CN103403523B - 一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弯曲振动的流动流体粘度的检测方法。该方法包括以下步骤：1）未充液条件下，驱动流量计的控制装置控制测量管处于恒幅弯曲谐振状态，此时测量得到空管时输入功率，谐振频率；2）控制已知粘度、密度的流体以一定的流速通过测量管，确保流体温度恒定以保证流体粘度不变，测量不同流速下的输入功率、谐振频率；3）根据测量数据标定得到流量计的K′₁、K′₂、K₃；4）测量未知粘度流体。本发明可直接在科里奥利质量流量计弯曲振动的基础上进行，无需增加其他附加条件，不仅拓展了粘度测量方法，也增加了在科里奥利质量流量计的功能，降低了成本。

Description

一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法。

背景技术

在许多工业生产领域，都需要对流体粘度进行实时监测控制，然而传统的粘度计如毛细管法、落球法等一般需要提取样品，在实验室中进行测量。这大大减低了测量效率，更不适合在线监测。尤其在流体管道运输中，要实时监控流体粘度，传统的测量方法不能满足需求。科氏质量流量计作为一种较为先进的精密仪器以其优越的性能在工业领域得到了广泛的运用，在能精确检测通过管道流体的质量流量的同时还能获得体积流量、密度、温度等测量值。若能不增加附加装置基础上同时实现检测流动流体粘度，则将大大提高科氏质量流量计的功能，更为实现在线监控粘度提供了便利的条件，意义重大。

为了测量管道中流动流体的粘度，美国的Micromotion 公司采用压差传感器和科氏流量计进行流体粘度测量，通过测量通过科氏流量计的流体在轴向的产生的压差来实现流体在线测量。在美国专利4，524，610中说明了一种粘度测量装置，该装置利用驱动装置使科氏流量计传感器敏感管产生切向方向的扭转振动，进而在流体内部产生摩擦力，通过检测驱动电流即可得到流体动力粘度测量值，同时检测其内流体密度以得到运动粘度值。但这对传感器的型号都有特定要求，同时还需要增加附加切向扭转驱动装置，这也导致生产成本增加。 中国专利200710018494.6中提出了一种基于管道弯曲振动的静态的流体粘度测量方法。通过检测输入功耗来检测流体粘度，该方法简单，不用外加附加装置就能在科氏流量计本身的基础上实现轴向无流速下流体的粘度测量，同时还能用于大多数的弯管科氏流量计，然而在流体流动条件下，由于耗能规律复杂，其并未实现在流动状态下的流体粘度测量。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法，其测量方法简单，便于实现。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法，其特殊之处在于该方法包括以下步骤：

1）未充液条件下，驱动流量计的控制装置控制测量管处于恒幅弯曲谐振状态，此时测量得到空管时输入功率P₀，谐振频率f₀；

2）控制已知粘度、密度的流体以一定的流速通过测量管，确保流体温度恒定以保证流体粘度不变，测量不同流速v下的输入功率P、谐振频率f；

3）根据测量数据，以为自变量，以为因变量，对数据进行曲线拟合，可得到曲线方程，并结合式y=ηK′₂x²+K₃ρ_流体x+ηK′₁即可标定得到流量计的K′₁、K′₂、K₃；

4）测量未知粘度流体：通过流量计直接测量未知粘度流体流速、密度、谐振频率、输入功率密度ρ、流体温度T、谐振频率f、输入功率P，由计算出未知粘度流体的实时粘度。

上述步骤2）中测量时需满足恒温、恒幅谐振、层流、无气泡的测量条件。

上述流量计为科里奥利质量流量计。

本发明提供的一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法，可直接在科里奥利质量流量计弯曲振动的基础上进行，无需增加其他附加条件，不仅拓展了粘度测量方法，也增加了在科里奥利质量流量计的功能，降低了成本。

附图说明

图1为弯管科氏流量计测量管弯曲振动示意图；

图2为直管科氏流量计测量管弯曲振动示意图

图3为U型双管科里奥利质量流量计；

图4 为双C型科里奥利质量流量计；

图5为常温下粘度为190.9硅油标定时的拟合曲线；

图6为各种形状的科里奥利质量流量计；

表1为常温下粘度为207.8硅油实验结果；

 表2为常温下粘度为386.24硅油实验结果；

 表3为常温下粘度为550.6硅油实验结果；

图4附图标记如下：

1、2为传感器管，16、17为拾振线圈，15为激振线圈，3为温度传感器，27、28位定距板，25为传感器本体，18、19为连接法兰，5为出口管，34为接线端，32为外壳。

具体实施方式

一、本发明的测量基础

基于管道弯曲振动实现流动流体粘度测量的理论基础同无流速下相同，即在测量管恒幅谐振状态下，外部驱动装置补充的能量一部分用于抵消测量管本身的结构阻尼，另一部分用于抵消测量管内部粘性流体粘性力的耗能。问题的关键是如何得出在流体流动状态下驱动能量与流体粘性力耗能之间的关系，这也是采用弯曲振动测量流体粘度最核心的部分，测量管弯曲振动示意图如图1图2所示。

通过分析我们得出如下结果：

即对于形如图3图4的弯管科氏质量流量计，其谐振状态下耗能分为三部分

1）测量管本身由于弯曲振动的结构阻尼耗能

在测量管弯曲振动振幅为某恒定值A下,其一个周期内消耗的能量表达式为

其中P₀为空管振动时消耗的功率，f₀空管振动时谐振频率

2）测量管中流动流体由于弯曲振动粘性力消耗的能量

在测量管弯曲振动振幅为某恒定值A下，其一个周期内消耗的能量表达式为

其中η为粘度，f为谐振频率，v为流速，

$K_1={\∫}_0^L{a}^2\mathrm{\π}{R}^2{A}^{\′}\left(x\right)A^{\′}\left(x\right)\mathrm{dx}$

$K_2={\∫}_0^L{a}^2\mathrm{\π}{R}^2{A}^{\′\′}\left(x\right)A^{\′\′}\left(x\right)\mathrm{dx}$

A(x)为悬臂梁振动振型函数， a为与振幅相关的量；对振动幅度恒定，管型固定的测量管K₁、K₂两值为常数，可以通过标定得到。

3）流体通过测量管后，由于科氏力作用导致测量管产生扭转（对于直管科氏质量流量计则不存在扭转，即无该项耗能），由扭转运动消耗的能量

在测量管弯曲振动振幅为某恒定值A下，其一个周期内消耗的能量表达式为

其中ρ_流体为通过测量管的流体密度。

由此，流体由于弯曲振动消耗的能量为驱动装置输入的能量减去测量管空管弯曲振动消耗的能量和流动流体导致的测量扭转消耗的能量，粘度测量公式为：

其中

K′₂=πK₂,K′₁=2π²K₁

通过已知标准粘度流体标定上述常数值后，即可进行流动流体的粘度测量。

二、粘度测量方法

本发明使用的测量装置包括用于弯曲振动使粘性流体产生内摩擦力耗能，且与管道连通的传感器测量管（可直接用科氏质量流量计作为平台）；用于使测量管保持恒幅谐振的振动控制装置；用于检测测量管振动的信号检测装置（能获取流体温度、流速、谐振频率、流体密度）。科氏质量流量计（图3、图4）刚好就能满足测量要求。测量步骤如下：

1）系数标定方法

由上述的粘度测量公式，为了实现粘度测量，必须获知K′₁、K′₂、K₃值，为此将粘度测量公式变形为：

令，可得

y=ηK′₂x²+K₃ρ_流体x+ηK′₁           （6）

可见对已知粘度流体，该函数为一个二次函数。

对空管能耗，应在未通流体前进行测定，由驱动控制装置控制测量管处于恒幅弯曲谐振状态，此时可测量得到空管时输入功率P₀，谐振频率f₀。

用已知标准粘度η₁、密度ρ₁的流体来进行标定，流体流过测量管时，驱动控制装置控制测量管保持在恒幅谐振状态下，并由驱动控制装置可检测到不同流速v下的输入功率P、谐振频率f，据式（6）将数据曲线拟合后，得到曲线方程，由此可标定得出K′₁、K′₂、K₃。当然对于K′₁（不同管型、不同尺寸的测量管值不相同），可直接在静态下就能标定得出。采用已知标准粘度标定时应注意如下几个问题：

1、保持流体温度稳定。由于温度对流体粘度影响较大，因此要保证流体温度不变的情况下才能确保已知粘度流体实际粘度不变。否则将会导致标定值误差偏大，造成测量结果误差较大，并且标定时要保持的恒定温度t，t值本身的大小范围没有限制，目的在于要能保证流体粘度在标定过程中保持在该温度下的恒定值。

2、测量必须在测量管处于较好的恒幅谐振状态下进行。在测量管起振时、振动幅值不稳定时或是振动频率变化较大时不可测量。

3、当测量无流速情况时，务必确保测量管内流体充满，流体流动后，在不同的流速下测量时，必须在流速稳定后测量，并应记录下流体流速、谐振频率、流体密度，温度及输入功率。

4、应保证通过测量管的流体处于层流状态。只有在层流状态下上述测量公式才能运用，而对于紊流状态时，是不能进行测量的，当然对于测量无流速时，无需保证层流状态。

5、通过测量管的流体应尽量不使其混有气泡。气泡的影响是相当大的，可能导致测量结果高出实际结果几倍的情况。同时气泡较多还会导致测量管振幅变化较大，不在保持恒幅振动，这就不符合测量的前提。

根据测量数据拟合曲线，得出拟合曲线方程，结合式（5），即可标定得到K′₁、K′₂、K₃。

2）粘度测量

测量未知粘度η的流体时，由于能实时监控到流体温度，固无需保证流体温度相同，这也正是该方法的优点之一，即能实时监控不同温度下的流体粘度，但务必满足上述的恒幅谐振、层流、无气泡的条件。同时必须注意，测量不同密度流体粘度时必须保证恒幅振动的振幅是相同的。也只有在这个前提下的测量才是有意义的。

通过未知粘度流体后，由于驱动装置，能直接获得流体密度ρ、流体温度T、谐振频率f、输入功率P，由此便可由式（4）计算出流体的实时粘度，即实现了流动流体粘度的在线监测。

本发明的一个具体实施例是以双C型科里奥利质量流量计（如图4所示）为平台为例，进行如下步骤测量：

1）未充液条件下，驱动控制装置控制测量管处于恒幅弯曲谐振状态，此时可测量得到空管时输入功率P₀，谐振频率f₀。

2）控制已知粘度、密度的流体以一定的流速通过测量管，确保流体温度恒定以保证流体粘度不变，测量不同流速v下的输入功率P、谐振频率f。

3）根据测量数据，以为自变量，以为因变量，对数据进行曲线拟合，可得到曲线方程，并结合式y=ηK′₂x²+K₃ρ_流体x+ηK′₁即可标定得到K′₁、K′₂、K₃。

振幅A的大小可以根据需要调节，但不同的大小时，上述的标定值是不同的。

4）对未知粘度流体，由于科氏质量流量计能直接测量流速、密度、谐振频率、输入功率密度ρ、流体温度T、谐振频率f、输入功率P，由式（4）可计算出流体的实时粘度，实现在线粘度监测。

图5为利用已知粘度为190.9mpa·s进行标定的拟合曲线，标定后，我们用粘度分别为207.8mpa·s、386.24mpa·s、550.6mpa·s不同型号硅油进行了粘度测量。结果如表1、表2、表3所示。可见在满足所需精度的基础上，该方法是完全可行的。

该方法可以用在各种基于弯曲振动的科氏质量流量计中（如图6所示），或符合弯曲振动结构的管道中。可以测量不同流速下，不同温度，压强下的流过科氏质量流量计的流动流体粘度。

Claims (2)

1.一种基于弯曲振动结构的流动流体粘度的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)未充液条件下，驱动流量计的控制装置控制测量管处于恒幅弯曲谐振状态，此时测量得到空管时输入功率P₀，谐振频率f₀；

2)控制已知粘度、密度的流体以一定的流速通过测量管，确保流体温度恒定以保证流体粘度不变，测量不同流速v下的输入功率P、谐振频率f；标定时需满足恒温、恒幅谐振、层流、无气泡的测量条件；

3)根据测量数据，以为自变量，以为因变量，对数据进行曲线拟合，可得到曲线方程，并结合式y＝ηK₂′x²+K₃ρ_流体x+ηK₁′即可标定得到流量计的K₁′、K₂′、K₃；

4)测量未知粘度流体：通过流量计直接测量未知粘度流体流速、密度、谐振频率、输入功率；其中密度ρ、流体温度T、谐振频率f、输入功率P；在测量管弯曲振动振幅为某恒定值A下，其一个周期内消耗的能量表达式为：

E＝K₃ρ_流体v

其中ρ_流体为通过测量管的流体密度；

流体由于弯曲振动消耗的能量为驱动装置输入的能量减去测量管空管弯曲振动消耗的能量和流动流体导致的测量扭转消耗的能量，粘度测量公式为：

其中，K₂′＝πK₂，K₁′＝2π²K₁；

由计算出未知粘度流体的实时粘度；

计算未知粘度流体的实时粘度必须满足上述的恒幅谐振、层流、无气泡的条件；测量不同密度流体粘度时必须保证恒幅振动的振幅是相同的。

2.根据权利要求1所述的基于弯曲振动的流动流体粘度的测量方法，其特征在于：所述测量方法用在各种基于弯曲振动的科氏质量流量计中，或其他符合弯曲振动结构的管道中。