可分成以下三类

3.2.1 产品的品质与直接粘度有关

        聚合物化纤、树脂等合成的反应终点判定、食品巧克力、陶瓷浆等的的配料准确性这一大类的应用都直接利用粘度测量确定最终产品的质量。

3.2.2 产品的主要质量指标与粘度有关

        胶囊的壁厚、印刷油墨的稳定、沥青的品质分类、纸张的厚度等与粘度有关需要在工艺中控制。

3.2.3 工程设计或控制需要粘度指标

        管道的设计、燃料的燃烧效率、输送过程的监测和控制等都需要测量粘度以达到最佳或最经济的效果。

        在线控制的效果用简单的图示可表证如下

        从二图的比较可以看出采用在线控制后质量的波动小且比较平滑更有益于质量控制和提高效率降低质量成本。

        以上是对粘度测量在线控制的简单介绍不足之处请指正