[发明专利]一种高压高粘液体粘度快速精准测定装置及其测定方法

说明书

本发明公开了一种高压高粘液体粘度快速精准测定装置及其测定方法，该装置包括测试台、液体供给模块、摩擦盘片模块、小球加载模块、数据采集与处理模块；液体供给模块用于为摩擦盘片模块中的摩擦盘片供给待测的高压高粘液体；摩擦盘片模块用于驱动摩擦盘片旋转和位置的调整；小球加载模块用于向小球施加设定的载荷并驱动小球在摩擦盘片上的亲疏水性不同、表面粗糙度不同的区域上转动；数据采集与处理模块用于采集弹流润滑状态下的摩擦盘片和小球的转动速度、摩擦盘片上的液体膜厚、小球施加给摩擦盘片的负载力和剪切力并处理。本发明通过小球和摩擦盘片点/线接触的转动摩擦方式，实现高压高粘液体在全油膜润滑状态下的粘度快速精准测定。

技术领域

本发明涉及粘度测试技术领域，尤其涉及高压下液体剪切力中摩擦力和粘性力的解耦的高粘度液体的粘度测定技术，具体地说是一种高压高粘液体粘度快速精准测定装置及其测定方法。

背景技术

粘度比水高两个数量级以上的高粘度液体广泛存在于化工、能源、生物医药等领域中，其粘度极大影响产品加工和使用性能，同时本身又深受温度压力的影响。如高温熔体粘度不仅对冶金过程的传质和传热有着重要的影响，而且关系到冶炼、铸胚等过程能否顺利进行；页岩井下高温及高压等条件会对液体的流变性产生显著影响，粘度变化可达4个数量级，然而由于相关实时数据的缺乏，导致实际钻探开发过程中时常出现井液滤失及卡钻等严重问题；高密度聚乙烯的聚合过程中反应物粘度在10秒内迅速从100Pa·s提升至500Pa·s，高粘度加剧物料与设备之间的摩擦及碰撞，引发静电和电火花，极易造成聚乙烯粉尘爆炸事故；因此，粘度的精确测定对工业生产、产品品质及保证本质安全生产具有极其重要的意义。

表面特性对液体粘度测定影响不可忽略，尤其在高载荷下，易受表面粗糙度、亲疏水性等因素影响；同时，液体剪切应力的主要贡献会随着液体种类和表面不同而变化，在亲水云母表面剪切应力主要由液液之间的粘性力贡献主导，而对于一些离子液体等高粘度液体，主要由摩擦力贡献为主。同时，低粘度液体在疏水石墨表面主要由摩擦力贡献主导。在这种情况下，高粘度液体如何消除表面影响，是高粘度液体粘度能测准的关键；因为高粘度液体的流变性具有强非线性，且与温度、压力和界面特性等诸多外部条件相关，因而需要考虑液体的流动和剪切应力的分布情况，因而，能够检测液体在运转时其厚度的分布情况，对于根据不同工况选用特定的对偶盘精确获得粘度具有重要意义。

关于液体粘度的检测，尤其是涉及到高粘度、高压测试中，相关的专利发明数量较少。目前粘度检测方法有旋转法、升球法、陷入法、振动片法、梁弯法、落重法、光干涉法、纤维拉长法和平板法，梁弯法、纤维拉长法和平板法主要用于测试玻璃熔浆的粘度，只能测量大气压附近的粘度数据；升球法、陷入法由于原理的问题，其测试精度低，在高温时也很难操作；振动片法测试压力不高，在熔体粘度较小时误差大，且对金属材质要求很高；落重法可在很高的基础压力下测试，但测试的剪切应力很低；超声波法可在高剪切应力下测试，但测试的最大粘度和最大压力都很低。上述测试方法不具有动态特性，只能用于测量液体在稳态下的相对粘度，且在测试范围和精度越来越凸显出一定局限，难以满足工业应用需求。

从理论角度分析，载荷加压的方式可实现液体GPa高压测试，提供较为稳定剪切过程，运用点/面摩擦接触的方式，使液体处于弹流润滑状态，根据Stribeck曲线，液体的粘度和摩擦系数有一定的线性关系。再通过对表面巧妙的设计来消除表面摩擦影响，获得真实粘度值。该方法使摩擦副之间的液体处于高压状态，然而装置仍然为常压操作，突破了传统粘度计因装置密封和抗压能力限制的高压操作极限。

发明内容

本发明的目的是针对高压下高粘度液体粘度无法准确测试、受测试盘表面亲疏水性影响大的问题，提供一种高压高粘液体粘度快速精准测定装置及其测定方法，该测定装置和测定方法能够模拟液体剪切过程中的复杂工况，并且对摩擦盘片上的液体厚度进行检测，能够对不同亲疏水和不同粗糙度表面上的不同压力、不同速度下的点/接触区的剪切力以及膜厚变化进行在线观测。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：