CN105403485A - 一种便携式高精度液体粘度测量探头 - Google Patents

一种便携式高精度液体粘度测量探头 Download PDF

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夏豪杰
韩丽玲
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Abstract

本发明公开了一种便携式高精度液体粘度测量探头，包括由压电纤维和石英圆杆组成的谐振器，以及安装谐振器的金属圆管、金属套筒和密封圈，压电纤维的外表面缠绕一对螺旋电极，石英圆杆的后端端面设置轴向圆孔并与压电纤维的后端结合构成谐振器，石英圆杆的后端侧壁设置圆环基座，金属圆管前段外壁成型有外螺纹，通过金属套筒紧固石英圆杆的圆环基座，将谐振器螺合固定在金属圆管的前端端面上，压电纤维处于金属圆管的内部，石英圆杆处于金属圆管的外部，密封圈设置在螺母套筒、圆环基座和金属圆管的连接处。本发明采用压电复合振子的扭转振动测量粘度，测量范围广、精度高、成本低，尤其适用于狭小空间内液体以及微量液体样品的粘度测量。

Description

一种便携式高精度液体粘度测量探头
技术领域
本发明涉及测量探头领域，具体是一种便携式高精度液体粘度测量探头。
背景技术
粘度反映流体内部相对运动情况下分子间内摩擦的特性，是直接反应流体物理特性的重要参数之一。液体粘度快速、准确的测量对生产环节的质量控制以及最终产品的特性评定起着重要作用，因此被广泛地应用于石油、化工、汽车、食品、医药等工业部门。例如：石油开采过程中对钻井液的粘度测量和控制可极大提高钻井效率和钻井质量；汽车领域中燃料的粘度对其喷射效果以及润滑液的粘度对机械运行效率都具有重要的影响；制药化工领域中准确的粘度测量可用于检验药品的纯度；医学领域中血液的粘度测量可作为某些疾病的诊断依据。
然而，流体粘度往往不能直接测量得到，需要通过测量与其相关的物理量，再由相应的方程计算得到。目前，最常用的液体粘度测量方法包括毛细管法、落球法、机械旋转法、机械振动法等。毛细管法是通过测量液体一定压差下在毛细管内的流速换算得到粘度值；落球法是通过测量金属球在液体内运动的速度换算得到粘度值；旋转法通过测量电磁马达驱动的探头在液体内转动的阻力换算得到粘度值；机械振动法通过测量电磁激励的探头在液体内旋转振动的衰减换算得到粘度值。尽管基于这些传统方法的粘度测量设备一般都能够比较准确可靠地测得液体粘度，但是它们大都只适用于离线样品分析，装置体积较大，测量速度较慢，无法实现快速在线连续监测，部分可以用于在线测量的方法普遍存在测量装置结构复杂，成本较高，样品需求量大等缺点。这就导致了基于传统方法的粘度测量设备大都只适合于实验室环境的线下测量，应用场合存在很大的局限性。近年来国内外出现了一些基于压电振动法的新型粘度测量探头，在微型化和在线连续监测方面有了很大的提升，具有很好的发展前景。压电式粘度测量探头利用压电材料的压电效应产生机械谐振，通过测量谐振结构在流体内引起的机械和电学特性变化换算得到相应的粘度值。现有的压电式粘度测量探头由于压电谐振元件结构设计的限制，微型化程度往往较低，由于振型选择的局限，测量精度也相对较低，使得压电式粘度测量探头在便携性、高精度方面仍然存在一定的不足。
鉴于上述情况，现有技术中尚没有一种不仅结构简单、微型化程度高，而且性能可靠、成本低廉的便携式高精度液体粘度测量探头，使得液体粘度测量装置的应用场合和使用范围有了很大局限，难以满足当今工业生产和科学研究过程中对粘度测量的要求。因此，发明一种微型化、便携式、高精度的液体粘度测量探头具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式高精度液体粘度测量探头，采用压电纤维和石英圆杆组成的复合振子，结构紧凑，且测量范围广、精度高、成本低，可用于工业生产和科学研究过程中设备管道、样品容器内液体粘度的在线测量，尤其适用于狭小空间内液体以及微量液体样品的粘度测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：包括压电纤维、石英圆杆、金属圆管、金属套筒；所述压电纤维上螺旋缠绕有一对螺旋电极，所述石英圆杆后端中心设有轴向圆孔，石英圆杆后端侧壁环绕设有圆环基座，压电纤维前端安装在石英圆杆后端轴向圆孔内，并由压电纤维和石英圆杆构成谐振器；所述金属圆管由前段和外径大于前段的后段构成，金属圆管前段外壁成型有外螺纹，所述金属套筒前端筒口封闭形成封闭端，封闭端中心同轴设有圆通孔，金属套筒内壁成型有内螺纹，且金属圆管前段外螺纹与金属套筒内螺纹匹配；所述压电纤维和石英圆杆后端从金属圆管前端同轴伸入金属圆管中，金属套筒圆通孔从石英圆杆前端同轴套入，金属套筒螺合安装在金属圆管前端，且金属套筒封闭端将石英圆杆上圆环基座压紧在金属圆管的前端上。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述金属圆管后段与金属套筒后端筒口口壁之间设有橡胶材料制成的密封圈。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆上圆环基座侧壁与金属套筒内壁之间有环向间隙，环向间隙中设有橡胶材料制成的密封圈。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述压电纤维为压电陶瓷实心材料制成，直径为1～2mm，长度为10～18mm。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述螺旋电极为磷铜线，直径20～40μm，螺距为3～6mm，一对螺旋电极等距紧密缠绕在压电纤维的外表面，并通过环氧树脂胶固定，两螺旋电极的引线延伸至压电纤维的前端，且引线分别通过绝缘导线从金属圆管后端管口引出。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆杆身直径为1～2mm，长度为10～16mm，石英圆杆的后端直径为2～3mm，长度为4～6mm，石英圆杆后端上的轴向圆孔直径与压电纤维前端直径匹配，深度为2～3mm。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述压电纤维的前端通过环氧树脂胶粘结在石英圆杆后端上的轴向圆孔内。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆、轴向圆孔和圆环基座采用一体成型工艺加工，圆环基座处于压电纤维和石英圆杆所构成谐振器的一阶扭转振动节点位置，圆环基座的厚度为0.5～1mm。
所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述金属圆管和金属套筒均采用不锈钢或铝合金材料制成。
本发明中，压电纤维通过挤压烧结工艺制备而成，螺旋电极由一对磷铜线作为正负极等距交错紧密缠绕在压电纤维外表面而成，并使用环氧树脂胶固定，压电纤维前端保留一段未绕制电极部分与石英圆杆后端上的轴向圆孔粘结固定，螺旋电极延伸至压电纤维前端引出并焊接在石英圆杆后端端面预设的电极引脚上，并通过绝缘导线从金属圆管后端管口引出。
本发明中，压电纤维通过螺旋电极极化后，压电纤维和石英圆杆所构成的谐振器在螺旋电极交流电压的激励下产生轴向扭转振动，通过合理设计压电纤维和石英圆杆的尺寸，使得谐振器的一阶扭转振动节点恰好处在石英圆杆的圆环基座位置，以圆环基座作为固定点不会对谐振器工作状态产生影响。
本发明中，谐振器工作在一阶扭转振动的谐振频率附近，将探头浸入待测液体中，谐振器的石英圆杆与待测液体接触，扭转谐振由于受待测液体粘度的影响，振动特性发生相应变化，通过压电纤维的螺旋电极测量谐振器的电学导纳频率响应曲线，从而计算得到待测液体的粘度。
本发明的优点是：本发明将压电纤维的扭转振动应用于液体粘度的检测，测量范围广、精度高，采用压电纤维和石英圆杆组成的复合振子，结构简单、绝缘性好、成本低，实现测量探头的微型化和便携化，可推广应用于工业生产和科学研究过程中设备管道、样品容器内液体粘度的在线测量，尤其适用于狭小空间内液体以及微量液体样品的粘度测量。
附图说明
图1为本发明探头主剖视图。
图2为本发明探头的结构示意图。
图3为本发明压电纤维和螺旋电极结构示意图。
图4为本发明探头一阶扭转振动位置-振幅曲线示意图。
图5为本发明探头工作在待测液体中的电学等效电路示意图。
图6为本发明探头工作在待测液体中实际导纳圆与拟合导纳圆的示意图。
具体实施方式
参见图1-图3所示，一种便携式高精度液体粘度测量探头，包括压电纤维1、石英圆杆2、金属圆管4、金属套筒5；压电纤维1上螺旋缠绕有一对螺旋电极7，石英圆杆2后端中心设有轴向圆孔8，石英圆杆2后端侧壁环绕设有圆环基座9，压电纤维1前端安装在石英圆2杆后端轴向圆孔内，并由压电纤维1和石英圆杆2构成谐振器3；金属圆管4由前段和外径大于前段的后段构成，金属圆管4前段外壁成型有外螺纹，金属套筒5前端筒口封闭形成封闭端，封闭端中心同轴设有圆通孔，金属套筒5内壁成型有内螺纹，且金属圆管4前段外螺纹与金属套筒5内螺纹匹配；压电纤维1和石英圆杆2后端从金属圆管4前端同轴伸入金属圆管4中，金属套筒5圆通孔从石英圆杆2前端同轴套入，金属套筒5螺合安装在金属圆管4前端，且金属套筒5封闭端将石英圆杆2上圆环基座9压紧在金属圆管4的前端上。
金属圆管4后段与金属套筒5后端筒口口壁之间设有橡胶材料制成的密封圈6.1。
石英圆杆2上圆环基座9侧壁与金属套筒内壁之间有环向间隙，环向间隙中设有橡胶材料制成的密封圈6.2。
压电纤维1为压电陶瓷实心材料制成，直径为1～2mm，长度为10～18mm。
螺旋电极7为磷铜线，直径20～40μm，螺距为3～6mm，一对螺旋电极等距紧密缠绕在压电纤维1的外表面，并通过环氧树脂胶固定，两螺旋电极的引线延伸至压电纤维的前端，且引线分别通过绝缘导线从金属圆管4后端管口引出。
石英圆杆2杆身直径为1～2mm，长度为10～16mm，石英圆杆的后端直径为2～3mm，长度为4～6mm，石英圆杆2后端上的轴向圆孔8直径与压电纤维1前端直径匹配，深度为2～3mm。
压电纤维1的前端通过环氧树脂胶粘结在石英圆杆2后端上的轴向圆孔8内。
石英圆杆2、轴向圆孔和8圆环基座9采用一体成型工艺加工，圆环基座9处于压电纤维1和石英圆杆2所构成谐振器3的一阶扭转振动节点位置，圆环基座9的厚度为0.5～1mm。
金属圆管4和金属套筒5均采用不锈钢或铝合金材料制成。
本发明包括由压电纤维1和石英圆杆2组成的谐振器3，以及安装谐振器3的金属圆管4、金属套筒5和密封圈6，压电纤维1的外表面缠绕一对螺旋电极7，石英圆杆2的后端端面设置轴向圆孔8并与压电纤维1的前端结合构成谐振器3，石英圆杆2的后端外壁设置圆环基座9，金属圆管4前段外壁为外螺纹结构，金属套筒5内壁为内螺纹结构，通过金属套筒5螺合安装在金属圆管4前端，紧固石英圆杆2的圆环基座9，将谐振器3固定在金属圆管4的前端上，压电纤维1处于金属圆管4的内部，石英圆杆2的杆身处于金属圆管4的外部，密封圈6.1、6.2设置在螺母套筒5、圆环基座9和金属圆管4的连接处。
本发明中，压电纤维通过挤压烧结工艺制备而成，如图1、3所示，螺旋电极由一对磷铜线作为正负极等距交错紧密缠绕在压电纤维外表面而成，并使用环氧树脂胶固定，压电纤维前端保留一段未绕制电极部分与石英圆杆后端端面的轴向圆孔粘结固定，螺旋电极从压电纤维前端引出并焊接在石英圆杆后端面预设的电极引脚上，并通过绝缘导线从金属圆管后端引出。
本发明中，压电纤维通过螺旋电极极化后，压电纤维和石英圆杆所构成的谐振器在螺旋电极交流电压的激励下产生轴向扭转振动，通过合理设计压电纤维和石英圆杆的尺寸，使得谐振器的一阶扭转振动节点恰好处在石英圆杆的圆环基座位置，以圆环基座作为固定点不会对谐振器工作状态产生影响。如图4所示谐振器的位置-振幅曲线示意图，一阶扭转谐振频率附近，谐振器在圆环基座位置振幅为零，两端的振幅最大，振动方向相反。
本发明中，谐振器工作在一阶扭转振动的谐振频率附近，将探头浸入待测液体中，谐振器的石英圆杆与待测液体接触，扭转谐振由于受待测液体粘度的影响，振动特性发生相应变化，通过压电纤维的螺旋电极测量谐振器的电学导纳频率响应曲线，从而计算得到待测液体的粘度。如图5所示谐振器的电学等效电路，当探头工作在空气(或真空)中时，其一阶扭转谐振频率附近的电学等效电路由静态电容C0以及串联支路的Rm、Lm和Cm构成，其中Rm表示谐振器内部材料机械损耗引起的等效电阻，Lm表示由谐振器质量引起的等效电感，Cm表示由谐振刚度引起的等效电容；当本探头工作在待测液体中时，由于石英圆杆与待测液体之间的振动耦合作用，探头振动特性受到液体粘度的影响，电学等效电路发生了相应的变化，其串联支路增加了Rf和Lf两项。当谐振器的材料和尺寸确定，Rf和Lf两项仅与待测液体粘度η和密度ρ的乘积有关，通过标准液标定可获得等效电路各参量(如串联谐振频率fs、半功率点频率f1和f2、并联谐振频率fr、反谐振频率fa)与液体粘度和密度乘积之间的关系曲线，从而可通过测量上述电路参量计算得到待测液体粘度值。
图6为本发明探头工作在待测液体中实际导纳圆与拟合导纳圆的示意图。实际测量过程中，由于测量信号噪声干扰等影响，测得的导纳圆曲线存在一定的波动，且从谐振频率附近的导纳频率响应曲线得到的导纳圆不完整，如图6实线所示，可通过最小二乘法拟合实际导纳圆，如图6虚线所示。图中等效电导G最大值Gmax位置，对应串联谐振频率fs；等效电纳B最大和最小位置，亦即等效电导G取得最大值Gmax的二分之一，对应半功率点频率f1和f2；等效电纳B在较低频率点为零，对应并联谐振频率fr；等效电纳B在较高频率点为零，对应反谐振频率fa。以上五个特征频率点的频率值可由等效电路的参数表示，通过测量探头在空气和待测液体中一阶扭转谐振频率附近的导纳频率响应曲线，获得需要的特征频率点，即可计算出Rf和Lf值，在密度已知的情况下，可得到待测液体的粘度值。
下面将根据图5和图6具体地说明本发明探头的粘度测量方法。
根据图5的电学等效电路，可以得到振子的导纳圆可表示为：
( G - 1 2 R S ) 2 + ( B - ωC 0 ) 2 = ( 1 2 R S ) 2
当探头工作在空气(或真空)中时，
RS＝Rm，
当探头工作在待测液体中时，
RS＝Rm+Rf
在串联谐振频率fs位置满足：
R S = 1 G m a x
通过测量探头在空气和待测液体中的导纳频率响应曲线，获得如图6所示导纳圆，找出串联谐振频率fs，获得两种状态下的RS，相减即可得到Rf值。
Rf和ρη之间存在如下的线性关系
R f = k ρηf s
其中k是常数，可由标准粘度液标定得出，在密度已知的情况下，即可计算得到待测液体的粘度值η。

Claims (9)

1.一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：包括压电纤维、石英圆杆、金属圆管、金属套筒；所述压电纤维上螺旋缠绕有一对螺旋电极，所述石英圆杆后端中心设有轴向圆孔，石英圆杆后端侧壁环绕设有圆环基座，压电纤维前端安装在石英圆杆后端轴向圆孔内，并由压电纤维和石英圆杆构成谐振器；所述金属圆管由前段和外径大于前段的后段构成，金属圆管前段外壁成型有外螺纹，所述金属套筒前端筒口封闭形成封闭端，封闭端中心同轴设有圆通孔，金属套筒内壁成型有内螺纹，且金属圆管前段外螺纹与金属套筒内螺纹匹配；所述压电纤维和石英圆杆后端从金属圆管前端同轴伸入金属圆管中，金属套筒圆通孔从石英圆杆前端同轴套入，金属套筒螺合安装在金属圆管前端，且金属套筒封闭端将石英圆杆上圆环基座压紧在金属圆管的前端上。
2.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述金属圆管后段与金属套筒后端筒口口壁之间设有橡胶材料制成的密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆上圆环基座侧壁与金属套筒内壁之间有环向间隙，环向间隙中设有橡胶材料制成的密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述压电纤维为压电陶瓷实心材料制成，直径为1～2mm，长度为10～18mm。
5.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述螺旋电极为磷铜线，直径20～40μm，螺距为3～6mm，一对螺旋电极等距紧密缠绕在压电纤维的外表面，并通过环氧树脂胶固定，两螺旋电极的引线延伸至压电纤维的前端，且引线分别通过绝缘导线从金属圆管后端管口引出。
6.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆杆身直径为1～2mm，长度为10～16mm，石英圆杆的后端直径为2～3mm，长度为4～6mm，石英圆杆后端上的轴向圆孔直径与压电纤维前端直径匹配，深度为2～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述压电纤维的前端通过环氧树脂胶粘结在石英圆杆后端上的轴向圆孔内。
8.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述石英圆杆、轴向圆孔和圆环基座采用一体成型工艺加工，圆环基座处于压电纤维和石英圆杆所构成谐振器的一阶扭转振动节点位置，圆环基座的厚度为0.5～1mm。
9.根据权利要求1所述的一种便携式高精度液体粘度测量探头，其特征在于：所述金属圆管和金属套筒均采用不锈钢或铝合金材料制成。
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