CN1012107B - 音叉振动式粘度计 - Google Patents

Abstract

具有一对音叉共振式振动器组件的振动粘度计。构成音叉振动器的一对振动器，分别在其自由端各有一个插在待测样品内由薄板组成的敏感板，这两个敏感板同时受位相相反、频率相同的力激励。由于该敏感板受样品的粘滞阻力，振动组件的振幅就产生了变化，检测器将该振幅变为电信号。此外，在一对敏感板之间装有温度探头，这个温度计探头与该对敏感板一同插入该样品内，在测量样品粘度的同时测量温度。

Description

本发明是关于粘度计，更具体地说是关于具有在样品中作振动的音叉状组件，以及通过测量该组件的振幅来检测该组件所受到的样品的粘滞阻力的振动式粘度计。

在由本发明人等1986年7月29日公开发表的名称为“测量粘度的仪器”（美国专利No.4602505，对应的欧洲专利公开No.112156）中提出了利用具有新颖构思的音叉式振动部件代替以前的单振动部件式的粘度计的方案。在单振动部件式的粘度计中，由于在振动部件的支架部分会产生因该部件振动而形成的反作用，因而使得该振动部件的振幅值发生变化，其结果是达不到高精度的测定。与此相反，新的音叉振动式粘度计具有一对振动部件，这两个振动部件的振动是以相反的相位关系被激励的，这对振动部件处在共振状态下工作，因而使得由这种振动引起的作用在支架部分的反作用基本上不存在，即可以减弱到不考虑的程度，这样就实现了测量精度大幅度的提高。

寻找高测量精度的研究仍在继续进行，就是对新式的音叉振动式粘度计也还有必要在很多地方做改进。其中一方面是，既使象其它的粘度计也是一样，为了准确地测量粘度和温度的关系，往往需要迅速，准确测量样品的温度。另一方面，由于插入样品中的振动部件在样品中的长度不同，而引起测量的粘度数值变化，因此往往要求部件插入样品中的长度保持不变。此外，虽然还有其它的改善余地，其中，涉 及到如振动部件的结构设计，或振动部件的支撑方法，但是现在大部分问题已经解决，新的音叉式粘度计已经开始被用于粘度测量。

本发明的目的在于：提供一种为了准确测量样品的粘度和温度的关系，而能够同时迅速，准确连续测量样品的粘度和温度的，带有温度计的音叉振动式粘度计。

本发明的另一目的在于提供这样一种音叉振动式粘度计，此粘度计的一对振动部件插入样品中，同时温度计也插入样品内，插入样品内的振动部件和温度计的长度可以同时调节。

根据本发明，振动器有一对振动器组件，在每个振动器组件的自由端具有插在待测液体内部的薄金属板制成的敏感板，同时激励这对敏感板的力相位相反而频率相同，振动器组件的振幅随着敏感板所受到的样品的粘滞力的变化而变化，装有能够把该振幅变为电信号的检测器。此外，在这对敏感板之间放有温度计探头，该温度计探头同这对敏感板一起插入该样品中，这样就可以提供能够同时测定该样品的粘度和温度的振动式粘度计。

根据本发明，提供了下述部件：同时测定样品的粘度和温度的粘度计，它包括牢固装在底座上的支撑部件，支撑部件下面是支柱，以及固定在该支撑部件上并从该支撑部件的下方伸出的配置在该支柱两侧的一对振动器组件，这些构成了音叉振动器装置;每个振动器组件装有：在自由端具有插在待测样品内的敏感板，使该对振动器作频率相同，相位相反的振动的激励装置，把该对振动器组件的振动振幅检测出来变换成表示振幅的电信号的检测器，该振幅的变化随着插在该样品内的敏感板所受粘滞阻力的大小而变化，还装有一个具有与该敏感板同时插入样品内的探头的温度计，该温度计探头紧固在该支柱的 下面，处在该振动器组件的一对敏感板的中间位置并排列在与这些敏感板所在的假想垂直面相同的垂直面内;这样就可连续测定伴随该样品温度变化而产生的样品的粘度变化。

根据本发明的最佳实施例，在支柱下端安装有一个支撑样品容器的支座装置，样品容器在这个支座装置上可以方便地装卸，该支座装置可以沿支柱的轴向滑动，以使该样品容器相对该支柱自由升降。在这种场合下，该支柱有一个从其端部的下方伸出的液位标识指针，该支座装置包括有调节指针相对于支柱的轴向高度的装置，以使该标识指针的端部和样品容器内样品的水平面一致。因此，只要将一对敏感板和温度计探头分别插入样品中的预定深度，就可以进行稳定的测量。

第1图是本发明粘度计的局部剖视图，第2图是把第1图所示的支座装置分解后的视图，第3图是第1图中所示的振动器组件的视图，第4图是说明在样品容器内的敏感板，温度计和液位标识指针之间的配置关系的平面图，第5图是说明三种样品的粘度和温度关系的曲线。

参考第1图，根据本发明的振动粘度计，有一个由刚性材料制成的中空支座2，该支座牢固地安装在从底座（图中未画）中延伸出的支架轴1上，该支座2带有一个伸到下方的支柱3，在支座2的下端装有构成音叉状振动器的一对振动器组件4，这些振动器组件4从支座2伸到下方，且安置在支柱3的两侧位置上。每个振动器组件包括有：一端穿过夹铁7，并借助螺钉6固定在支架2上的弹性元件5，牢固地装在该弹性元件5的另一端的中间板8，以及用螺钉10牢固地固定在中间板8端部的敏感板9。弹性元件5可用弹性稳定的弹簧钢制作，而中间板8可以用象铝等具有相当刚性的轻的材料制作。板9可以用例如厚度为0.2mm的薄而平的耐腐蚀性不锈钢制作，这 个敏感板的自由端可以做成例如直径为20mm左右的圆盘11。

每个振动器组件4相对于另一个振动器组件对称地安装，在中间板8上有分别固定在支柱3上的一个电磁线圈12和与之协同动作的永久磁铁13。电磁线圈12同永久磁铁13的组合作为激励相应的振动器组件4的激励装置，使一对振动器组件的振动频率相同，而位相相反（即有180°位相差）。作为最佳实例，激励频率为30Hz时，在后述的位移检测器14的安装位置上无负荷时的单振动组件的振幅为200μm。一对敏感板9处在同一假想的平行于支柱的垂直平面内，其结果是可以避免这些敏感板处在不同的假想的垂直平面场合下，在支柱2上产生的扭力反作用。各电磁线圈12和永久磁铁13之间的相对位置也可以颠倒过来。如图所示的例子，把电磁线圈12放置在支柱3的两侧，比较好的做法是使该线圈12的引线15穿过支柱3的里面，然后引到端部的接头16（上方）上。如果作为小型设备测量低粘度的样品，也可以用压电激励装置代替电磁激励装置。

在支座2同电磁线圈12之间的支柱3中装有位移检测器14，应使该检测器与振动器组件4的弹性元件5相对放置，这个位移检测器14把一侧的振动器组件4的振幅转换成电信号。当然，为了检测另一侧的振动组件的振动，也可以再装一个位移检测器。两个振动器实际上表示同一振幅，只有一侧也足以检测振幅。如同后面说明的那样，当把一对敏感板9插在样品里时，由于样品的粘滞力的变化而使振动器组件14的振幅发生变化，位移检测器就可以把这个振幅变为电信号检测出来，根据这个检出值，利用公知的方法就可算出样品的粘度。

位移检测器14可以是例如公知的非接触式的涡流损耗检测式位移传感器。在使用这个公知的位移检测器时，与它相对放置的弹性元件5要由磁性弹簧钢制成。也可以用公知的光学位移传感器来代替涡流损耗检测式位移传感器，位移检测器14的引线17也要通过支柱3的里面引到共用的接线接头16上。

现在参看第3图，该图所示的是振动器组件4所希望的设计，在该例中，在振动组件绕其振动的弹性元件5的中心线Z-Z上确定了振动器组件4的重心G，这样就防止了由于振动器组件4的振动引起的反作用在支座2上产生的纵向分力，或者说可使这种影响减小到可以略去的程度。而在本例中弹性元件5相对支座2的安装角度为直角，在这样的安装条件下，应使支座2安装面平滑，且采用强拉力螺栓6固定弹性元件5，这个布置使振动点P同重心G之间距离L的长度保持恒定，因而有效地防止了在振动过程中引起的螺栓松动而带来的振动距离L的实际改变从而造成的振幅误差。

现在参考第2图，在支柱3的下端，安装有温度计，用符号20表示整个温度计。该温度计20的外壳连通探头21延伸到下方，这个温度计探头21处在一对敏感板9的中间位置，且和这对敏感板在同一假想的垂直平面内，又温度探头的下端同一对敏感板9大致处在同一假想的水平面内。温度探头21同一对敏感板排列在同一假想的垂直平面内，这样就防止了由于在两敏感板之间存在温度探头而引起样品内发生紊流。温度计可以是例如在壳内装有铂电阻测温元件的公知的温度计，这个温度计的底面上有放大器电路组件22，回路组件22的引线穿过支柱3的内部接到共用的接头16上。

在支柱3的下端部加工有外螺纹30，带有与这个外螺纹30相 配合的调整螺母31的托架装置32固定在支柱3上，托架装置32和样品容器33的安装是可拆卸式的，而且起着封闭这个样品容器33的敞口的密封盖的作用。样品容器33最好是用象烧杯那样的透明玻璃制作，在这个容器的开口边缘装有法兰盘34，还有指示容器中待测样品的容量的两条平行线组成的标识线36。托架装置32上包含一个放入样品容器33中的平面形的大盖件37，例如由隔热性能良好的合成树脂制成，这个盖件37带有法兰38，盖件37上还装有一对公知的卡紧夹子39，这对卡紧夹子39扣到样品容器33上的法兰盘34上后，样品容器33就可以固定在托架装置32上。与支柱3的外螺纹30相配合的调整螺栓件31支持着盖件37，并且是可以旋转的。这个螺栓件31的下端有挡块40，借助于这个挡块40可以限制轴向移动。在盖件37上支柱3的下端加工有通孔41，及一对能使敏感板9通过并能防止热扩散的缝隙42。

通常，托架装置32装在支柱3的下端部，样品容器33在托架32上可以装上或卸下。两支笔44朝下装在支柱3的下端，这两支笔44如第4图所示的那样位于温度探头的两侧，处在这个探头和敏感板9之间的位置，并且排列在敏感板9与温度探头21所处的假想垂直平面内。由于确定了容器33相对于支柱的相对高度位置，就可以用笔44的尖端来表示容器内样品35所希望的表面高度，笔44起着指示器的作用。也就是说，根据笔的尖端44同样品35的表面高度之间的读数，可以旋转托架装置32的调整螺栓件31，而使托架32和样品容器33一起相对支柱3沿轴向移动，调整传感板9在样品35中的深度，这样就可消除上述的不一致，其结果是不会遇到对样品容器33内的样品量要先精确确定的麻烦。既使放入的样品量 于样品容器33两条标识线36之间所表示的范围之内有所不同，只要敏感板9和温度探头21在该样品内插入的长度保持恒定，就可以避免由于它们插入深度的不同而引起的误差。

第5图是使用根据本发明制做的振动粘度计，对三种公知的校正用的标准液体A、B和C的测量结果而得出的曲线，在这个图中纵轴代表测量的粘度（单位：mp.s），横轴代表温度（单位：℃），上述的标准液体A、B和C分别是根据日本工业标准确定的标样JS200，JS100和JS50。将这些标准液体先加热到60°，然后边冷却边测量。用本发明这样的粘度计能够连续测量随着温度变化的粘度变化情况。如果利用在说明书中所述的最佳实施例，可提供能够测量从1mp_a·s到100p_a·s的流体粘度的粘度计。

Claims (6)

1、一种粘度计，具有同时测定样品的粘度和温度的测量组件，该测量组件包括下列部件：

a.牢固装在底座上的支座，在支座下方有支柱，

b.音叉式振动器装置，包括固定在该支座上，并从该支座下方伸出、互相对着装在该支柱两侧的一对振动器组件，每个振动器组件在其自由端带有测量样品粘度时插入该样品内的薄而平的敏感板，各敏感板处在同一假想的垂直平面内，

c.对该对振动器组件分别以同一频率、彼此相反的相位进行激励的激励装置，

d.能够检测出该振动组件振幅的变化，并将其变换为电信号的装置，该振幅的变化是由于插入在该样品内的敏感板受到粘滞阻力而产生的，其特征在于：测量组件还包括：

e.一个带有探头的温度计，该探头装在支柱的下面，且在该对振动器组件的敏感板之间，并处在这些敏感板所在的同一假想的垂直平面内，与这些敏感板一同插入样品中，每个振动器组件的重心位置被确定在该组件的振动中心线上。

2、如权利要求1所述的振动式粘度计，其特征在于还包括：

f.装有待测样品的样品容器，

g.为了调节该敏感板和温度探头在该样品容器内浸入样品的深度而采用的能够调节敏感板和探头和该样品容器间相对距离的装置。

3、如权利要求2所述的振动式粘度计，其特征在于调节装置处在支柱的下端，是一个沿着轴向方向可以移动的支座装置，并包括支持该样品容器的部件，样品容器在该部件上可以拆装，使该样品容器可以同该支座一起沿着支柱的轴向移动。

4、如权利要求3所述的振动式粘度计，其特征在于：该支座装置包括该样品容器的盖件，以及带轴向挡块的调整螺栓部件，该螺栓部件能够旋转，并支撑着样品容器盖件，同时与支柱下端的外螺纹相配合，从而能够沿支柱的轴向移动，为固定该样品容器，在该盖件上带有夹紧部件。

5、如权利要求2所述的振动式粘度计，其特征在于还包括下列部件：

h.为了确定该敏感板和探头同该样品容器之间所希望的相对距离，有一个指示在该样品容器内样品的水平位置的装置。

6、如权利要求5所述的振动式粘度计，其特征在于：该指示装置由该支柱下端延伸的两支指针组成，这两支指针在该敏感板和温度探头所在的同一假想垂直平面内，处在该敏感板和温度探头之间的位置。

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