1 引言
液體和固體的重要區(qū)別之一是液體具有流動(dòng)性，給它很小的力就可以使其變形。以河流為例，可以發(fā)現(xiàn)河中心流速最快，越靠近岸邊流速越慢，這是因?yàn)榱黧w有抵抗變形的性質(zhì)，也就是粘滯性，而粘度就是度量流體粘滯性大小的物理量。如果在垂直于流速的方向上取一段無(wú)限小的距離dx，流速由v變?yōu)関+dv，則比值dv/dx表示在垂直于流速方向單位距離流速的增量，即剪切速率γ（或流速梯度）。因?yàn)閮?nèi)聚力的存在，流速不同的流層之間會(huì)有相互作用（剪切力），將單位面積上的剪切力稱作剪切應(yīng)力τ。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，可以得到τ=μγ，式中的μ即粘度，它在數(shù)值上等于剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，物理意義為產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。
水、醋類、油類等流體的粘度不受剪切速率變化的影響，被稱之為牛頓流體。但有些流體的粘度會(huì)隨剪切速率的變化而變化，它們被稱為非牛頓流體，典型的非牛頓流體包括紙漿、油漆、血液、高聚物溶液等。非牛頓流體還可細(xì)分為塑性流體、假塑性流體、膨脹流體等幾類。
粘度是表征流體性質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，在石油、化工、醫(yī)學(xué)、輕工、食品、建材、冶金、航天等領(lǐng)域都需要精確地測(cè)量流體的粘度，以達(dá)到控制生產(chǎn)流程、保證安全生產(chǎn)、控制與評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量、協(xié)助醫(yī)學(xué)診斷及科學(xué)研究等目的。粘度的測(cè)量是研究和應(yīng)用各種流體的必要手段。如在石油化工領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)定石油的粘度，有助于選擇合適的泵送和煉油參數(shù)，從而提高其產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)槿梭w血液粘度異常會(huì)導(dǎo)致微循環(huán)和組織的新陳代謝出現(xiàn)障礙，因而血液粘度的準(zhǔn)確測(cè)量將有助于病情的及時(shí)診斷和疾病的有效預(yù)防；在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，粘度的測(cè)定也占有非常重要的地位，如研究膠體稀溶液的粘度可以幫助了解質(zhì)點(diǎn)的大小與形狀、質(zhì)點(diǎn)與介質(zhì)間的相互作用等。
由于粘度被定義為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，故而測(cè)量粘度的思路有兩種，其一是固定剪切應(yīng)力測(cè)剪切速率，其二是固定剪切速率測(cè)剪切應(yīng)力。目前測(cè)量粘度的方法有許多，相應(yīng)的儀器更是數(shù)不勝數(shù)，其中應(yīng)用最廣泛的主要有旋轉(zhuǎn)法、毛細(xì)管法、落體法以及振動(dòng)法等幾種。這四種方法中，毛細(xì)管法和落體法采用了第一種思路，旋轉(zhuǎn)法和振動(dòng)法則采用了第二種思路。下面介紹這幾種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍以及應(yīng)用情況。
2 旋轉(zhuǎn)法
旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的基本原理是：由一臺(tái)同步微型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒以一定的速率在被測(cè)流體中旋轉(zhuǎn)，由于受到流體粘滯力的作用，轉(zhuǎn)筒會(huì)產(chǎn)生滯后，與轉(zhuǎn)筒連接的彈性元件則會(huì)在旋轉(zhuǎn)的反方向上產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)，由傳感器測(cè)得扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的大小，從而得到流體的粘度值。
旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的類型是根據(jù)力矩傳遞裝置（含測(cè)量頭和樣品杯）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)劃分的，主要有同軸圓筒式粘度計(jì)、錐板式粘度計(jì)、平行板式粘度計(jì)等幾類。同軸圓筒粘度計(jì)的力矩傳遞裝置是由圓柱形的測(cè)量頭和圓筒形的樣品杯組成（如圖1），這是最為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)。錐板式粘度計(jì)的力矩傳遞裝置的特別之處在于它的測(cè)量頭呈角度極鈍的圓錐形，與之相對(duì)應(yīng)的，其樣品杯呈平板形。平行板粘度計(jì)像是被“壓扁”的同軸圓筒式粘度計(jì)，其測(cè)量頭和樣品杯都是平板型的。
旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種粘度計(jì)。近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的提高，研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)和功能單一的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)做了很多改進(jìn)。比如V. C. Kelessidis等在考慮端部效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了矯正；丁曉炯探討了一些在線測(cè)量方面的問(wèn)題；路則堅(jiān)在粘度計(jì)中加入了單片機(jī)控制；肖軍民等則使用了傳感器以及數(shù)字技術(shù)等。這些改進(jìn)在一定程度上克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的一些弊端，提高了測(cè)量結(jié)果的精確性和易讀性，擴(kuò)大了旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的應(yīng)用范圍，提高了粘度計(jì)測(cè)量的自動(dòng)化程度，可以在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品粘度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。
3 毛細(xì)管法
毛細(xì)管粘度計(jì)的基本原理如圖2所示。將被測(cè)物料加入料筒中，由外部的加熱套加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，并由保溫層保溫，以保證料筒和物料處于實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度。柱塞在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下運(yùn)動(dòng)，將被測(cè)物料由毛細(xì)管擠出。實(shí)驗(yàn)中需借助壓力傳感器測(cè)得毛細(xì)管的進(jìn)口壓力和出口壓力，再結(jié)合儀器的固定參數(shù)（毛細(xì)管長(zhǎng)度和直徑）和實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)（柱塞運(yùn)動(dòng)速度或所受壓力），計(jì)算出剪切應(yīng)力、剪切速率、粘度等數(shù)據(jù)以及它們之間的關(guān)系。毛細(xì)管粘度計(jì)種類繁多。根據(jù)物料通過(guò)毛細(xì)管的方式進(jìn)行劃分，可將毛細(xì)管粘度計(jì)分為高壓式和擠出式兩種，前者利用活塞推進(jìn)，后者則利用螺桿施壓。高壓毛細(xì)管粘度計(jì)又可以分為恒壓式和恒速式兩種，前者保持活塞桿的壓力不變，后者保持活塞桿運(yùn)動(dòng)速度恒定。擠出式毛細(xì)管粘度計(jì)則可以分為液壓式和砝碼杠桿式兩種，前者較為簡(jiǎn)單，后者的測(cè)量范圍大。為了加快流速，節(jié)省測(cè)量時(shí)間，將毛細(xì)管長(zhǎng)度縮短，管徑擴(kuò)大，做成短管型或開口粘度杯，便產(chǎn)生了一種新的測(cè)量方法——“粘度杯法”。毛細(xì)管粘度計(jì)的測(cè)量精度高，剪切應(yīng)力測(cè)量范圍寬，粘度范圍大約為10 2 ~10 10 mPa•s，適合測(cè)量高剪切速率的流體（可達(dá)10 6 s -1 左右）。但殘留物料對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，所以每次測(cè)完都要徹底清洗和干燥，測(cè)量耗時(shí)較長(zhǎng)，還要注意保養(yǎng)。而且其，不適用于低粘流體的測(cè)量。
毛細(xì)管粘度計(jì)的應(yīng)用范圍很廣，對(duì)牛頓流體與非牛頓流體都適用，如今已被廣泛地應(yīng)用于石油化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域。得益于其可以改變物料溫度的特點(diǎn)，它適合于測(cè)量高分子物質(zhì)溶液的粘度，因此受到許多新材料研究者的青睞。醫(yī)學(xué)上血液粘度的測(cè)定多用毛細(xì)管粘度計(jì)，因?yàn)槊?xì)管粘度計(jì)在結(jié)構(gòu)上與人體內(nèi)的血管相近，血液流動(dòng)的特性和影響血液細(xì)血管粘度計(jì)測(cè)出來(lái)的粘度值與人體的實(shí)際值更加接近。“粘度杯法”因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單易行，而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)操作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，毛細(xì)管粘度計(jì)也有了一些改進(jìn)，如與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，單片機(jī)的使用等，這使得毛細(xì)管粘度計(jì)使用更加便捷，測(cè)量結(jié)果更加精確，性能也愈加完善。
4 落體法
落體式粘度計(jì)包括落球式、落柱式和氣泡上升式等幾種，其原理基本相同，其中落球式最為常見(jiàn)。
落球粘度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可快速提供測(cè)定數(shù)據(jù)，可測(cè)較大范圍的剪切應(yīng)力，有利于生產(chǎn)工藝的控制以及溶液結(jié)構(gòu)和性能的研究，現(xiàn)在的落球粘度計(jì)甚至可以測(cè)量高溫高壓下的流體粘度，應(yīng)用范圍十分廣泛。它的粘度測(cè)量范圍有限，大致為1~10 5 mPa•s。由于受落體比重的限制，它只能測(cè)量較低剪切速率下的粘度，不能模擬實(shí)際情況中高剪切速率的情況。另外，落體式粘度計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到小球下落軌跡、試樣管均勻程度等因素的影響，因此有著一定的不確定性。
5 振動(dòng)法
振動(dòng)粘度計(jì)是基于剪應(yīng)力原理工作的，將一根振棒或振片插入流體中，由于流體粘性阻尼變化的作用，其振動(dòng)幅度會(huì)產(chǎn)生變化，而且高粘度流體中的振動(dòng)比低粘度流體中的振動(dòng)衰減得快，于是振幅的下降速率可以作為液體粘滯力的量度。若由電路來(lái)補(bǔ)充這部分流體粘性阻尼所消耗的能量，使得敏感元件的振動(dòng)維持在共振頻率和恒定的振幅下，便可由此確定流體的粘度。振動(dòng)粘度計(jì)可以連續(xù)或者間接的進(jìn)行粘度測(cè)量，在石油化工、造紙、橡膠等行業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。它誕生于20世紀(jì)50年代初的美國(guó)，現(xiàn)已在國(guó)外的工業(yè)生產(chǎn)上得到較廣泛的應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)的研制工作則開展較晚。
6 其他方法
上文提到的幾種傳統(tǒng)方法固然應(yīng)用范圍很廣，但是卻有各種難以克服的缺點(diǎn)。為應(yīng)對(duì)各行業(yè)研究和生產(chǎn)過(guò)程中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，一些新的粘度測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生，尤其是非接觸技術(shù)成為了當(dāng)前研究的新動(dòng)向。光學(xué)技術(shù)也被應(yīng)用于粘度計(jì)的研制。Alexis I.Bishop等利用旋轉(zhuǎn)激光捕獲的粒子進(jìn)行光學(xué)方式的微觀流變學(xué)研究，當(dāng)粒子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體施加的力矩等于人為施加的力矩，即可以得到液體粘度值。Y. Yoshitake等從激光誘導(dǎo)表面應(yīng)變技術(shù)入手，通過(guò)研究表面應(yīng)變與激光誘導(dǎo)的延遲時(shí)間得到液體粘度值。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也因?yàn)槿藗儗?duì)于粘度測(cè)量結(jié)果的要求越來(lái)越高，近年來(lái)出現(xiàn)了許多新的粘度測(cè)量方法和儀器。這些新方法的適用范圍可能比較窄，價(jià)格也比較昂貴，而且難以普及，但在某些特定的科研領(lǐng)域，它們的作用不可小視，例如避免物料與容器的反應(yīng)，減少昂貴物料的耗費(fèi)等。
7 總結(jié)與展望
粘度是流體的重要物理性質(zhì)，粘度的精確測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域有著重要的作用。測(cè)量粘度的方法多種多樣，各有優(yōu)劣，應(yīng)綜合考慮適用范圍、測(cè)量精度、反應(yīng)速度、經(jīng)濟(jì)性、操作難度等具體要求，優(yōu)選合適的方法。目前對(duì)于流體粘度測(cè)量方法的研究主要有兩條思路：
（1）對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，如將傳統(tǒng)方法與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、虛擬儀器、新型高精度昌吉粘度傳感器等結(jié)合，可以擴(kuò)大其適用范圍，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；
（2）基于新技術(shù)的發(fā)展，研制新型的粘度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以滿足的要求。綜合分析國(guó)內(nèi)外的技術(shù)進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，粘度測(cè)量方法的自動(dòng)化程度不斷提高，
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