CN107389506B - 一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置及其检测方法，属于粘度检测领域。该检测装置包括外管，外管内开设有内腔，内腔的底部通过下堵头封闭，内腔中盛放待测液体，磁性体从内腔顶部在待测液体中自由下落，外管为含有金属或安装有金属部件的筒状管，外管的金属或金属部件之间形成闭合回路；本发明通过检测外管形成的闭合回路产生的感应电流或通过检测磁性体的运动速度，即可计算待测液体的粘度。本发明的检测装置克服现有技术中液体粘度测量操作不便、检测准确度不高的不足，可适用于测量低粘度样品并提高测试精度，而且不受液体透光程度的影响，在粘度检测中有着广泛的应用。

Description

一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及粘度检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置及其检测方法。

背景技术

目前测定液体粘度的诸多方法和仪器中，以落球法(亦称斯托克斯法)最为简单易行且应用普遍，该方法是在一个垂直放置的玻璃量筒中盛满待测液体，当一个金属小球从量筒的顶部下落并先后通过某两个特定的刻度线位置时，根据小球经过两个特定刻度线位置时的时间间隔和两个刻度线间的距离就可以算出小球的下落速度，再根据小球直径、量筒直径、小球的密度和液体的密度等参数运用相应的物理公式计算出液体的粘度。

采用上述落球法测定粘度是否准确的关键在于：能否准确地测出小球经过两个特定刻度线位置时的时间间隔，并进一步根据两刻度线间距离算出小球的下落速度，由于低粘度液体中，液体粘滞阻力很小，小球下落速度很快，无法准确计算下落速度，因此该方法对于低粘度样品本难以准确应用。而目前采用落球法测试粘度时，普遍采用手控或自控计时来测定小球匀速下落的速度，这就要求小球的下落速度尽可能的慢，也要求小球的直径尽可能小，待测液体的粘度要尽可能大，这就给落球法测液体粘度带来了许多限制条件。

为提高落球法检测粘度的测量范围和检测精度，行业内尝试了很多研究方向和方法，但主要还是基于对落球的自动释放以及通过传感器对落球下落时间进行自控计时，如专利申请号：200720040115，申请日：2007年6月28日，名称为：一种感应式落球法液体粘度测定仪，该申请案采用将金属小球依次穿过两个安装在刻度线位置的感应线圈来自控计时实现对粘度的检测，只是对落球时间实现了自控计时；如专利申请号：94227041X，申请日：1994年1月14日，名称为：光电落球粘度计，该申请案采用电磁释放金属球以及光电感应小球通过上下刻度线自控计时实现对粘度的检测，该申请案只是对落球释放和落球时间实现了自控计时；如专利申请号：2014106708856，申请日2014年11月21日，名称为：一种基于落球的液体粘度测量方法，采用机械滑轮组通过引线和外配来减缓小球落球的速度，实现对粘度的检测，该申请案采用附加装置对垂直下落的小球施加了一个向上的拉力，减缓小球的下落速度，但该附加装置体积大操作复杂，改变了落球法简单易行的初衷，不适合普及，并且对粘度的测量范围和精度贡献很小。

其次，经检索，专利申请号：2014106163394，申请日：2014年11月4，名称为：液体粘度密度在线检测探头，该申请案采用电磁线圈通电产生磁力的方式，实现对导磁材料制作的运动浮子的驱动，以实现液体粘度和密度的测量；这是一种由电能产生磁力的方法，对运动浮子重量以及用于产生磁力的线圈供电功率之间的平衡要求较为苛刻，需要复杂的控制电路以及配套传感器来实现，因此结构复杂，操作难度大；同时，由于电磁方法产生的磁力随着磁力线发散距离的增加而指数下降，而对于高粘度测量又需要很大的磁力来吸引运动浮子，庞大的线圈设置和较大的供电功率使得该申请案的测量装置得不偿失，因此该申请案只方便对低粘度油液进行测量，适用范围较窄。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中液体粘度测量操作不便、检测准确度不高的不足，提供了一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置及其检测方法，本发明的检测装置利用磁性物体在金属管内自由下落，根据楞次定律，管内会产生电磁阻力，减缓磁性物体在液体中自由下落运动的速度，并使下落中的磁性物体快速达到匀速状态；本发明的检测方法克服了目前落球法测试粘度的诸多限制，可适用于测量低粘度样品并提高测试精度，而且不受液体透光程度的影响，本发明的检测方法还继承了落球法结构简单、成本低、可靠性高、安装操作方便等优点，在粘度检测中有着广泛的应用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，包括外管，外管内开设有内腔，内腔的底部通过下堵头封闭，内腔中盛放待测液体，磁性体从内腔顶部在待测液体中自由下落。

更进一步地，外管为含有金属或安装有金属部件的筒状管，外管的金属或金属部件之间形成闭合回路。

更进一步地，磁性体沿自由下落重力垂直方向的最大尺寸小于外管的内径。

更进一步地，磁性体为具有回转轴线的对称形结构。

更进一步地，磁性体为球体或圆柱体或椭圆体结构。

更进一步地，外管的外壁上分别标识有上刻度线和下刻度线，上刻度线处设有上触发装置，下刻度线处设置有下触发装置，上触发装置和下触发装置分别与第一控制器相连，磁性体从内腔中自由下落时分别触发上触发装置和下触发装置。

更进一步地，上触发装置和下触发装置为用于判断状态的装置，包括干簧管、磁性触发电极、导磁性金属弹簧开关、薄膜开关、接近传感器、电磁线圈和电感传感器。

更进一步地，还包括第二控制器，第二控制器与外管形成的闭合回路相连，并用于检测该闭合回路中产生的感应电流。

更进一步地，内腔中还设有温度传感器，温度传感器用于检测待测液体温度。

本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测方法，采用上述的检测装置进行检测，包括以下步骤：

步骤一、将外管的底部通过下堵头封闭，并在内腔中盛放待测液体；

步骤二、使磁性体从内腔顶部在待测液体中自由下落；

步骤三、在磁性体自由下落过程中，通过检测外管形成的闭合回路产生的感应电流或通过检测磁性体的运动速度，进一步计算待测液体的粘度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，外管为含有金属或安装有金属部件的筒状管，磁性体在外管中下落时将产生感应电动势并对磁性体产生电磁阻力，电磁阻力的出现和快速增加大大减缓了磁性体的下落速度，并减少磁性体达到匀速的时间，使磁性体快速达到匀速状态，由此增加测量范围和测量精度，且结构简单，使用方便。

(2)本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，外管的金属或金属部件之间形成闭合回路，通过检测该闭合回路中产生的感应电流即可进一步计算被测液体粘度，剔除了刻度线位置测量的麻烦；同时也不需要安装触发装置，使得结构更加简单，可靠。

(3)本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，对磁性体和外管并无苛刻要求限制，结构简单，适宜推广。

(4)本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测方法，可以适用于对低粘度液体的检测，对待测液体的颜色没有限制，适用范围和检测精度都有所提高。

附图说明

图1为本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置的结构示意图；

图2为本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置的结构示意图；

图3为本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置的结构示意图；

图4为本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置的结构示意图。

示意图中的标号说明：1、外管；2、内腔；3、上堵头；4、磁性体；5、上刻度线；6、上触发装置；7、第一控制器；8、下刻度线；9、下触发装置；10、温度传感器；11、下堵头；12、螺旋线圈；13、框架；14、第二控制器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，包括外管1，外管1内开设有内腔2，内腔2的底部通过下堵头11封闭，内腔2中用于盛放待测液体，磁性体4从内腔2顶部在待测液体中自由下落，其中外管1为含有金属或安装有金属部件的筒状管，外管1的金属或金属部件之间形成闭合回路，该装置使用时按照以下步骤进行检测：

步骤一、将外管1的底部通过下堵头11封闭，并在内腔2中盛放待测液体；

步骤二、使磁性体4从内腔2顶部在待测液体中自由下落；

步骤三、在磁性体4自由下落过程中，通过检测外管1形成的闭合回路产生的感应电流或通过检测磁性体4的运动速度，即可进一步计算待测液体的粘度。下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图2所示，本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，包括外管1，外管1内开设有内腔2，内腔2中盛放有待测液体，内腔2的底部通过下堵头11封闭，内腔2的顶部通过上堵头3封闭；内腔2中放置有磁性体4，外管1的外壁上分别标识有上刻度线5和下刻度线8，上刻度线5处设有上触发装置6，下刻度线8处设置有下触发装置9，上触发装置6和下触发装置9分别与第一控制器7相连，磁性体4从内腔2中自由下落经过上刻度线5和下刻度线8时分别触发上触发装置6和下触发装置9，上触发装置6和下触发装置9分别向第一控制器7发送信号，第一控制器7接收信号并记录磁性体4通过上刻度线5和下刻度线8时的时间，结合上刻度线5和下刻度线8之间的间距可以计算出磁性体4在此间距内匀速下降的速度，再进一步进行液体粘度的计算。其中第一控制器7的选择与设置均属于行业内公知技术，在此不再赘述。

需要说明的是，外管1为含有金属或安装有金属部件的筒状管，外管1的金属或金属部件形成闭合回路，实际应用中可灵活采用多种结构形式，包括将外管1直接设置为金属或含金属管，或将外管1设置为含有金属或安装有金属部件的非金属管，或将外管1设置为外圈缠绕有螺旋线圈12(金属部件)的非金属管等，使外管1能形成闭合回路即可，在此不再一一穷举。如图2所示，外管1采用金属管，具体可使用非铁磁性和弱磁性材料的金属导体材料，如铜管、铝管等；上触发装置6和下触发装置9为用于判断状态的装置，具体可采用干簧管；磁性体4为沿自由下落重力垂直方向的最大尺寸小于外管1内径的任意形状结构，优选为具有回转轴线的对称形结构，本实施例可采用球体结构。

使用本实施例的检测装置进行检测时，具体检测方法如下：

步骤一、在外管1的内腔2中盛放待测液体，外管1的底端通过下堵头11封闭，为便于测量，外管1的顶端通过上堵头3封闭，用于密封待测液体，磁性体4放于内腔2中；

步骤二、使磁性体4在待测液体中自由下落；具体使用时，可将外管1底端朝上、顶端朝下先颠倒放置进行上堵头3、磁性体4和下堵头11的安装，然后将安装好的外管1快速倒立，则磁性体4从顶部开始自由落体运动；也可利用电磁装置或机械装置辅助释放实现磁性体4的自由下落，行业内有多种辅助下落装置在此不再详述；

步骤三、磁性体4通过上刻度线5位置时触发上触发装置6，上触发装置6向第一控制器7发送信号，第一控制器7记录磁性体4通过上刻度线5时的时间T1；

步骤四、磁性体4继续下落，通过下刻度线8位置时触发下触发装置9，下触发装置9向第一控制器7发送信号，第一控制器7记录磁性体4通过下刻度线8时的时间T2；

步骤五、根据磁性体4通过上刻度线5和下刻度线8之间的距离L、时间差ΔT＝T2-T1，进一步计算待测液体的粘度。

该检测方法的原理是：当轴对称结构的磁性体4自由落体通过比自身外形尺寸稍大的金属外管1时，外管1的金属壁将产生感应电动势，筒状的金属外管1形成闭合回路，感应电动势驱使电子流动，形成感应电流，感应电流的磁场对自由下落的磁性体4产生阻力作用，磁性体4在外管1中下落时，将快速达到恒定速度，并保持该速度匀速下落，且下落方向基本保持与重心方向一致，与外管1共轴，该匀速下降速度v＝L/ΔT。

粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示，由于粘度的作用，使物体在流体中运动时受到流动阻力，当半径为r、质量为m、体积为V的球体磁性体4，以速度v在均匀宽广的液体中运动时，磁性体4受到的液体粘滞阻力F＝6πηυr，其中η即为待测液体的粘度。本实施例的磁性体4在待测液体中匀速下落的受力关系为：受到向下的重力mg、向上的液体浮力ρVg、向上的液体粘滞阻力F＝6πηυr和向上的电磁阻力F_Z共同作用且保持平衡，即mg＝ρVg+F_Z+6πηνr，由此可以进一步计算出待测液体的粘度η。其中电磁阻力F_Z的计算属于公知技术，与磁性体4质量、形状尺寸、外管1直径、外管1材料电阻率等有关，在此不再详述。

本实施例中磁性体4开始下落时，速度较小，液体粘滞阻力和电磁阻力都较小，磁性体4作加速度下降，随着下落速度增加，液体粘滞阻力和电磁阻力逐渐增加，最终速度达到一定值时液体粘滞阻力、电磁阻力、液体浮力与重力平衡，磁性体4开始匀速下落，并保持匀速v逐渐通过上刻度线5和下刻度线8。本实施例中电磁阻力的出现和快速增加大大减缓了磁性体4的下落速度，并减少磁性体4达到匀速的时间，使磁性体4快速达到匀速状态，由此增加测量范围和测量精度，且结构简单，使用方便。

本实施例实际操作时根据磁性体4的匀速运动区间确定上刻度线5和下刻度线8的位置，该匀速运动区间可通过多点位置检测予以确定，保障磁性体4在上刻度线5和下刻度线8之间保持匀速下落；其次，上刻度线5距离外管1顶端的长度大于外管1长度的1/10，从而克服边际影响，进一步保障检测精度。还需要说明的是，生产实践中磁性体4的速度检测方法丰富多样，可以根据现场环境灵活调整，仍可采用手控或自控计时方式等。

本实施例的检测方法操作简单，易于施行，还可以适用于对低粘度液体的检测，对待测液体的颜色没有限制，适用范围和检测精度都有所提高。

实施例2

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本结构同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用磁性触发电极；磁性体4为圆柱体结构；其次，本实施例中的外管1为外周缠绕有螺旋线圈12的非金属管，螺旋线圈12形成闭合回路，同理，当磁性体4在外管1内下落时，螺旋线圈12将产生感应电动势，且螺旋线圈12形成闭合回路，感应电动势驱使电子流动形成感应电流，感应电流的磁场对自由下落的磁性体4产生阻力作用，使其快速达到恒定速度并保持匀速下落。采用与实施例1相同的检测方式即可计算出待测液体的粘度。

实施例3

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用导磁性金属弹簧开关；磁性体4为椭圆体结构；外管1为安装有金属部件的非金属管；其次，本实施例的检测装置还包括框架13，框架13内设有至少两个外管1，如图3所示为两个外管1并联安装，同样地，每个外管1上均标识有上刻度线5和下刻度线8，并对应设有上触发装置6和下触发装置9，每个外管1上的上触发装置6和下触发装置9分别与同一个第一控制器7相连。本实施例采用双侧外管1进行粘度测试，既可以对不同的液体粘度进行同时检测，也可以对同一液体粘度进行对比测试，减少背景(如温度、振动等)扰动影响，进一步保障检测准确性。

实施例4

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用薄膜开关；其次，本实施例中内腔2中还设有温度传感器10，具体地温度传感器10可设于下堵头11上并与第一控制器7相连。温度传感器10用于对待测液体温度进行实时检测，实际应用中液体的粘度随温度变化，同时辅助以液体温度的测量，更便于进行数据对比和分析，对实际应用更有指导意义。

实施例5

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用接近传感器。

实施例6

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用电磁线圈。

实施例7

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中上触发装置6和下触发装置9均采用电感传感器。

实施例8

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，包括外管1，外管1内开设有内腔2，内腔2中盛放待测液体，内腔2的底部通过下堵头11封闭，外管1形成闭合回路(具体地，外管1可设为含有金属或安装有金属部件的筒状管，外管1的金属或金属部件形成闭合回路，实际应用中可灵活采用多种结构形式，包括将外管1直接设置为金属或含金属管，或将外管1设置为含有金属或安装有金属部件的非金属管，或将外管1设置为外圈缠绕有螺旋线圈12的非金属管等，使外管1能形成闭合回路即可，在此不再一一穷举)，内腔2中放置有磁性体4，第二控制器14与外管1形成的闭合回路相连，并用于检测该闭合回路中产生的感应电流。如图4所示，本实施例外管1采用外周缠绕有螺旋线圈12的非金属管，螺旋线圈12形成闭合回路，第二控制器14与螺旋线圈12形成的闭合回路相连，并用于检测该闭合回路中产生的感应电流，同理，磁性体4在外管1内下落时，螺旋线圈12将产生感应电动势，且螺旋线圈12形成闭合回路，感应电动势驱使电子流动形成感应电流，感应电流的磁场对自由下落的磁性体4产生阻力作用，使其快速达到恒定速度并保持匀速下落。

利用本实施例的检测装置，磁性体4在待测液体中自由下落时，可以通过测量闭合回路所产生的感应电流完成对液体粘度的测量，具体包括以下步骤：

步骤一、在外管1的内腔2中盛放待测液体，外管1的底部通过下堵头11封闭，外管1的顶部可通过上堵头3封闭对待测液体进行密封；

步骤二、使磁性体4在待测液体中自由下落；

步骤三、第二控制器14与外管1形成的闭合回路相连，并检测该闭合回路所产生的感应电流，根据测得的感应电流进一步计算待测液体的粘度。

本实施例的检测装置使用时，磁性体4在外管1内自由下落，螺旋线圈12产生感应电动势和感应电流，感应电流的磁场对磁性体4产生阻力作用，随着下落速度增加，感应电流随之增加，当感应电流达到一定值时，重力mg、液体浮力ρVg、液体粘滞阻力F＝6πηυr和电磁阻力F_Z共同作用保持平衡，根据磁性体4匀速下落的速度可以进一步计算出被测液体的粘度，而当检测装置的一切结构尺寸确定时，磁性体4匀速下落的速度即反应为感应电流达到的恒定值，因此通过测量外管1产生的感应电流达到最大恒定状态下的电流值即可进一步计算出被测液体的粘度。本实施例通过检测感应电流来计算粘度，剔除了刻度线测量的麻烦，也无需安装触发装置，结构更为简单，使用更为便捷。

实施例9

本实施例的一种基于落磁法检测液体粘度的检测装置，基本同实施例8，所不同的是，本实施例中外管1为金属筒状管，外管1形成闭合回路，外管1上仍无需设置刻度线和触发装置，第二控制器14连接在外管1形成的闭合回路上，通过检测该闭合回路产生的感应电流值进一步计算待测液体粘度；同理，本实施例内腔2中还设有用于检测检测液体温度的温度传感器10。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于落磁法检测液体粘度的检测方法，其特征在于：采用检测装置，按照以下步骤进行：

步骤一、将外管(1)的底部通过下堵头(11)封闭，并在内腔(2)中盛放待测液体；

步骤二、使磁性体(4)从内腔(2)顶部在待测液体中自由下落；

步骤三、在磁性体(4)自由下落过程中，通过检测外管(1)形成的闭合回路产生的感应电流，进一步计算待测液体的粘度；

所述的检测装置包括外管(1)和第二控制器(14)，外管(1)为外周缠绕有螺旋线圈(12)的非金属管，螺旋线圈(12)形成闭合回路，外管(1)内开设有内腔(2)，内腔(2)的底部通过下堵头(11)封闭，内腔(2)中盛放待测液体，磁性体(4)从内腔(2)顶部在待测液体中自由下落；第二控制器(14)与螺旋线圈(12)形成的闭合回路相连，并用于检测该闭合回路中产生的感应电流。