传感器 | 流体粘度传感器的基础知识与应用

什么是粘度？

一般来说，粘度是指流体流动时流体内摩擦的物理量，是流体抵抗变形的能力。

?粘度的定义

?粘度在国家标准中的定义1：当两个平行平面之间的剪切流体，单位接触表面积的法向梯度为1时，流体粘度引起的内摩擦或剪切力称为粘度。非牛顿流体在剪切速率下的粘度称为剪切速率下的表观粘度。

? 百度百科全书对粘度的定义：物质的物理化学性质，定义为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充满液体；今天对上板施加一推力；F，产生速度变化所需的力。η=（F/A）/（du/dr）=τ/r′，T是剪切应力，r′剪切速率(速度梯形)

? 符号及单位：η（Pa·s）

1Pa·s代表意义：即块面积为1㎡如果将两块板浸泡在液体中，距离为1米，在某块板上加1米N切应力使两板之间的相对速率为1m/s，液体粘度为1Pa·s

? 影响粘度的因素

流体可分为牛顿流体和非牛顿流体。

牛顿流体的粘度仅与温度、切变速率、非牛顿流体的粘度、温度（主要）、压力等有关。

液体粘度随温度升高而降低，气体粘度随温度升高而增加。

? 动力粘度（dynamic viscosity），运动粘度（Kinematic viscosity）与恩氏粘度（Englerviscosity）

?动力粘度，又称动态粘度、绝对粘度和简单粘度，是衡量流体粘度大小的常用物理量，常记为μ或η，单位为Pa·s（即kg/(ms)），非法定计量单位常用1c泊泊（cp或cps）=1mpa·s

?运动粘度是在同一温度下流体的动力粘度ρ之比，记为v，单位为m2/s

动力粘度与运动粘度的关系：

?恩氏粘度，全称恩格勒粘度或恩格尔粘度℃、80℃、100℃)200毫升试样从恩氏粘度计流出所需的时间和蒸馏水在200毫升℃流出相同体积所需的时间(秒)比。单位为:°E(量纲为1)恩氏粘度可与运动粘度转换，即:

测量粘度的方法

常用的牛顿流体粘度测量方法如下：

?毛细管法(泊肃叶法)

适用性：105实验室取样测量mm2/s以下的运动粘度。

测量原理：在重力作用下，通过测量一定体积的流体，以均匀的层流状态流经毛细管所需的时间，以获得运动粘度。

毛细管粘度计类型：平氏粘度计、芬氏粘度计、乌氏粘度计、逆流粘度计。

?落球法

适用性：适用于实验室取样测量，范围广，特别适用于低剪切速率下高粘度样品的粘度测量

测量原理：落球法有直落式和滚落式两种方法式。直落式是通过测量球在液体中自由下落一定距离所需的时间来获得动力粘度。滚落式是通过测量固体球在充满样品的倾斜管中沿管壁滚落，并在一定距离下落所需的时间计算浓度。

测量球和样品管：直径为1~4mm几个轴承钢球滚落直径为11~15.8mm不锈钢、合金钢或玻璃球；样品管的计时间隔不得小于50mm，试样管的直径必须是测量球直径的5倍~10倍。

?旋转法(旋转法)

适用性：本方法测量范围广，适用于实验室取样测量。

测量原理:使圆筒(圆锥)在流体中旋转或静止，周围流体旋转流动，流体粘性扭矩 根据球体的动力粘度和扭矩关系，将作用于圆筒（圆锥）的流体动力粘度

?振动法(阻尼法)

适用性：适用于实验室和工业过程测量mpa·s以下的粘度

测量原理：用一定强度的磁脉冲激励测量头振动振动体。振动体放置在被测流体中，受流体粘性阻力振动衰减。被测流体的动力粘度可根据其衰减系数与流体动力粘度和密度的关系获得。

常见的粘度传感器参数

以瑞士Truedyne sensor公司的VLO-M粘度传感器为例如，传感器的参数如下

测量允许介质：无颗粒（<30μm）汽油等碳氢化合物E5/E10/E85，柴油B7/B10/XTL，M100(甲醇)、异丙醇等。

测量精度：±[0.2mPa·s 5%测量值]

重复性：±0.1 mPa·s

测量范围：0~5 Pa·s或0~50 Pa·s

允许介质和环境温度:-20~ 60℃

允许流量范围：0~10 L/h

允许的压力范围：0~20bar

尺寸：80 x 30 x 15 mm3

质量：<150g

此外，传感器还可以测量粘度和密度衍生的平均密度和浓度

粘度传感器的常见应用

粘度是流体的基本特性。流体粘度传感器最常用的应用是监测产品质量。根据产品对粘度的不同监测要求，可分为以下三类[3]：

(1)产品质量与其粘度直接相关:

如油墨的稳定性、沥青的质量分类、食品(巧克力、米粉等)的口感等。)，这些产品的最终质量与其粘度直接相关。

(2)产品工艺的质量控制与粘度有关:

如聚合物（化纤、树脂等）的合成反应终点判断、陶瓷浆成分的准确性等。，这些产品的生产过程与粘度有关，需要粘度来控制产品过程。

(3)工程设计或控制需要粘度指标:

如管道设计、燃料燃烧效率、运输过程监控等。为了达到最佳或最经济的效果，需要测量粘度。

参考文献：

[1]国标GB/T 18856.4—2008水煤浆试验方法 第四部分：表观粘度测定[S]

[2]国标GB/T 10247—2008 粘度测量方法[S]

[3]应用粘度测量和在线粘度计 [J].丁晓炯.流程工业.2004(02)