CN102023124A - 基于速度衰减的旋转粘度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体粘性(流变特性)测量仪器，由级联电动机(1)、空气轴承(2)、测速传感器(3)、支架(4)、测头转子(5)、外筒(6)、计算与显示单元(7)、气源(8)、组成，其中测头转子(5)在待测流体中的速度衰减与待测流体的粘度值存在对应关系，检测任意两对应时刻的转速即可通过该对应关系计算得出流体粘度值。本发明具有测量范围宽，测量精度高，测量重复性好，测量速度快等特点。

Description

基于速度衰减的旋转粘度计

技术领域

本发明涉及一种液体粘性(流变特性)测量仪器，确切地说是一种基于内筒速度衰减的同轴圆筒旋转粘度计，属于检测仪器和机械工程领域。

背景技术

旋转粘度计是一种比较常见的用于流体粘度值检测的仪器，被广泛地应用于牛顿型流体和非牛顿型流体的粘度值检测中。根据检测参数的不同，旋转粘度计可以分为扭矩测量型，转速测量型，同时测转速与扭矩三种类型，同时测转速与扭矩型旋转粘度计需要同时测量不断变化的扭矩与转速，在结构设计与测量精确性上有更高的要求，存在更多的困难，因此应用很少。

扭矩测量型旋转粘度计采用测量预定转速下测头在流体中受粘滞力矩作用时力矩的变化来计算流体粘度值的方法。此型粘度计具有检测速度快，使用方便的优点，但是也具有如下缺点：(1)金属吊丝或游丝结构测量扭矩不精确；(2)金属吊丝或游丝结构稳定性较差；(3)金属吊丝或游丝及其支撑部分容易损坏，更换不易；(4)与低粘度物质产生的粘性力形成的力矩相比存在很大的摩擦力矩，造成检测误差加大，量程范围较窄。

转速测量型旋转粘度计采用测量预定剪切应力下测头在流体中受粘滞力矩作用时剪切速率变化来计算流体粘度值的方法。此型粘度计也具有检测速度快，使用方便的优点，但是也具有如下缺点：(1)对恒力矩控制准确性控制上存在不足，尤其是当改变剪应力时；(2)对摩擦力矩稳定控制存在困难，造成检测误差加大。

转速测量型粘度计还存在一种检测在流体中衰减的转子转速的粘度计，此种粘度计没有金属吊丝或游丝结构的设计，也不用检测力矩，避开了传统扭矩测量型和转速测量型旋转粘度计的不足，具有速度快，精度高，量程大的优点。此种粘度计有两种方案：(1)电机驱动外筒转动——流体——转子转动——外筒停——转子自由衰减；(2)外力矩驱动转子转动--去掉外力矩——转子自由衰减。第一种方案由于外筒骤停容易引发流体运动失稳导致湍流的问题，这将导致检测误差明显增大，甚至错误结果的出现；第二种方案需要解决低速转动测头转子与驱动力矩之间连接与脱开产生的冲击、摩擦与振动的问题，否则也将导致流体运动失稳，检测失效。

发明内容

针对现有旋转粘度计应用中存在的问题，本发明提出一种基于速度衰减的旋转粘度计，解决目前速度衰减型旋转粘度计存在的问题，可以克服传统扭矩测量型和转速测量型旋转粘度计的不足，同时具有速度衰减型旋转粘度计速度快，精度高，量程大的优点，适用于牛顿型流体和非牛顿型流体的粘度值检测中。

本发明提供一种基于速度衰减的旋转粘度计，由级联电动机、空气轴承、测速传感器、支架、测头转子、外筒、计算与显示单元、气源组成，所述级联电动机的输出扭矩用于驱动测头转子在流体中转动。所述测头转子由所述空气轴承支撑，所述支架支撑整个系统，所述外筒用于盛装待检测流体，所述测头转子浸于待检测流体内，所述测速传感器固定于所述支架上，用于检测所述测头转子的转速，检测信号被传送给与测速传感器和级联电动机相连的所述计算与显示单元，用于计算与显示待测流体的粘度值，所述气源与空气轴承连通，用于给所述空气轴承供气。

根据本发明的一种实施方式，所述级联电动机由两部电动机串联组成，其中一级电动机由第一上端盖、第一转子、第一定子线圈、第一定子基体、第一下端盖、第一轴承、第二轴承组成，第一转子和第一定子线圈位于第一定子基体中，第一定子线圈环绕第一转子，第一轴承和第二轴承位于第一转子的两端，一级电动机是一部可调速的同步电动机；二级电动机由第二上端盖、导电环心轴、导电环、外壳体、第二定子基体、第二定子线圈、第二转子、第三轴承、第四轴承组成，其中导电环心轴在外壳体中位于第一转子与第二定子基体之间，用于连接二者，导电环环绕导电环心轴，用于给旋转的第二定子线圈供电，第二定子基体在外壳体中位于导电环心轴的下方，其中容纳第二转子的上端，第二定子线圈环绕第二转子的上端，第三轴承和第四轴承位于导电环心轴的两端，二级电动机是一部可调速的实心转子异步电动机。

根据本发明的一种实施方式，第二转子为无槽圆柱状实心转子。

根据本发明的一种实施方式，所述空气轴承由在第二定子基体的下方依次相连的上止推板压盖、上止推板、第二转子、环绕第二转子的径向轴承套、径向轴承套外侧的密封套、在第二转子下方的下止推板和下止推板压盖组成，其中第二转子既作为所述空气轴承的转子，也作为所述级联电动机的二级电动机转子。

根据本发明的一种实施方式，所述测头转子在待测流体中的速度衰减与待测流体的粘度值存在对应关系，检测任意两对应时刻的转速即可通过该对应关系计算得出流体粘度值，所述对应关系为：

${\mathrm{\ω}}_t={\mathrm{\ω}}_0{e}^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}}-\frac{M^{\′}}{\mathrm{K\η}}(1-e^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}})$

式中：M′-系统阻力矩；J-测头转子的转动惯量；ω₀-测头转子的初始角速度；ω_t-测头转子经历t时间段后的角速度；K-仪器常数；η-流体的粘度值；t-测头转子对应转速衰减时间。

根据本发明的一种实施方式，所述一级电动机第一转子与二级电动机第二定子线圈通过导电环心轴连接，二级电动机第二转子与空气轴承的转子为一体阶梯轴，空气轴承支撑二级电动机第二转子并使其与二级电动机第二定子基体无接触。

根据本发明的一种实施方式，所述测头转子与第二转子采用螺纹连接，使第二转子与测头转子形成可拆装的同轴结构。

根据本发明的一种实施方式，所述测头转子与第二转子刚性连接。

根据本发明的一种实施方式，测头转子与所述外筒成对使用，由多组不同尺寸与结构的成对使用的组合构成测头组。

根据本发明的一种实施方式，所述结构是同心双筒结构，锥板结构或双间隙圆筒结构。

本发明具有如下优点：

1)级联电动机调速范围的宽广，基于速度衰减旋转粘度计可以实现0～2800r/min之间任意剪切率的流体粘度值检测，测量范围宽；

2)使用空气轴承作为支撑部件具有摩擦力矩小(一般为油膜润滑的千分之一或更小)、噪声低、振动小、精度高、寿命长，间隙小的特点，不仅可以将轴承阻力矩降低10³～10⁶倍，还可以提高测头转子与外筒的同心度，进而提高检测精度，降低了摩擦力矩对于检测结果的影响，使得小粘度流体的粘度值检测也能实现精确化，拓展了粘度计的适用范围；

3)采用无槽圆柱状实心转子电动机作为级联电动机的二级电动机使电动机具有剩磁阻力矩低，起动转矩大，起动电流小，调速范围宽，振动与磁噪声低的特点，由于采用空气轴承支撑实心转子，驱动力矩与转子之间没有接触，消除了连接与脱开时冲击与振动的影响；

4)采用速度衰减的方法进行粘度值检测可以实现一次检测就能得到非牛顿流体的粘度值在不同剪切率下的变化情况，不用在不同剪切率下分别检测，提高了检测速度；

5)通过电动机实心转子与测头转子的固接提高了测头转子的转动惯量，使测头转子不用再增加配重以提高转动惯量，简化了结构，又由于没有减速机等部件，降低了噪声，检测环境安静；

附图说明

图1旋转粘度计的结构示意图；

图2级联电动机的剖面图；

图3测头与外筒组合图。

具体实施方法

通过下面给出的本发明的具体实施例可以更清楚的了解本发明，但不是对本发明的限定。

所述基于速度衰减的旋转粘度计，其外形如图1所示，由级联电动机1，空气轴承2，测速传感器3，支架4，测头转子5，外筒6，计算与显示单元7，气源8组成。

所述级联电动机1由两部电动机串联组成，其中一级电动机为可调速的同步电动机，二级电动机为可调速的无槽圆柱状实心转子异步电动机，二级电动机转子为扭矩输出轴并由串联的所述空气轴承2作为支撑，输出扭矩用于驱动测头转子5在流体中转动。所述测头转子5同样由所述空气轴承2支撑。所述支架4主要起支撑作用，支撑整个系统，尤其是支撑所述级联电动机1与所述外筒6，并确保二者的位置精度(同轴度)。所述外筒6用于盛装待检测流体，所述测头转子5浸于待检测流体内。所述测速传感器3固定于所述支架4上，用于检测所述测头转子5的转速，检测信号被传送给与测速传感器3和级联电动机1相连的所述计算与显示单元7，用于计算与显示待测流体的粘度值，所述气源8与空气轴承2连通，用于给所述空气轴承2供气。

所述级联电动机1结构如图2所示，由两部电动机串联组成。其中一级电动机由第一上端盖9、第一转子10、第一定子线圈11、第一定子基体12、第一下端盖13、第一轴承27、第二轴承28组成，第一转子10和第一定子线圈11位于第一定子基体12中，第一定子线圈11环绕第一转子10，第一轴承27和第二轴承28位于第一转子10的两端，一级电动机是一部可调速的同步电动机；二级电动机由第二上端盖14、导电环心轴15、导电环16、外壳体17、第二定子基体18、第二定子线圈19、第二转子22、第三轴承29、第四轴承30组成，其中导电环心轴15在外壳体17中位于第一转子10与第二定子基体18之间，用于连接二者，导电环16环绕导电环心轴15，用于给旋转的第二定子线圈19供电，第二定子基体18在外壳体17中位于导电环心轴15的下方，其中容纳第二转子22的上端，第二定子线圈19环绕第二转子22的上端，第二转子22为无槽圆柱状实心转子，第三轴承29和第四轴承30位于导电环心轴15的两端，二级电动机是一部可调速的实心转子异步电动机。

所述空气轴承2结构如图2所示，由在第二定子基体18的下方依次相连的上止推板压盖20、上止推板21、第二转子22、环绕第二转子22的径向轴承套23、径向轴承套外侧的密封套24、在第二转子22下方的下止推板25和下止推板压盖26组成，其中第二转子22既作为所述空气轴承的转子，也作为所述级联电动机的二级电动机转子。

所述测头转子5与第二转子22采用螺纹连接，使第二转子22与测头转子5形成可拆装的同轴结构。测头转子5与所述外筒6成对使用，由多组不同尺寸与结构的成对使用的组合构成测头组，可根据需要拆卸，例如同心双筒结构，锥板结构，双圆筒结构等。

所述级联电动机1驱动测头转子5旋转，断电后，测头转子5的转速将会在系统阻力矩与流体粘滞力矩共同作用下衰减，对于牛顿流体，测头转子的即时转速与衰减时间，待测流体粘度值之间存在对应关系可以通过以下数学表达式表示：

${\mathrm{\ω}}_t={\mathrm{\ω}}_0{e}^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}}-\frac{M^{\′}}{\mathrm{K\η}}(1-e^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}})$

式中：M′-系统阻力矩(摩擦阻力矩与剩磁阻力矩)，测试前标定；J-测头转子转动惯量，常数；ω₀-测头转子初始角速度；ω_t-测头转子经历t时间段后的角速度；K-仪器常数；η-流体的粘度值；t-测头转子转速衰减时间。

对于非牛顿流体，测头部分可换用锥板结构进行检测。

具体实施实例(结合附图3)：

通过接线使一级、二级电动机转动方向相反，启动一级电动机，第一转子10按预定转速n1旋转，通过导电环心轴15带动第二定子基体18与第二定子线圈19同速旋转，使第二定子线圈19具有转速n1。启动二级电动机，第二转子22与第二定子线圈19之间具有相对运动，第二转子22相对于第二定子线圈19具有预定转速n2。当两部电动机的转速值相同(n1＝-n2，方向相反)时，第二转子22相对于第一定子线圈11静止；若二者间存在转速差n0(n0＝|n1|-|n2|)，第二转子22相对于第一定子线圈11具有转速n0，两部电动机的转速差可根据电动机的调速原理任意设定，即第二转子22可以得到相对于第一定子线圈11且不高于二级电动机额定转速的任意转速。

第二转子22与测头转子5采用刚性连接，并使测头转子5的测头部分沉浸在盛装于外筒6内的待检测流体中。

切断两部电动机的动力(电动机断电)后，第二转子22连同测头转子5受空气摩擦阻力矩、第二定子线圈19作用于第二转子22上的剩磁阻力矩及作用在测头转子5上待测流体施加的的粘滞力矩的多重作用，其转速将衰减。

通过测速传感器3将测头转子5的转速变化数据采集到计算与显示单元7，该单元将对对数据进行处理并将待测流体的粘度值计算结果输出。

此外，本发明不局限于上述实施方式，可以在不脱离本发明实质的范围内进行各种变化。

Claims (9)

1.一种基于速度衰减的旋转粘度计，由级联电动机(1)、空气轴承(2)、测速传感器(3)、支架(4)、测头转子(5)、外筒(6)、计算与显示单元(7)、气源(8)组成，其特征在于，所述级联电动机(1)的输出扭矩用于驱动测头转子(5)在流体中转动。所述测头转子(5)由所述空气轴承(2)支撑，所述支架(4)支撑整个系统，所述外筒(6)用于盛装待检测流体，所述测头转子(5)浸于待检测流体内，所述测速传感器(3)固定于所述支架(4)上，用于检测所述测头转子(5)的转速，检测信号被传送给与测速传感器(3)和级联电动机(1)相连的所述计算与显示单元(7)，用于计算与显示待测流体的粘度值，所述气源(8)与空气轴承(2)连通，用于给所述空气轴承(2)供气。

2.如权利要求1所述的旋转粘度计，其特征在于，所述级联电动机(1)由两部电动机串联组成，其中一级电动机由第一上端盖(9)、第一转子(10)、第一定子线圈(11)、第一定子基体(12)、第一下端盖(13)、第一轴承(27)、第二轴承(28)组成，第一转子(10)和第一定子线圈(11)位于第一定子基体(12)中，第一定子线圈(11)环绕第一转子(10)，第一轴承(27)和第二轴承(28)位于第一转子(10)的两端，一级电动机是一部可调速的同步电动机；二级电动机由第二上端盖(14)、导电环心轴(15)、导电环(16)、外壳体(17)、第二定子基体(18)、第二定子线圈(19)、第二转子(22)、第三轴承(29)、第四轴承(30)组成，其中导电环心轴(15)在外壳体(17)中位于第一转子(10)与第二定子基体(18)之间，用于连接二者，导电环(16)环绕导电环心轴(15)，用于给旋转的第二定子线圈(19)供电，第二定子基体(18)在外壳体(17)中位于导电环心轴(15)的下方，其中容纳第二转子(22)的上端，第二定子线圈(19)环绕第二转子(22)的上端，第三轴承(29)和第四轴承(30)位于导电环心轴(15)的两端，二级电动机是一部可调速的实心转子异步电动机。

3.如权利要求2所述的旋转粘度计，其特征在于，第二转子(22)为无槽圆柱状实心转子。

4.如权利要求2-3中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，所述空气轴承(2)由在第二定子基体(18)的下方依次相连的上止推板压盖(20)、上止推板(21)、第二转子(22)、环绕第二转子(22)的径向轴承套(23)、径向轴承套外侧的密封套(24)、在第二转子(22)下方的下止推板(25)和下止推板压盖(26)组成，其中第二转子(22)既作为所述空气轴承的转子，也作为所述级联电动机的二级电动机转子。

5.如权利要求1-4中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，所述测头转子(5)在待测流体中的速度衰减与待测流体的粘度值存在对应关系，检测任意两对应时刻的转速即可通过该对应关系计算得出流体粘度值，所述对应关系为：

${\mathrm{\ω}}_t={\mathrm{\ω}}_0{e}^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}}-\frac{M^{\′}}{\mathrm{K\η}}(1-e^{-\frac{\mathrm{K\ηt}}{J}})$

式中：M′-系统阻力矩；J-测头转子转动惯量；ω₀-测头转子初始角速度；ω_t-测头转子经历t时间段后的角速度；K-仪器常数；η-流体的粘度值；t-测头转子对应转速衰减时间。

6.如权利要求2-5中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，所述一级电动机第一转子(10)与二级电动机第二定子线圈(19)通过导电环心轴(15)连接，二级电动机第二转子(22)与空气轴承(2)的转子(22)为一体阶梯轴，空气轴承(2)支撑二级电动机第二转子(22)并使其与二级电动机第二定子基体(18)无接触。

7.如权利要求2-6中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，所述测头转子(5)与第二转子(22)采用螺纹连接，使第二转子(22)与测头转子(5)形成可拆装的同轴结构。

8.如权利要求2-6中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，所述测头转子(5)与第二转子(22)刚性连接。

9.如权利要求2-8中的一项所述的旋转粘度计，其特征在于，测头转子(5)与所述外筒(6)成对使用，由多组不同尺寸与结构的成对使用的组合构成测头组。

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