CN1069337A - 粘度计 - Google Patents

Abstract

一种具有将液体粘度参数转换为电信号的传感 器的粘度计，该粘度计包括一支持构件，一摆动装置， 该摆动装置的一端固接在支持构件上，另一自由端具 有一摆动体。另外，该传感器包括一磁驱动线圈和一 检测线圈，用于使摆动装置产生和保持摆动。所述摆 动体具有一磁铁，而所述驱动和检测线圈靠近于该摆 动体。

Description

本发明涉及一种具有一将液体粘度参数转换为电信号的传感器的粘度计，其包括一支持构件，一在一端坚固地连接在所述支持构件而在另一自由端具有一摆动体的摆动装置，以及一使摆动装置产生和保持摆动的磁驱动线圈和一检测线圈。这类粘度计在美国专利4，488，427号中有所公开。

在已有的粘度计中支持构件是由一个块或板构成的，其上具有一个孔。摆动装置包括一个管，该管的内径比所述孔的直径大并且其一端与所述孔同轴地连接在所述块上。摆动装置的另一端具有一摆动体或块，其将所述管的该端封闭。该管被作成以扭转方式摆动。为此，一刚性棒置于该管内的空间内与管壁不接触的位置，该棒的一端固接在管的自由端上，而刚性棒的自由端则穿过支持块体上的孔而超出该支持块体之外。在刚性棒的自由端固接有一横郜在其自由端具有与磁驱动及检测线圈相互作用的磁铁。一反馈环路连接在所述线圈之间以通过刚性棒使摆动装置产生和保持摆动。

本发明的目的即在于提供一种结构尽可能简单的前述类型的粘度计。

按照本发明，该目的是通过给摆动体提供一个磁铁和使驱动及检测线圈靠近摆动体实现的。

在已知的系统中，用以使摆动装置产生摆动的激励系统（理论上包括驱动及检测线圈以及与它们相互作用的磁铁）总是在容置待测粘度液体的空间之外。总的来说这即引起密封问题，以及非直接驱动，如，必须采用刚性棒。根据本发明，磁铁置于摆动体中，其一个优点即是可以免去密封测量，同时直接驱动亦成为可能，这使得本发明的粘度计更精确。

发明人注意到一种液体性质检测系统在美国专利4，005，599号中被公开，其包括一具有磁铁的摆动体以及一设置在靠近该摆动体并在一包容有该摆动体并在一包容有该摆动体的容器之外的磁驱动线圈。该摆动体通过一扭力簧片固接在一支持构件上。通过驱动线圈及磁铁的作用该摆动体及扭力簧片以扭转方式摆动。但是，在该系统中没有象本发明的粘度计一样采用检测线圈测量摆动的幅度。

与本发明的粘度计不同，在该美国专利4，005，599号的系统中，采用了频率测量原理而不是本发明的幅度测量方式。幅度测量使分辨率得以改善。

另外，在该已知系统中通过同相和移相地反馈信号测量两个频率。由此在换接时需产生一个新的平衡态，这将使测量的反应速度较低，因为，在一足够长的期间内应在一个频率测量以使瞬态现象消失。

在美国专利3，763，692中公开了一种浓度测量装置，其采用直线摆动代替本发明的转动摆动，相应地，驱动及检测线圈设置为使一直线运动产生和测量的方式。转动摆动仍可能产生，其中一空管沿一转动椭圆线运动。而该转动摆动应避免以使粘度的影响在测量结果中尽可能小。

本发明的实施例及细节将在下文及所附的从属权项中做进一步描述。

下面参照附图进一步详细说明本发明，附图中：

图1是本发明一实施例的示意图;

图2显示了本发明一实施例的线圈及摆动体的位置;

图3显示了本发明的一较佳实施例;

图4显示了图3所示实施例的基板;

图5是本发明一实施例的电路图。

本发明基于一液体对浸于其中摆动的摆动元件的阻尼效果。采用了一反馈系统，通过向该系统提供能量以补偿粘滞损耗及其它内在的机械及电损耗使摆动体保持机械摆动。这通过该反馈系统中的一放大环路实现。例如复杂的剪切粘滞性可通过测量摆动装置的谐振频率及其阻尼测定。

在上述的基本设计中，本发明的粘度计是如图1所示的具有一传感器的例子，其中该传感器用于将一液体的粘度参数转换为电信号。该传感器包括一支持构件或基板1，该基板支持一摆动装置。该摆动装置包括：一扭力棒2，该扭力棒2刚性地垂直连接在基板1上，以及一由一圆柱体3构成的摆动体，该圆柱体3刚性地连接在扭力棒2的自由端。扭力棒2和圆柱体3的组合被做成可以扭转方式摆动并可保持摆动。为此，利用了一激励系统，该系统包括一磁铁4及一驱动线圈5。如图1所示，磁铁4安装在圆柱体3内。较好的方式是使用一第二驱动线圈6。至少，摆动装置的圆柱体3浸于由基板1、一例如为圆柱形的壁13及一底14围成的空间12内所装的流体或液体11内。如果该粘度计必须用作一流动型的测量仪器，液体可以例如从壁13上高于摆动体的一开口引入而通过底14上的一开口或通过省去该底流出，或者相反。如图1所示，线圈5和6设置在靠近壁13处并且最好在空间12外。

从上述例举的容器的壁13到圆柱体3侧面的最小距离是由剪切波在到达壁13时已几乎消失的要求决定的。对于牛顿流体，在100毫帕斯卡秒（MPa·s）及400赫兹的频率下剪切波的幅度在2mm距离上以1000的因数减弱。图2示意性地显示了本发明的一个激励系统及检测系统的较佳实施例。圆柱形磁铁4被显示为一N-S偶极子。安置磁铁的圆柱体在图2中未予显示。激励系统包括驱动线圈5和6，而检测系统在一较佳实施例中包括两个检测线圈7和8。检测线圈7和8与驱动线圈5和6相互垂直。另外，降噪线圈9和10也显示于图2中。所述圆柱形磁铁最好被沿直径方向磁化，如图2中由箭头S-N示意的一样。

该磁铁因此被置于驱动线圈和检测线圈之间。摆动装置的扭转摆动通过一变化的磁场产生，该变化磁场由加在驱动线圈上的激励信号产生。该激励信号可由一频率合成器产生。该激励信号的频率和幅度可由一微处理器控制。

扭转摆动的幅度通过所述检测线圈测量。这些来自检测线圈的检测信号，在激励信号为恒定的情况下即是上述圆柱体所浸入的液体粘度的一个度量，这些检测信号可以被放大、由一带通滤波器滤波并被馈至一电压表由一微处理器读出。

作为一种变形，一电反馈环路可以连接在驱动线圈和检测线圈之间，保持摆动装置的扭转摆动，而检测信号可从检测线圈取出，在这种情况下检测信号和激励信号的比率可由微处理器确定以作为待测液体粘度的度量。这将在讨论图5时进一步描述。

为了尽可能减小扭转体和基板之间的机械偶合，所选的基板惯性力矩比扭转体的惯性力距要大。

上述粘度计的传感器设计的最重要的优点在于摆动装置的谐振频率对温度的依赖性很小，温度的影响可以很容易地被微处理器所补偿。可以利用受温度影响很小的镍合金制作扭力棒来进一步减小摆动装置对温度的依赖性。例如，可选择一种由Vaduumschmelze    GmbH公司提供的型号为“Termelast    4290的金属。为了进一步减小摆动装置的谐振频率对温度的依赖性，可以对扭力棒进行热处理。

圆柱形磁铁例如可由一种各向异性的磁性材料制造，该磁性材料可以从市场上在“VACOMAX    145”的型号下购得。

所有靠近磁铁的结构材料，如线圈架及支座由一种合成材料制成，例如一种纤维增强的酚醛树脂。这种材料作为较佳的选择是因为它的刚性、膨胀系数（与铜线圈很相近）以及其不导电性。作为涡流效应的结果，导电材料将减小摆动体的阻尼。在摆动体3中，装有一圆柱形磁铁，该磁铁沿直径方向磁化，如图2中箭头S-N所示。激励信号加在并联的且具有相同缠绕方向的驱动线圈5和6上。圆柱形磁铁4的磁极相对于检测线圈7和8的方向如下选择：使检测线圈的感应电压与磁铁4的角速度成比例。

据此，磁铁的磁极指向检测线圈7和8的边缘，如图2所示。此磁极方向具有两个优点，第一，感应电压与摆动体的角速度成比例，第二，此方向上感应电压最大。

降噪线圈9和10分别与检测线圈7和8串连，但降噪线圈9和10的缠绕方向分别与检测线圈7和8相反。此配置使噪音最小，包括由外来场引起的噪音。

由于线圈的对称设置，使驱动线圈5和6和检测线圈7和8之间的干扰很小。

图3显示了粘度计的一流动型传感器的较佳实施例。该传感器包括一圆柱体15，其具有一孔16，液体即通过该孔沿箭头P1及P2流动。圆柱体15具有一环槽17用以安装驱动、检测及降噪线圈，这些线圈图未示。这些线圈安装在线圈架18-21上（参看图4），这些线圈架由螺丝固定在基板22上。棒23固定在基板22上或一体构成其一部分，扭力棒24刚性地连接在该组件上。扭力棒24的自由端上连接着摆动体25，其中设置有磁铁26。摆动体25通过驱动线圈产生的磁场及磁铁26的作用而沿箭头P3摆动。在安装好线圈的线圈架18-21被螺接在基板22上之后，基板22被螺丝螺固到圆柱体15上，图3中只有螺丝27是可见的。圆柱体15上另外设有一温度传感器29，其输出信号用于温度补偿。

图4单独显示了基板。其显示了线圈架18-21的位置。基板另外设有供待测粘度参数的液体通过的孔30。这些孔提供一沿摆动体25的层流。

图5显示了对应于图3及图4所示的传感器的电路图。

为了简单起见，驱动线圈示作一个线圈SZ而检测线圈及降噪线圈的组合示作一个线圈SD。连接在线圈SZ及SD之间的是一反馈环路，该环路依次具有放大器V2，滤波器F1，自动增益控制AGC及放大器V3。滤波器F1的输出处的信号及放大器V3与自动增益控制AGC连接处的信号被馈至微处理器μP的输入端I2及I3，该微处理器以所述信号的比率得出一粘度信号由输出端02送出。在微处理器μP的输出端02的粘度信号及加到所述微处理器的信号之间存在一对应关系，该关系既可实验确定亦可计算出。由温度传感器29产生的信号被加到放大器V1，其输出信号被馈至微处理器μP的输入端I1。一温度信号输出于微处理器的输出端01。

由温度传感器29产生的信号经由放大器V1加到微处理器μP，该微处理器完成温度补偿。

由应用本发明的粘度计的实验结果，可以看出谐振频率的温度依赖性小于3×10%C。此谐振频率很低的温度依赖性的优点是因为微处理器可进行通过温度测量而作的温度补偿。

另外，本发明的粘度计非常简单，只包括很少的部件。

Claims (10)

1、一种粘度计，具有用于将液体粘度参数转换为电信号的传感器，包括一支持构件，一一端固接在该支持构件上而另一自由端具有一摆动体的摆动装置，以及用于使摆动装置产生和保持摆动的磁驱动线圈及检测线圈，其特征在于，所述摆动体具有一磁铁而所述驱动及检测线圈靠近于该摆动体。

2、如权利要求1的粘度计，其特征在于，所述摆动体置于一由一壁围起的用于容置液体的空间内，并且所述驱动及检测线圈置于该空间外靠近该壁。

3、如权利要求1或2的粘度计，其特征在于，所述驱动线圈与检测线圈垂直。

4、如权利要求3的粘度计，其特征在于，所述驱动线圈和/或检测线圈各由相对放置的两线圈构成。

5、如权利要求1-4之一的粘度计，其特征在于，所述磁铁是圆柱形的并且为沿直径方向磁化。

6、如权利要求1-5之一的粘度计，其特征在于，所述磁铁的磁极相对于检测线圈的方向为使检测线圈的感应电压与该磁铁的角速度成比例。

7、如权利要求6的粘度计，其特征在于，所述磁极指向检测线圈的边缘。

8、如权利要求1-7之一的粘度计，其特征在于，所述摆动装置包括一个与所述摆动体连接的扭力棒，该扭力棒由一种不受温度影响的镍合金构成。

9、如权利要求1-8之一的粘度计，其特征在于，缠绕方向与检测线圈相反的降噪线圈与检测线圈相串连。

10、如权利要求2-9之一的粘度计，其特征在于，所述置有摆动体的空间的壁延伸至所述支持构件并由此围成该容置液体的空间，并且在支持构件上设有供待测粘度参数的液体通过的孔。

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