李 紅
(中國石油烏魯木齊石化公司研究院,烏魯木齊 830019)
粘度是流體材料重要的物理化學(xué)參數(shù),它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生及國防等領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。準確測定石油及石油產(chǎn)品的粘度對其生產(chǎn)、使用具有重要意義。粘度計是測量流體粘度最常用的儀器。為了確保粘度計準確可靠地測量粘度,必須依據(jù)工作毛細管粘度計檢定規(guī)程對毛細管粘度計進行檢定,對檢定過程中影響因素進行分析,減少影響檢定結(jié)果準確性的因素,以保證毛細管粘度計檢定結(jié)果準確可靠。
毛細管粘度計計時球和毛細管內(nèi)壁不清潔時易掛液,使殘留增大,還可使液體產(chǎn)生滑移,導(dǎo)致流出時間縮短,使測得的粘度計常數(shù)增大。
由于國內(nèi)毛細管粘度計廠家良莠不齊,對產(chǎn)品的均勻性和毛細管內(nèi)徑的控制都不如國外產(chǎn)品。標(biāo)注為同一內(nèi)徑的粘度計測出的常數(shù)有時相差1~2倍,導(dǎo)致裝液選擇錯誤而大大加長了流動時間,從而影響測量結(jié)果。
粘度與溫度的關(guān)系非常密切,溫度是影響標(biāo)準粘度液值的重要因素。由于液體分子間距離小,分子熱運動不如氣體劇烈,其內(nèi)摩擦主要由分子引力引起。當(dāng)溫度升高時,分子間距離加大,引力減小,內(nèi)摩擦也隨之減小,故液體粘度隨溫度的升高而減少[1]。根據(jù)檢定規(guī)程,恒溫槽應(yīng)控溫均勻并且溫度波動不超過±0.01℃[2],但是,由于各實驗室的恒溫槽有所不同,環(huán)境條件也不同,這將影響恒溫槽的溫度均勻性和波動度。當(dāng)恒溫槽的溫度波動較大時,影響粘度液流出時間,對測量結(jié)果造成較大影響。檢定用的標(biāo)準粘度液主要是精制石油產(chǎn)品和精制甲基硅油。實驗證明當(dāng)溫度變化±0.1℃時,石油產(chǎn)品粘度變化±0.5%,硅油粘度變化±0.2%[3]。所以,溫度變化將直接影響毛細管常數(shù)測定的準確性。
不同粘度計檢定必須準確裝液,裝液量不同,液位差也不同,對粘度液的流出時間產(chǎn)生影響,從而影響測量結(jié)果。
粘度計檢定時,將粘度計放入恒溫槽中,首先調(diào)節(jié)粘度計的垂直,用線墜線在兩個互成直角的方向調(diào)整粘度計,使其垂直。但是人眼的分辨率有限,并且人的視覺也有差別,還會存在一定的垂直偏差。在實踐中也發(fā)現(xiàn)一些問題,恒溫槽中水循環(huán)及攪拌電機的振動會使粘度計的垂直度發(fā)生變化。
計時誤差來自計時刻線的觀察和計時速度的控制兩方面。
1.5.1計時刻線的觀察
計時刻線的觀察,直接影響測量結(jié)果,是產(chǎn)生測量誤差的重要因素。工作毛細管粘度計計時刻線均是圍線,觀察者觀察環(huán)形計時標(biāo)線時須前后重疊,即視線應(yīng)與圍線上邊緣處于同一水平面上,使彎液面最低點與圍線上邊緣相切。
1.5.2計時器計時速度的控制
計時器計時應(yīng)是液體彎液面最低點與刻線上邊緣的水平面相切的瞬間。由于人的反應(yīng)靈敏不同,會有一定的計時速度誤差,因而影響測量結(jié)果。
重力式毛細管粘度計的檢定原理,是用相對法測量一定體積的液體在重力作用下流經(jīng)毛細管所需時間,從而求得黏度計的常數(shù)。所以,在整個檢定過程中必須保證液體在毛細管中的流動是全靠重力作用,而不受任何震動的影響。
如果粘度計內(nèi)壁清洗不干凈,液體在里面流動時將受到不應(yīng)有的阻力或滑動,直接影響流出時間的測定。有時同一系列的粘度計重復(fù)測量液體的流動時間長短相差很大,造成重復(fù)性超差,使整組數(shù)據(jù)無效。有時在一個系列里重復(fù)性沒有超差,但進行平行測定時,兩個系列數(shù)據(jù)超出允許誤差范圍,而不得不重新清洗,增加不必要的工作量。與其這樣,那么我們在第一次清洗時就要嚴格執(zhí)行規(guī)程中的清洗程序,樹立良好的從業(yè)習(xí)慣,克服僥幸心理。為了減小工作毛細管粘度計內(nèi)壁的不清潔對常數(shù)校準的影響,檢定之前,最好用鉻酸洗液浸泡,然后再用自來水和純水清洗潔凈,保證其內(nèi)壁不掛水[2]。同時,對于清潔干燥的粘度計,應(yīng)防止灰塵落入其中。
多數(shù)檢定工作者只是按照規(guī)程對毛細管黏度計進行外觀檢查,而忽略了對粘度計各部分尺寸的檢查。 因此外部尺寸的檢查非常重要。如平氏粘度計的側(cè)向開口(小嘴口)必須高于上儲器球,以防粘度計置入恒溫槽時水從支管口進入黏度計內(nèi)。內(nèi)徑在3mm 以上的粘度計,其下儲器球容積需放大,以防操作時空氣進入彎管,影響毛細管內(nèi)液體的正常流動,從而產(chǎn)生計時誤差。烏氏粘度計球下儲器球上應(yīng)標(biāo)有加液參考線,對于測量高粘度的粘度計下儲器球也需相應(yīng)放大,使加液足夠多,以杜絕空氣進入彎管[3]。
1)建議實驗室應(yīng)具有穩(wěn)定的環(huán)境條件,控制室溫(20±2)℃[2],室內(nèi)恒溫裝置送風(fēng)口不宜正對恒溫槽,否則使恒溫槽溫度不均,影響測量結(jié)果。
2)裝液前,將標(biāo)準粘度液裝入粘度計后放入恒溫槽內(nèi)恒溫至少30min 后方可檢定。
3)正確存放標(biāo)準粘度液。標(biāo)準粘度液要裝在清潔、干燥、密閉的玻璃瓶中(最好是深色玻璃瓶),特別注意存放地點要避光、清潔,室溫下保存,以避免高、低溫度的影響,減少揮發(fā)和氧化的機會,確保標(biāo)準粘度液在定值有效期內(nèi)有良好的穩(wěn)定性[1]。
4)配備精密的控溫、測溫設(shè)備。因我國標(biāo)準粘度液液的定值溫度20℃,所以在毛細管常數(shù)檢定時必須要求配備高性能恒溫槽,達到如下技術(shù)指標(biāo):溫度波動不得超過(20±0.01) ℃、溫場溫差不超過(20±0.0 1) ℃ 高分辨的精密溫度計(分度值 為 0.01℃)[2]。在檢定過程中須隨時關(guān)注溫度的變化,確保測溫設(shè)備準確度高,穩(wěn)定性好,避免因測溫不準引起標(biāo)準粘度液量值的變化,必要時可做溫度修正。
5)減少裝液溫度與檢定溫度不一致造成的影響。進行檢定時的環(huán)境必須嚴格遵守JJG 155—1991《 工 作毛細管黏度計檢定規(guī)程》的規(guī)定:實驗室溫度與檢定溫度相差不應(yīng)大于±2℃,即實驗室環(huán)境須保持(20± 2)℃[2]。裝液溫度的不同主要是影響到了裝液量。對于懸掛液柱型粘度計(如烏氏粘度計),特點是流動液體的液柱完全懸掛起來,使得液柱高度與裝液無關(guān),裝液溫度的不同幾乎不對測量結(jié)果造成影響。對于正流的粘度計(平氏粘度計),是將粘度計倒轉(zhuǎn)吸入一定體積至標(biāo)線處,當(dāng)裝液溫度高于檢定溫度時,致使有效液柱高度增大,縮短流動時間,那么勢必影響檢定的正確性[1]。
2.4.1裝液量的影響
要求熟知規(guī)程中有關(guān)平氏、烏氏、芬氏和逆流粘度計的裝液規(guī)則,并熟練掌握操作程序。以平氏粘度計為例,需先把刻有充液線的支管浸入液體內(nèi),將液體吸至計時球的下標(biāo)線處,迅速倒轉(zhuǎn)粘度計并擦凈管口,放入恒溫槽內(nèi),裝液時不得產(chǎn)生斷流和氣泡[2]。在倒轉(zhuǎn)粘度計時如用力過大或速度較慢時會掉液,造成測量誤差,因此裝液時一定要注意。
2.4.2液體殘留
吸液時,應(yīng)將液體吸到計時標(biāo)線以上約 5mm 處,過高則液體殘留增大,使測量結(jié)果變小。吸液量過低,則可能因來不及調(diào)整液面而造成誤差。
實際檢定中,由于缺乏責(zé)任心和經(jīng)驗及視覺誤差等一些主觀因素,往往會造成垂直度調(diào)節(jié)失誤,帶來傾斜誤差。如果粘度計安裝得不垂直,在鉛垂方向上最大傾斜角為2°時,使得液柱承受橫向分力,并且兩液面高度的壓差也會改變。由三角函數(shù)cos2°=0.9994,只有cos90°函數(shù)值為零,水平分力為零,產(chǎn)生流動的外力等于自然重力,流動是正常的[4]。如調(diào)節(jié)稍有傾斜(即不是90°),垂力分為垂直方向和水平方向兩個力,產(chǎn)生流動的外力作用小于重力,液體流動變慢。對于平氏粘度計,當(dāng)粘度計的毛細管不垂直時,平氏粘度計毛細管垂直偏離1°時,對流動時間引入的誤差為0.6%[1],由于調(diào)節(jié)不垂直,直接影響上下液面間的垂直距離變化,影響流動時間。故檢定時要細心、認真,減少垂直度調(diào)節(jié)誤差的影響。
1)計時正確的首要條件是要有分度值不大于0.1s的電子秒表或其他自動電子計時器,且必須周檢合格(誤差不超過0.05%)。
2)其次是要多練習(xí)眼力:撳動秒表的瞬間應(yīng)是液體彎月面的最低點與計時球下標(biāo)線相切的瞬間(眼睛應(yīng)與下標(biāo)線平行,即當(dāng)下標(biāo)線成直線時)[5]。計時時思想要集中,手要快,盡量做到眼到、手到、時間到,保持三者的一致性。
在檢定過程中怎樣減少震動呢?首先恒溫室和恒溫槽要遠離震源,并可在恒溫槽腳下墊減震塊,使整個裝置處于平靜無直接震源的環(huán)境中;其次檢定過程中盡量不要碰撞恒溫槽,尤其是在計時過程中,以保證記錄流動時間的真實性。
通過對影響檢定毛細管粘度計常數(shù)檢定結(jié)果測量結(jié)果的準確性進行分析,主要是溫度、裝液誤差、垂直度、計時誤差和震動等造成的影響。因此,在檢定過程中檢定人員應(yīng)提高工作責(zé)任心,精心操作,嚴格執(zhí)行檢定規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書,更好提高檢定的準確性。
[1]陳惠釗.粘度測量[M].北京:中國計量出版社,2003
[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 155—1991工作毛細管粘度計檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,1991
[3]龐愛青.如何減少毛細管粘度計檢定中的影響因素[J].計量與測試技術(shù),2007(7)
[4]譚秋艷,劉慧玫,于忠.毛細管粘度計常數(shù)測量不確定度的評定[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理,2007(1)
[5]GB/T 265—1988,石油產(chǎn)品運動粘度測定方法和動力粘度計算法[S].北京:中國標(biāo)準出版社,1998