聚合物（化纤、树脂等）中粘度检测方案(在线粘度计)

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在线粘度计的实际使用 在线粘度计的实际使用(Brookfield 上海办事处 丁晓炯) 1.11粘度测量的意义 在流变特性的测量里，常见的是对于其品质的控制，如一批批的原料和产品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。 1.2.1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。 1.2.2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昂的流变仪器设备。 1.2.3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 coneand plate 或是 coaxial cylinders。举一些本公司的产品来说有 Wells-BrookfieldCone/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 公司的在线粘度计计品主要有： VTA、VTE、TT-100、TT-200、TT220AST-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 经典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或传感器所带动， 此弹簧或传感器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(与弹簧或传感器的松紧有关)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，粘度可以由弹簧或传感器的偏离所读出。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。 粘度计主机包含了一个精确的铍铜合金的弹簧或传感器，在指针式的机型中，指针与轴承直接相连，这个指针是由变速箱所驱动并且经由弹簧控制轴承；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。 VTA、VTE 测量原理示意图 TT-100、TT-200测量原理示意图 2.2在线粘度计的主要指标 型号 测量范围(cP) 转速 随机转子数量 可显示参数 最小 最大 最高转速RPM 转速档数 信号输出 扭矩 粘度 剪切率 剪切应力 温度 TT-100 10 500K AS 1 N/A Analog √ √ AS STT-100 350 250K AS 1 N/A Analog √ √ AS TT-100VS 1 500K .1-3K V N/A Computer √ √ AS √ √ TT-200 10 500K AS 1 N/A Analog √ √ AS O TT-220 5 25K AS 1 N/A Analog √ √ AS VTA 1 4K 50 1 Pneumatic √ AS VTE 10 4K 50 1 Digital √ √ AS AST-100 2 3000 Digital √ √ 注： AS-根据要求定制，V-可连续调节， N/A-不可自行更换，√-有该项功能，O-可选配 3在线粘度计的应用 3.1J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! 应用领域 使用仪器 石油、天然气(油、气田) TT-100、TT-200 管道设计 TT-100VS 石油化工、有机硅 TT-100、TT-200 胶囊 TT-220、VTA、VTE 沥青 TT-100 食品(肉类) STT-100 食品(番茄酱) STT-100、AST-100 食品(巧克力) TT-200 燃料 TT-100 制罐 TT-100 纸张、纸板 TT-100 印刷 TT-220、VTA 陶瓷浆 TT-220 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。 3.3 在线与实验室测量数据对比及控制效果 3.3.1 在线与实验室测量数据对比 下图是一用户采用在线粘度计测量和用实验室采样分析所进行的数据对比分析，从分析结果看，在线测量的数据离散性明显小于实验室测量，同时经拟合后的曲线相关系数明显优于实验室测量，其主要原因在于实验室采样分析的条件与实际情况已有变化，因此测量误差较大。 3.3.2 在线控制的效果 在线控制的效果用简单的图示可表证如下： Fig.1未采用在线粘度控制的质量状况 Fig.2 采用在线粘度控制的质量状况 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。 4 在线粘度计选择的考虑因素 在进行在线粘度计的选型时一般应考虑以下因素：流体类型、测量对象、运行条件、安装要求、输出与控制单元类型、电气单元要求等。通过对以上因素的考虑，就可以确定在线粘度计的具体型号和详细配置，得到符合设计和现场要求的测量、显示和记录系统了。(详细的考虑因素见附表) 随着现场控制、流程控制以及产品品质要求的不断提高，在线粘度测量和控制的需求日益强烈，根据各自的实际情况和要求，选择适合的在线测量和控制系统，经过短时间的磨合，完全可以达到工艺设计和控制的要求，满足理想的目标。