在线粘度计的种类繁多,但绝大多数都基于以下三种基本原理之一或组合:
1. 旋转式原理
这是实验室旋转粘度计的在线应用原理。
工作原理:传感器探头直接浸入过程流体中。探头通常由一个同心圆筒(转子) 和一个定子 组成,或者是一个单轴的旋桨。电机驱动转子以一个恒定的扭矩或恒定的转速旋转。
恒定转速型:电机保持恒定转速旋转,流体粘度越高,对转子的剪切阻力越大,维持该转速所需的扭矩就越大。通过精确测量驱动电机所需的电流(扭矩)来计算粘度。
恒定扭矩型:电机施加一个恒定的扭矩,流体粘度越高,对转子的阻力越大,转子的旋转速度就越慢。通过测量在该扭矩下的转速来计算粘度。
关键公式: 粘度 (η) ∝ 扭矩 (M) / 转速 (ω)
优点:测量准确,测量范围广,能很好地对应实验室数据。
缺点:对机械密封要求高,在含有颗粒或易结垢的流体中,转子有被卡住或磨损的风险。
应用:广泛应用于石油、化工、涂料、食品等行业,适用于从低到中高粘度的清洁或半清洁流体。
2. 振动式原理
这是目前非常流行的一种在线测量技术,因其结构简单、无运动部件、维护量小。
工作原理:传感器探头末端有一个振动元件(通常是簧片或圆盘)。由内部的压电陶瓷驱动器驱动该元件以其共振频率进行持续、微幅的振动。
测量参数:
振幅衰减:当探头浸入流体中时,流体会对振动元件的振动产生阻尼作用。流体粘度越高,阻尼作用越强,振动振幅的衰减就越大。维持恒定振幅所需的驱动能量就越多。
共振频率偏移:流体对振动元件的阻尼作用也会导致其共振频率发生变化。粘度越高,频率偏移通常也越大。
系统通过测量“维持恒定振幅所需的驱动能量(电流)”或“共振频率的变化”来计算出流体的粘度。
优点:没有运动部件,坚固耐用,响应速度快,几乎免维护,适用于含颗粒或易结垢的流体(但严重结垢仍会影响测量)。
缺点:测量的是表观粘度,对流体流速比较敏感(通常要求流体处于静止或稳流状态),在低粘度范围精度可能稍逊于旋转式。
应用:几乎适用于所有行业,特别是石化、制药、食品饮料、造纸等过程中的各种流体,从低粘度溶剂到高粘度聚合物熔体。