恩格勒度
约定黏度的非 SI 单位 · 量:液体对流动的阻力
一台旧齿轮泵的铭牌常常要求「50 °C 时不稠于 8 °E」的油,习惯了厘斯的人读到这一行会感到费解,因为数字背后并没有任何物理含义。恩格勒度是两个时间之比:两百毫升液体经标定喷口从黄铜容器流出需要多少秒,同样一份水从同一容器流出又需要多少秒。因此水按定义等于一,而流动慢八倍的油便得到八度。
这个单位的构造使仪器成为自己的基准,这一下子就解释了它的便利与它的不幸:漏斗在任何工厂实验室都能做出来,但在德国按恩格勒做,在英国按雷德伍德做,在美国按赛博尔特做,同一批原油便得到三个不可比的数字。三者转到厘斯都要等到二十世纪下半叶,而泵、减速器和重油设施上的铭牌仍按旧法写着,至今还得换算。
01 · 定义
恩格勒度是被试液体两百毫升的流出时间,与同样一份二十摄氏度蒸馏水的流出时间之比,两次测量都在同一台仪器上进行。水的时间称为水值;在合格的黏度计上它落在五十一秒,允差一秒。
与运动黏度确有联系,但并不是线性的,原因完全是物理的:液体离开喷口不只靠黏性摩擦,还靠惯性,于是一部分压头化为射流的动能。只要液体是稠的,惯性修正便可忽略,度数几乎成正比地换算为厘斯;而在稀液体那里,修正会变得与测量本身相当。正因如此,乌氏公式不在 1.35 °E 以下使用,恩格勒漏斗对稀于每秒五平方毫米的液体则根本不取。
测量温度必须始终写明,并与数字同等地进入记录,因为油的黏度每加热二十度便减半。德国的做法在二十、五十和一百度试验;苏联的做法承接了同一台仪器、称作约定黏度,更多守在五十和八十 — 而正是后一个温度进了重油的牌号,那里 M-40 或 M-100 中的数字来自八十度时的黏度。
通过自身仪器界定的量,在通常意义上没有基准:可重现的不是黏度,而是「容器加喷口」这一对,用水标定过的。由此既有每批之前核验水值的要求,也有在不知道是在何种仪器上、何种温度下取得时,不得换算他人度数的禁令。
用滑块加热试样,喷口射出的流束就会更快:秒表,以及随之而来的恩格勒度,对温度的反应比人预想的要陡峭得多。左侧一栏显示两百毫升要花多少时间,右侧各行显示同一个状态被四种不同标度如何读出。
实线是厘斯对度数的真实依赖,虚线是系数 7.31 的简单正比。在稠油一侧,即竖线右方,两条线几乎重合;在左方,液体流动轻易之处,正比高估了黏度,因为射流是靠惯性离开喷口的。红色标记标出低于 1.35 °E 的那片区域,在那里测量干脆不被认为可信。
02 · 换算
输入铭牌上写的数值
所有约定标度都归结到同一个运动黏度,因此彼此换算是机械的;但其精度并非绝对:赛氏与雷氏的秒同厘斯之间,用的是与乌氏为自己仪器推出的那条同样近似的公式。
仪器的水值放在本页的精细设置里,因为流出时间直接取决于它:标定相差一秒,结果就差约百分之二。
没有温度的数字换算不了,这并非吹毛求疵:同一种油在五十摄氏度约给十二度,在一百度则不到三度。若泵的铭牌上没写温度,工业油默认读五十度、重油读八十度 — 但更好的办法是找出铭牌所依据的那一版标准。
| 数值 | 说明 | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · 数量级
对数标度:从水到沥青04 · 测量仪器
用什么测量黏度
水浴或油浴中的黄铜容器,下面是锥形喷口和一枚木塞,木塞在按下秒表的同一瞬间拔出。两百毫升收进量瓶,仪器本身在每批之前用水标定,因为喷口和体积都会随时间偏离检定值。
同一漏斗的美国亲戚:喷口口径不同,一份六十毫升,结果就直接叫作秒。数字比恩格勒的大约三十倍,在英文的石油报告里至今仍可遇见,尽管 ASTM 早已把优先给了厘斯。
一根带两道刻线的玻璃管,弯月面在其间通过:下落时间乘以毛细管常数,直接得到厘斯,不经任何约定标度。方法见 ISO 3104 与 ASTM D445,正是它把漏斗挤了出去,因为它只要一顶针的试样,也不取决于谁的手握着秒表。
在试样中转动一根轴,测量轴上的扭矩,于是试验时长与稠度无关,对油和对沥青都一样。转子能做漏斗做不到的事:它规定剪切速率,也只有在它上面才看得出,带添加剂的润滑剂在快速剪切下会变稀。
05 · 书写规则
没有温度的度数毫无意义
度符号紧贴大写拉丁字母,数值用一个空格隔开,测量温度必须始终写明,因为没有它,数字既无法核验也无法换算。约定黏度的苏联符号用西里尔字母书写,同样带温度;而在度数与厘斯之间放等号,哪怕在草稿里也不容许:两者的联系是近似的、单向的。
第二种写法把量与仪器混为一谈,因为黏度的度数并不存在 — 存在的是时间之比,取自某一具体漏斗。第三种把等号放在本应是近似的位置,因而在报告里给出虚假的精确。第四种干脆不可能:低于 1.35 °E 方法失效,为如此稀的液体取得的数字反映的不是黏度,而是射流的惯性。
06 · 相邻单位
最近的亲属是其余的约定标度,构造完全相同:一份液体经标定喷口的流出时间,只是喷口各国各有各的。它们都汇向运动黏度,而运动黏度经密度与动力黏度相连 — 唯有这一对才有真正的量纲和真正的基准。
水等于一
结果直接以秒计
雷氏 1 号秒
在 Simetrium 的档案中 与之相邻的是 油品黏度等级 ISO VG 与 SAE,本页与之相配, 泊 和 斯 出自 CGS 制,以及 以 kg/m³ 计的密度,没有它就无法从运动黏度过渡到动力黏度。
07 · 历史部分
三国的三只漏斗
卡尔·恩格勒从事原油加工,需要一个数字,好用来比较从巴库和宾夕法尼亚运来的批次。仪器是用实验室里现成的东西拼起来的,量度取的是水,因为它在每位同事手边,也不需要任何表格。
英国鉴定人博弗顿·雷德伍德与美国工程师乔治·赛博尔特各做各的漏斗,两人都没有把时间除以水的时间:他们直接以秒给出结果。三台仪器的想法相同,喷口口径不同,于是在供货方与买方的争执中,同一节槽车会出现三个不同的数字。
当贸易变成国际性的,标度之间的不可比就比它们的方便更贵了,标准转向以毛细管测量的运动黏度。德国的 DIN 51560 被废止,ASTM 只把赛氏秒留作参考换算,而按 GOST 6258 的约定黏度在本国实践中又坚持了数十年。
今天黏度用毛细管或转子测量,但转变之前装设的泵、减速器和重油设施,仍按各自的铭牌运转。读到「50 °C 时不稠于 8 °E」的调试工,把它换算成每秒六十平方毫米,再按 ISO VG 等级选油 — 可见这个单位不活在实验室里,而活在文件里。
以自身为基准的仪器
恩格勒度在通常意义上没有、也不可能有基准,因为定义指向的不是自然常数而是一种构造:这样容积的容器、这样口径的喷口、两百毫升的一份。因此受检定的不是单位而是仪器,检定用水进行 — 唯一被认为流出时间已知的液体。测量的全部仪式感由此而来:每批之前取新的水值、三次相符的读数、记下的浴温。
这样一种构造的弱点,恰恰在它最便利的地方显露出来。只要工厂用自己的漏斗比较自己的批次,数字就吻合得极好;可一旦需要比较两国的批次,就发现它们并没有共同的量 — 只有三份记录,彼此之间除了近似换算别无更好的办法。毛细管黏度计解决了这个问题,办法是把量纲还给测量:它给出每秒平方毫米,而毛细管常数是对照标准液体核验的,不是对照自己的过去。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个 SI 基本单位,二十二个有专名的导出单位,以及若干制外量 — 少了它们,工程与历法都转不动。