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Zahn蔡恩粘度杯为什么不能用于触变流体的粘度测量?

触变材料

事实证明,除了运动粘度和动态粘度外,流体还分为两个类别来描述其粘性行为:牛顿型和非牛顿型。但是这些称谓的差异描述了触变性的定义–因此,让我们从这里开始……

牛顿流体是那些粘度不会随剪切而变化的流体。虽然最常提及的是水,但另一个很好的例子是机油,您希望在剪切应力下(例如,在两个金属零件之间,例如活塞环和发动机的汽缸之间)保持其粘度,以提供润滑以保持机油的润滑。零件彼此磨损。

另一方面,非牛顿流体的粘度随施加的剪切力而变化。这几乎占了其他一切!实际上,现代工业过程中使用的所有涂料,密封剂,粘合剂和其他复杂配制的液体都表现出“剪切敏感性”。

什么是剪力?

当在流体上施加力时,会在流体中发生剪切。该力可能是重力的拉力(如本系列第一部分中的水和蜂蜜示例),或者是当我们迫使流体通过管道或软管时来自泵的活塞,叶片或叶轮的力。当外部的流体粘附到内表面上时,在管道或软管的壁上也会产生剪切力,而其余的流体则在内部流过它。当流体通过孔口时,例如在压力调节器中,或者在喷枪或钟罩等喷头的喷嘴中,或者在ZAHN杯底部的孔口中,流体也会被“剪切”。

对于触变剪切稀化流体,当流体中的应力或剪切力增加时,其粘度会降低。 

通过一个视觉示例,可能更容易理解整个概念。图1显示了牛顿流体的特性。我们可以看到,即使剪切力在增加,流体的粘度也保持不变。

但是,非牛顿流体的行为要复杂一些。如图2所示,剪切曲线(在顶部图中以红色显示)以非线性方式增加。它在开始时增长更快,而在结束时趋于平稳。这在工业流体分配过程中非常典型。但是,真正有趣的是,随着剪切力的增加,流体的行为会随着底部曲线中绿色曲线的显示而增加。

为了方便起见,将其分成多个区域以使其更易于理解。当剪切水平较低时,区域1(第一牛顿范围)显示粘度。在这些条件下,粘度保持稳定。但是随着剪切力的增加,它开始影响触变材料,并且我们看到粘度在过渡范围内响应于剪切力而急剧下降。这是反比例的响应,但是有其局限性。出现一个点,以进入2区(第二牛顿范围)为标志,在该处增加剪切力不再对流体的粘度产生影响。

当您尝试在两个牛顿范围之间的过渡区域中操作过程时,就会出现问题。在这里,剪切的微小变化会导致粘度发生相当大的变化,这可能会严重影响过程的结果。 

恢复时间

假设您的材料是涂层,通过孔口喷涂到零件上。喷涂时,孔口产生的剪切力会降低粘度。当它碰到零件时,低粘度使流体易于“流出”。但是此时流体上不再有剪切力。结果,它在过渡范围内向后爬上曲线,达到第一牛顿范围的较高粘度,此时流出实际上停止了。这称为“恢复”。它是流体返回到其“非剪切”状态。该过程花费的时间称为“恢复时间”,可以数秒,数分钟甚至在某些情况下甚至数小时来度量。

那么,所有这些与杯子测量有何关系?

杯子测量过程

基本的杯子测量过程非常简单。杯子完全浸没在液体中,笔直向上拉出。流体从杯子中排出所花费的时间以“杯子秒数”为单位定义了粘度。

看起来很简单,对吧?但是,与此简单的过程相关的问题很多。

我什么时候开始计时?杯子的顶部何时破裂表面?杯子底部何时清除表面? 

我什么时候停下来?流何时第一次中断?当它分解成水滴时?什么时候杯子是空的?

并且,如果未将杯向上拉直,则会通过将孔上的压力转移到杯壁上来影响通过孔的流量。那么,笔直度是多少?

杯形测量背后的物理原理

从液体中抽出杯子时,杯子已满。杯子中的液体由于重力而在孔处的流体上施加力。  还有压在流体表面上的气氛的重量,但是对于任何给定位置(主要是由于高度)和杯的种类(体积,直径,孔的大小等)来说,这是一个常数,因此我们可以忽略在我们的讨论中。

当重力向下拉动流体时,流体被“强迫”穿过孔。结果,一些剪切力被引入到流体中。但是这个“力”是由杯中的体积决定的,并且随着时间的推移而减小,这意味着通过孔的流体上的力也会随着时间而减小。结果,在流体上的剪切也减小了。

下一个真正重要的问题是:“是否有足够的力/剪切力来充分剪切材料?”这意味着将其移动通过第一牛顿范围,过渡范围(在中间)并进入第二牛顿范围,足以达到稳定的粘度。如果您正在考虑杯中的液体量,孔口的大小,使液体流过该孔口所花费的时间,并且认为我们不太可能脱离第一牛顿范围,更不用说到达第二牛顿山脉了。

那么,如果剪切力确实通过了第一牛顿范围,而又落在中间过渡范围内的某个地方,该怎么办呢?如果您说由于剪切力和粘度之间的相互作用而导致测量结果不稳定且不可靠,那将是正确的。这是杯子测量结果变化的另一个原因-操作员绝对没有过错。

蔡恩杯

为什么我的杯子测量值与自动粘度计不匹配

这是几乎所有粘度计制造商都面临的一个普遍问题(不,我们并不孤单,是的,我们确实会讲话!)但是,在讨论之后,很容易理解自动粘度计通过测量所需的力来测量粘度。在流体中引入剪切力–就像牛顿最初定义粘度的方式一样。机械粘度计将剪切力引入流体比重力要容易得多。

另一个有趣的事实是,大多数粘度计都是使用牛顿流体进行校准的–校准标准被设计为在剪切和温度范围内的性能(读数:粘度)非常一致且可预测。如果同时使用机械粘度计和杯来测量牛顿流体,则测量将非常接近–因为剪切不是一个因素。但是非牛顿流体是一个截然不同的故事。

粘度测量什么时候没用?

考虑到粘度对我们的流体分配过程的结果的已知影响,这似乎是一个愚蠢的问题。但实际上,我们进行的许多粘度测量都是无用的。

所以,当在一个粘度测量没用?

如果在与流体在我们的过程中会遇到的条件不同或什至遥不可及的条件下测量流体的粘度!考虑到我们对牛顿流体和非牛顿流体的讨论以及剪切对我们的测量和过程结果的影响,很容易得出结论,杯形测量很少能复制现代的过程条件。

那为什么要量杯?

现在,您可能回到了我们开始的地方,问自己:“如果这一切都是正确的,为什么每个人都需要依靠粘度杯测量来管理过程?”

杯子的测量已经存在很长时间了,比我们大多数人今天使用的复杂流体要长得多。并且,与精密的测量系统相比,杯子很便宜。而且杯子读数的时间不超过一两分钟,因此测量价格便宜。

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