测量流体粘度的 6 种方法

粘度是工业流体（例如涂料、油漆和粘合剂）最基本的物理特性之一。从本质上讲，粘度表示流体对剪切应力或拉伸应力变形的抵抗力。换句话说，该性质描述了流体分子之间的摩擦力，导致以不同速度运动的流体层之间进行相反的相对运动。粘度可以是关于流体在施加的力或自身重量下如何表现的线索。流体越粘稠，它看起来就越“稠”。例如，油或油脂的粘度比水高，因此看起来更稠。石油、涂料、油漆和粘合剂制造商的任务通常是确定其产品针对特定应用的最佳粘度。低粘度流体往往更容易流动。因此，粘度过低的涂料会导致流挂和流挂。另一方面，粘度过高的涂料可能会“僵硬”且难以涂抹。在本文中，我们将探讨动态粘度和运动粘度之间的区别以及测量它们的各种方法。

动态粘度

动态粘度，也称为绝对粘度，是流体由于施加的外力而对剪切流的阻力。它描述了当一层流体在水平面上移过另一层时产生的内阻大小。动态粘度在描述非牛顿流体时特别有用。在数学上，动力粘度可以表示为：μ = τ dy / dc = τ/γ在哪里：

• τ = 流体中的剪切应力 (N/m ² )。
• μ = 流体的动态粘度 (N s/m ² )。
• dc = 单位速度 (m/s)。
• dy = 层间单位距离 (m)。
• γ = dc / dy = 剪切率 (s ^-1 )。

动态粘度的SI 单位是N s/m ²或帕斯卡秒 (Pa s)。动态粘度的另一个测量单位是泊 (p)，其中一泊等于十分之一 N s/m ²或 1/10 Pa s。出于实际目的，泊单位有时可能太大。因此，通常使用厘泊 (cP) 单位代替。在厘泊单位中，1 cP 等于 0.01P、0.001 N s/m ²或 0.001 Pa s。

运动粘度

运动粘度只是动态粘度与流体密度的比值。它反映了流体在重力影响下对剪切流的阻力，即由于流体自身重量引起的剪切流。这种粘度在描述牛顿流体时特别有用。在数学上，运动粘度可以表示为：ν = μ / ρ在哪里：

• ν = 运动粘度 (m ² /s)。
• μ = 绝对或动态粘度 (N s/m ² )。
• ρ = 密度 (kg/m ³ )。

动态粘度的 SI 单位是 m ² /s。此属性的另一个测量单位是斯托克 (St)，其中一个 St 等于 10 ^-4 m ² /s 等于 1 cm ² /s。如果以斯托克为单位的粘度值太大，通常会使用较小的单位厘沲 (cSt) 代替。在厘沲中，1 cSt 等于 10 ^-6 m ² /s = 1 mm ² /s。

如何测量粘度？

有几种不同的方法可以测量动态和运动粘度。一些最常见的方法如下：

1.粘度杯

粘度杯用于确定流体的运动粘度，通常由带有不锈钢孔的阳极氧化铝制成。这个相对简单的测试涉及将液体放入底部有一个小开口的容器中。允许流体以精确的量流过开口。通过使用为给定杯子提供的图表，测量流体通过开口所需的时间并将其与粘度相关联。粘度杯通常用于测量油漆、清漆和类似产品的稠度。然后使用表格将流出时间（以秒为单位）转换为以厘沲 (cSt) 为单位的粘度。在比较不同杯子类型之间的粘度值时必须小心。粘度杯提供的数值是绝对值，不包括允许的公差——因为这些在每个标准之间有很大差异。

2. 振动粘度计

振动粘度计通过将振荡机电谐振器浸入测试流体并测量流体提供的阻尼程度来运行。谐振器通常会发生扭转或横向振荡，阻尼可由下式确定：

• 记录保持设备以恒定振幅振动所需的功率输入。
• 测量关闭振动后振荡的时间衰减。
• 测量谐振器相对于不同相位角的频率。

石英粘度计是振动粘度计的一个例子。使用这种方法，将振荡的石英晶体浸入流体中，对振荡行为的具体影响决定了粘度。施加到振荡器的电场导致传感器移动并导致流体剪切。然后传感器的运动受到流体的外力（剪切应力）的影响，这会影响传感器的电响应。

3.旋转粘度计

旋转粘度计通过测量旋转测试流体中的物体所需的扭矩来工作。以下是该过程的结果：

1. 其中一个表面是静止的。
2. 配合面由外部驱动器旋转。
3. 流体填充表面之间的空间。测量并记录以预定速度旋转圆盘或摆锤所需的扭矩。

保持设定转速的扭矩与粘度成正比；因此，该装置能够输出粘度、剪切应力和剪切速率值。由于对液体施加了外部剪切力，因此旋转粘度计测量流体的动态粘度。杯子、摆子、锥体和盘子都是旋转粘度计的类型。杯式和摆式粘度计由不同直径的同轴圆柱体组成。一定体积的待剪切样本存储在测试单元中；测量并绘制达到特定转速所需的扭矩。锥板式粘度计具有精确的扭矩计，该扭矩计以离散转速驱动。它使用靠近平板的窄角锥体。粘度由剪切应力和剪切速率计算。

4. 毛细管粘度计

毛细管粘度计是已知的最早确定流体粘度的方法之一。该方法测量规定体积的流体流过已知直径和长度的U 形毛细管所需的时间。管子通常有两个标记——上标记和下标记——用作测量参考。流体流过这些标记所需的时间与运动粘度成正比；因此可以使用标准公式确定粘度。毛细管粘度计包括 Ostwald 和 Ubbelohde 粘度计。两者都是 U 形仪器，有两个玻璃灯泡并使用毛细管。然而，乌氏粘度计的一大优点是它获得的值与所用液体的总体积无关。Ostwald 和 Ubbelohde 粘度计之间的主要区别在于 Ostwald 粘度计适用于测量中低粘度液体，而 Ubbelohde 粘度计适用于测量高粘度液体。

5. 落球粘度计

落球式粘度计用于测定透明牛顿流体的动态粘度。该概念涉及测量已知密度的球体在重力作用下通过装有样品的管落下所需的时间。该管通常安装在可以快速旋转 180 度以允许重复测试的设备上。记录三个测试的平均时间并在转换公式中使用以确定样品的粘度。落球粘度计用于各种行业和学术机构的质量控制，以说明科学方法。记录时间测量的易用性和直接方法确保了有意义的测试结果。

6.稠度计

稠度计是一种由金属槽组成的装置，金属槽的一小部分被弹簧加载门挡住。它是这样工作的：

1. 待测样品放置在弹簧门后面。
2. 闸门被抬起，允许样品在其自身重量下自由流动。
3. 液体在特定时间内流动的距离是通过仪器的刻度来测量的。

稠度计本身不直接测量粘度值；相反，它允许用户针对被测产品开发自己的标准。这种方法在食品工业中更为流行，通常用于测量番茄酱、蛋黄酱、蜜饯、馅料、汤、婴儿食品和沙拉酱等产品的粘度。

影响粘度的因素

流体粘度取决于多种因素。这些都是：

• 流体温度。通常，液体的粘度随着温度的升高而降低。然而，气体的粘度通常随着温度的升高而增加。
• 流动条件。对于层流，液体的粘度保持不变；而对于湍流粘度变化。
• 压力。当压力增加时，气体的粘度通常会增加。对于液体，由于不可压缩，压力影响不大。
• 多相流。多相流的粘度随每一相的体积而变化。
• 悬浮粒子。悬浮物质导致粘度增加。
  

牛顿粘度定律

流体在机械应力下的剪切应力和剪切速率之间的关系受牛顿粘度定律支配。牛顿粘度定律指出，对于给定的温度和压力，流体中两个相邻层之间的剪切应力与这些层之间的速度梯度成正比。换句话说，流体中剪切应力与剪切速率的比值是一个常数，即粘度系数。但是，牛顿粘度定律仅适用于牛顿流体。非牛顿流体不遵循牛顿粘度定律；因此它们的粘度会发生变化并取决于剪切速率。

结论

粘度是一种重要的流体特性，对于各个行业的许多不同产品都是必不可少的。动态和运动粘度描述了不同的特性，并且在测试流体时会产生截然不同的结果。因此，了解粘度类型之间的差异并对手头的样品采取适当的测试机制非常重要。