CN108007824A - 一种流体粘度测量装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种流体粘度测量装置及测试方法，所述装置包括机架、驱动机构、扭矩耦合器、力传递机构、盛放机构和控制器，驱动机构、扭矩耦合器以及力传递机构装在机架上，驱动机构的动力输出端通过第一联轴器与所述扭矩耦合器的动力输入端相连，所述扭矩耦合器的动力输出端通过第二联轴器与所述传递单元的动力输入端相连，所述力传递机构的动力输出端伸入盛放机构内部；所述方法包括：设定好驱动机构的转速，使其输出稳定的旋转驱动力；从扭矩耦合器上测定空转时的扭矩M；在盛放机构内灌注待测流体，待测流体的液面刚好没过下转子；从扭矩耦合器上测定扭矩M'；根据公式计算待测流体的粘度：本发明有益效果是：可简便的更换流体以快速测量多种流体粘度。

Description

一种流体粘度测量装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种流体粘度测量装置及测试方法。

背景技术

流体的粘性是指在流体运动时内部各微团或流层之间由于具有相对运动而产生内摩擦力以阻止流体做相对运动的性质。很明显的是，所有的流体都是具有粘性的。其粘性的大小可以通过不同流体抵抗相对运动的能力的不同体现出来，粘性是实际流体的固有属性，它将直接影响到流体抵抗相对运动的能力，也影响到流体的流动和传热性能。粘度值是评价现代工业生产过程中质量及最终产品性质的一个标准，是检测油品好坏的重要参数。内燃机及喷气发动机燃料的汽化性能、锅炉用燃料雾化的好坏均直接与油品的粘度有关，并且油品的输送性能也与粘度有密切关系。由于粘度在油品实际应用中如此重要，因此不少油品，例如重质燃料油、某些润滑油等都以粘度作为其好坏的依据。如果重质燃料油粘度太大，启动泵送和喷嘴都十分困难，而且极易发生回火。而且粘度也影响喷嘴的雾化效果。如果重质燃料油到达喷嘴尖端时粘度不适，就会造成雾化不良，喷嘴尖端结焦、炉墙积炭，造成燃烧不良。重质燃料油的粘度随温度的升高而急剧降低，因此，可用加热方法降低使重质燃料油的粘度，使其易于输送和雾化。因此现代工业对流体粘度检测有了广泛的需求，也因此产生了不同类型的粘度检测设备，早期的粘度大多是离线式测量。为了保证测量精度，通常会有相应的恒温装置，但这样就会造成装置整体体积很大。目前，传统的粘度测量装置测量时间长、操作复杂，已经不能满足现代化的生产需求。现代的粘度测量装置需要具备测量时间短、操作简便、数据精度高等特性。

因此，丰富和发展流体粘度检测理论与技术、开发能够实现上述检测需求的粘度检测方法与仪器，对满足现代工业对流体粘度检测具有重要意义。当流体与浸没在其中的物体有相对转动时，物体将会受到来自流体的阻力矩，使得物体改变原来的转速或转矩。旋转法就是通过测量相对流体旋转的物体所受到的粘性力矩以及物体的转速来确定流体的粘度值。基于旋转法的粘度检测仪器由于可以在不同的剪切速率下对同一流体进行测量，因而广泛的用于牛顿型液体的绝对粘度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快速、准确且简便测量流体粘度的装置，其特点为，可以简便的更换流体以快速测量多种流体粘度，通过扭矩耦合器准确测量扭矩，并通过信号变送器传送至控制器以准确计算出流体粘度。

本发明所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：包括用于支撑的机架、用于提供旋转驱动力的驱动机构、用于测量扭矩的扭矩耦合器、用于传递旋转力的力传递机构、用于盛装待测流体的盛放机构和控制器，所述驱动机构、所述扭矩耦合器以及力传递机构装在所述机架上，所述驱动机构的动力输出端通过第一联轴器与所述扭矩耦合器的动力输入端相连，所述扭矩耦合器的动力输出端通过第二联轴器与所述传递单元的动力输入端相连，所述力传递机构的动力输出端伸入所述盛放机构内部；

所述驱动机构、所述扭矩耦合器水平同轴布置，定义二者重合的中心轴为测量装置的中心轴；

所述力传递机构包括作为动力输入端并用于传递水平驱动力的主动轴、用于支撑主动轴的主动轴支撑机构、用于将水平方向旋转运动转换为竖直方向旋转运动传递旋转力的锥齿轮组件、作为动力输出端并产生竖直旋转运动的从动轴、用于安装从动轴的从动轴支撑机构以及用于搅动盛放机构内待测流体的转子，所述主动轴通过主动轴支撑机构水平支撑沿测量装置的轴向水平架设在所述机架上，所述主动轴的动力输入端通过第二联轴器与所述扭矩耦合器的动力输出端相连，所述主动轴的动力输出端通过锥齿轮组件与所述从动轴的动力输入端相连；所述从动轴垂直装在所述锥齿轮组件底部的从动轴支撑机构上，并且二者转动连接；所述从动轴的动力输出端固装转子；

所述盛放机构包括用于盛放流体的容器和容器端盖，所述容器上端敞口，其内腔为圆柱体，所述容器侧壁设有输液孔、出液孔和液位指示器，所述输液孔和出液孔都配有相应的封堵螺栓；所述容器端盖与所述容器的上端密封拆卸式连接；所述容器端盖中心设有用于插入从动轴的贯通孔，所述从动轴的动力输出端插入贯通孔后安装转子，且所述转子的外壁与所述内腔的壁面之间留有均匀的间隙；所述从动轴与所述容器端盖密封转动连接，驱动转子绕其自身中心轴作周向旋转运动；

所述控制器包括信号采集器、信号传输器、信号处理器、信号存储器以及人机交互界面，所述液位指示器的信号输出端、所述扭矩耦合器的信号输出端通过信号变送器与所述信号采集器的信号输入端信号连接，所述信号采集器的信号输出端与所述信号传输器的信号输入端电连，所述信号传输器的信号输出端与所述信号处理器的信号输入端电连，所述信号处理器的信号输入端分别与所述驱动机构的控制端、所述扭矩耦合器的控制端电连；所述信号处理器的信号传输端口与所述人机交互界面的信号传输端口相连，实现二者的双向通信。

所述锥齿轮组件包括齿轮箱、主动锥齿轮、从动锥齿轮和齿轮箱端盖，所述齿轮箱的敞口处密封拆卸式固装齿轮箱端盖，二者围成用于容纳主动锥齿轮和从动锥齿轮的容腔，其中所述齿轮箱一侧壁上设有一个供主动轴贯穿的第一安装通孔，该侧壁与主动轴支撑机构一端固装，而主动轴伸入齿轮箱容腔的动力输出端键连接主动锥齿轮；齿轮箱的底板与从动轴支撑机构上端固接，从动轴的上端从齿轮箱底板的第二安装通孔贯穿伸入齿轮箱容腔内，二者通过嵌装在第二安装通孔处的轴承转动连接，使得从动轴绕自身中心轴周向旋转，而从动轴伸入齿轮箱容腔的动力输入端键连接从动锥齿轮，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，实现动力从主动轴到从动轴的传递。

主动锥齿轮中心轴与从动锥齿轮中心轴夹角为90°。

所述主动轴支撑机构包括第一安装座、主动轴轴承支架和主动轴轴承端盖，所述第一安装座底部固装在机架上，上部固装主动轴轴承支架，并保持主动轴轴承支架中心轴与测量装置的中心轴重合；主动轴轴承支架两端敞口，且主动轴轴承支架的一端固装主动轴轴承端盖，另一端与齿轮箱一侧壁固接；主动轴轴承端盖固装在靠近扭矩耦合器一侧的端部，主动轴轴承支架内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑主动轴的第一轴承；主动轴通过第一轴承与主动轴轴承支架转动连接，实现主动轴绕自身中心轴周向旋转；所述主动轴的动力输入端从主动轴轴承端盖中心通孔伸出后通过第二联轴器与扭矩耦合器的动力输出端相连，主动轴的动力输出端从主动轴轴承支架敞口伸出后伸入齿轮箱容腔内。

主动轴轴承支架内壁两端各安装一个用于支撑主动轴的轴承第一安装通孔处嵌装用于支撑主动轴的第一轴承，第一轴承的外圈与主动轴轴承支架内壁过盈配合，内圈与插入其内的主动轴过盈配合，使得主动轴绕自身中心轴周向旋转，其中主动轴动力输出端的第一轴承通过主动轴轴承支架的定位凸肩以及套在主动轴上的第一套筒实现轴向定位，而主动轴动力输入端的第一轴承通过主动轴轴承支架的定位凸肩以及主动轴轴承端盖实现轴向定位；所述主动轴轴承端盖的中心孔处嵌装主动轴密封圈。

所述从动轴支撑机构包括从动轴轴承支架和从动轴轴承端盖，从动轴轴承支架的两端敞口，所述从动轴轴承支架的上部与齿轮箱底板固接，从动轴轴承端盖固装在从动轴轴承支架底部敞口处，从动轴轴承支架内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑从动轴的第二轴承，第二轴承的外圈与从动轴轴承支架内壁过盈配合，内圈与插入其内的从动轴过盈配合，使得从动轴绕自身垂直布置的中心轴周向旋转；所述从动轴的动力输出端依次贯穿从动轴轴承端盖中心通孔、容器端盖贯通孔后伸入容器内腔，并在其末端键连接转子；所述从动轴轴承端盖的中心孔处嵌装从动轴密封圈。

所述从动轴轴承支架内壁两端部各安装一个用于支撑从动轴的第二轴承，从动轴的动力输出端的第二轴承通过从动轴轴承端盖和从动轴轴承支架凸肩实现其轴向定位；从动轴动力输入端的第二轴承通过套在从动轴上的第二套筒实现轴向定位。

所述转子包括用于与从动轴固接的上转子和用于与待测流体接触的下转子，所述上转子与伸入容器内腔的从动轴动力输出端螺接，且旋转方向与螺纹方向相反；下转子与上转子底部固接，并且下转子的外壁与容器内壁之间留有均匀的间隙。

所述第一联轴器为弹性柱销联轴器，第二联轴器为梅花联轴器。

根据本发明所述的一种流体粘度测量装置的测试方法，包括以下步骤：

1)设定好驱动机构的转速，使其输出稳定的旋转驱动力，从而使得动力依次从主动轴、从动轴传递至转子处；

2)从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取空转时的扭矩M；

3)关闭驱动机构，然后在盛放机构内灌注待测流体，其中待测流体的液面刚好没过下转子；

4)开启驱动机构，同时从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取扭矩M'；

5)关闭驱动机构后，根据公式计算待测流体的粘度：

其中：η为待测流体粘度，单位：Pa·s；M为空转时驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；M'为灌注待测流体后驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；ω为驱动机构的从动轴的旋转角速度，单位：rad·s^-1；h为下转子的浸入深度，单位为m；R_i为下转子的半径，单位为m；R_a为容器内腔半径，单位为m；

6)放空盛放机构内的待测流体，试验结束。

本发明选用自由旋转法来实现液体粘度的测量，自由旋转法是一种基于旋转法的测量方法，将与转筒同轴的电机在旋转角速度达到设定值的情况下切断其供电电源使转筒在被测液中自由旋转，通过测量电机的恒定转速和电机减速时间来计算粘度值的一种测量方法。下面使用圆筒式结构就旋转法推导出自由旋转法的过程加以详细说明。

圆筒式粘度测量机构的基本形式如图1所示，液体装在圆筒间隙中，内筒半径为R_i(m)(本装置中相当于下转子的半径)，外筒半径为R_a(m)(本装置中相当于容器内腔的半径)，浸入深度为h(m)(本装置中相当于下转子的浸入深度)，内圆筒以一定角速度ω_i(rad·s^-1),相对于外圆筒旋转,此时间隙内液体作纯剪切的库埃塔流动，测量圆筒的旋转角速度ω_i，及偏转力矩M(N·m)可计算流体的粘度及其它参数。

对于层流流动的牛顿流体，在环形间隙中半径为r(m)处液体的角速度为线速度为v＝ωr，在r+dr处液体线速度为(dv,dω,dr为微积分方法中相应变量的极小增量)：

v+dv＝(ω+dω)(r+dr) (1)

故，速度梯度为：

对于旋转运动，这里假设r＝R_i,ω＝ω_i,ω(rad·s^-1)是刚体旋转角速度，其不产生任何剪切运动，对剪切速率的贡献为0,因此剪切速率D(rad·s^-1)可表示如下：

在半径为r与r+dr的两圆筒液层间单位面积的剪切应力τ(N·m^-2)为：

根据牛顿粘性定律τ＝ηD,得到流体的动力粘度η(Pa·s)表达式如下：

故可以归纳出一个测量液体粘度的通用公式，可表示为：

式中：常系数与内、外圆筒尺寸以及内筒浸入深度等仪器常数有关；ω为电机旋转角速度，可以由电机转数n求得，因为测试部分的旋转轴与电机同轴转动，故可以用ω代替刚体的旋转轴的旋转角速度ω_i。

为了使测试结果更加准确，使测试部分空转，测得此时的力矩M’,这就是测试部分负载的齿轮组由于机械摩擦所不可避免而产生的力矩。所以，最后的测量液体粘度的公式为：

式中，只有M，即待测流体力矩是在试验过程中测得，而其他参数均为装置自带参数，故可以尽可能的减小测量的误差。

对于非牛顿流体，同样满足上式对流体粘度的定义。对非牛顿流体测得的是表观黏度μ_a(Pa·s)，并可根据测得的表观黏度计算非牛顿流体的各种特征。

驱动机构为电动机，作为动力来源，电动机的输出轴通过弹性柱销联轴器与扭矩耦合器相连，是因为弹性柱销联轴器该联轴器结构简单，容易制造，装拆更换弹性元件比较方便，不用移动两联轴器。扭矩耦合器另一端通过梅花型联轴器与主动轴相连，完成整个装置的动力部分，并通过扭矩耦合器测量电机端与试验端扭矩的不同以测量待测流体的粘度。

锥齿轮组件是为了取消卧式电机所提供的动力，与立式的粘度测量机构在方向上的不同，通过配合的锥齿轮，可以将水平方向旋转的动力转变为竖直方向旋转的动力。所述锥齿轮组的主动锥齿轮通过沉头螺母固定在主动轴的轴端，并通过键连接与主动轴同轴旋转，而主动轴通过相应的第一轴承、第一安装座、主动轴轴承端盖提供支撑，并在主动轴轴承端盖部分安装密封圈，主动轴用于安装锥齿轮动力输出端插入齿轮箱。此外，齿轮箱与主动轴轴承支座通过螺钉固接，第一安装座、扭矩耦合器、电机均固定在机架的试验台上，以提供所需的固定和支撑。

所述锥齿轮组件的主动锥齿轮，从动轴一端与从动锥齿轮通过沉头螺母和键连接实现固定和同轴旋转，另一端与转子上部通过螺纹连接，实现共同旋转。而从动轴的主体部分则由从动轴轴承、第二安装座和从动轴轴承端盖提供固定支撑，所述的第二安装座通过螺栓固定在齿轮箱上。

所述的与流体相对运动的转子分为上下两部分，上转子与从动轴通过螺纹连接，并随从动轴旋转。上转子与下转子通过螺钉连接，实现转子的一体化，通过联轴器、主动轴、锥齿轮组合从动轴，最终将电机的动力传至转子，并通过扭矩耦合器测量空转力矩和流体力矩的扭矩差，以测量流体粘度。从动轴穿过与之配合的容器端盖将转子沉入流体容器，所述容器是盛装待测流体的容器，其上有输液孔和出液孔，并可以与流体容器端盖通过螺钉装配实现密闭。

当测量流体粘度的时候旋下输液孔的螺母，将待测流体输入流体容器，直至没过下转子，旋上输液孔的螺母。开启电机，当转子处于高速旋转状态时，待测流体附加在转子表面的正压力会产生阻止转子旋转的摩擦阻力，摩擦阻力以扭矩的形式经由轴传递至扭矩信号耦合器中，通过信号变送器将扭矩大小反应出来，在通过计算即可得到流体的粘度。由于液体的粘度无法直接测量，因此本设计选择测量扭矩作为测量阻力的度量，将流体作用于转子上的阻力转化为扭矩来进行测量。在对扭矩数据进行采集时，可将扭矩信号耦合器一端通过键固定在键槽板上，另一端通过联轴器连接在扭矩输出轴上，将扭矩信号耦合器所测得的数值作为试验数据，并予以记录。测试完一组数据后，可以将输液孔、出液孔的螺母旋下，清空流体容器内部的流体，并通入清水进行清洗，清洗干净后即可进行下一组测试。

本发明的有益效果是：能够快速、准确且简便测量流体粘度的装置，可以简便的更换流体以快速测量多种流体粘度，通过扭矩耦合器准确测量扭矩，并通过信号变送器传送至计算机以准确计算出流体粘度；而且将水平的驱动力转换为垂直的驱动力，取消了卧式电机所提供的动力，与立式的粘度测量机构在方向上的不同，使得测量更加准确。

附图说明

图1是粘度测试示意图。

图2是本发明的结构图。

图3是本发明的控制流程图，此处的负载为转子。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种流体粘度测量装置，包括用于支撑的机架29、用于提供旋转驱动力的驱动机构、用于测量扭矩的扭矩耦合器、用于传递旋转力的力传递机构、用于盛装待测流体的盛放机构和控制器，所述驱动机构、所述扭矩耦合器以及力传递机构装在所述机架上，所述驱动机构的动力输出端通过第一联轴器26与所述扭矩耦合器25的动力输入端相连，所述扭矩耦合器25的动力输出端通过第二联轴器24与所述传递单元的动力输入端相连，所述力传递机构的动力输出端伸入所述盛放机构内部；

所述驱动机构1、所述扭矩耦合器25水平同轴布置，定义二者重合的中心轴为测量装置的中心轴；

所述力传递机构包括作为动力输入端并用于传递水平驱动力的主动轴19、用于支撑主动轴的主动轴支撑机构、用于将水平方向旋转运动转换为竖直方向旋转运动传递旋转力的锥齿轮组件、作为动力输出端并产生竖直旋转运动的从动轴6、用于安装从动轴的从动轴支撑机构以及用于搅动盛放机构内待测流体的转子，所述主动轴19通过主动轴支撑机构水平支撑沿测量装置的轴向水平架设在所述机架上，所述主动轴19的动力输入端通过第二联轴器24与所述扭矩耦合器25的动力输出端相连，所述主动轴19的动力输出端通过锥齿轮组件与所述从动轴6的动力输入端相连；所述从动轴6垂直装在所述锥齿轮组件底部的从动轴支撑机构上，并且二者转动连接；所述从动轴6的动力输出端固装转子；

所述盛放机构置于试验地面之上，所述盛放机构包括用于盛放流体的容器1和容器端盖7，所述容器1上端敞口，其内腔为圆柱体，所述容器1侧壁设有输液孔5、出液孔3和液位指示器，所述输液孔5和出液孔3都配有相应的封堵螺栓，所述输液孔5和出液孔3处配置的封堵螺栓为耐腐蚀性、密闭性良好的不锈钢螺栓，并配以垫片实现密封，可以通过旋上旋下以快速输入输出待测流体，并可以通过注入清水以实现简便快捷的清洗；所述容器端盖7与所述容器1的上端密封拆卸式连接；所述容器端盖7中心设有用于插入从动轴6的贯通孔，所述从动轴6的动力输出端插入贯通孔后安装转子，且所述转子的外壁与所述内腔的壁面之间留有均匀的间隙；所述从动轴6与所述容器端盖7密封转动连接，驱动转子绕其自身中心轴作周向旋转运动；

所述控制器包括信号采集器、信号传输器、信号处理器、信号存储器以及人机交互界面，所述液位指示器的信号输出端、所述扭矩耦合器的信号输出端通过信号变送器与所述信号采集器的信号输入端信号连接，所述信号采集器的信号输出端与所述信号传输器的信号输入端电连，所述信号传输器的信号输出端与所述信号处理器的信号输入端电连，所述信号处理器的信号输入端分别与所述驱动机构的控制端、所述扭矩耦合器的控制端电连；所述信号处理器的信号传输端口与所述人机交互界面的信号传输端口相连，实现二者的双向通信。

所述锥齿轮组件包括齿轮箱13、主动锥齿轮16、从动锥齿轮15和齿轮箱端盖14，所述齿轮箱13的敞口处密封拆卸式固装齿轮箱端盖14，二者围成用于容纳主动锥齿轮16和从动锥齿轮15的容腔，其中所述齿轮箱13一侧壁上设有一个供主动轴贯穿的第一安装通孔，该侧壁与主动轴支撑机构一端固装，而主动轴19伸入齿轮箱容腔的动力输出端通过连接键17与主动锥齿轮连接；齿轮箱13的底板与从动轴支撑机构上端固接，从动轴6的上端从齿轮箱13底板的第二安装通孔贯穿伸入齿轮箱13容腔内，二者通过嵌装在第二安装通孔处的轴承转动连接，使得从动轴绕自身中心轴周向旋转，而从动轴伸入齿轮箱容腔的动力输入端键连接从动锥齿轮，主动锥齿轮16与从动锥齿轮15啮合，实现动力从主动轴到从动轴的传递。

主动锥齿轮16中心轴与从动锥齿轮15中心轴夹角为90°。

所述主动轴支撑机构包括第一安装座28、主动轴轴承支架20和主动轴轴承端盖22，所述第一安装座28底部固装在机架29上，上部固装主动轴轴承支架20，并保持主动轴轴承支架20中心轴与测量装置的中心轴重合；主动轴轴承支架20为两端敞口的圆筒结构，且主动轴轴承支架20的一端固装主动轴轴承端盖，另一端与齿轮箱13一侧壁固接；主动轴轴承端盖22固装在靠近扭矩耦合器25一侧的端部，主动轴轴承支架20内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑主动轴的第一轴承21；主动轴19通过第一轴承21与主动轴轴承支架转动连接，实现主动轴绕自身中心轴周向旋转；所述主动轴19的动力输入端从主动轴轴承端盖22中心通孔伸出后通过第二联轴器24与扭矩耦合器25的动力输出端相连，主动轴19的动力输出端从主动轴轴承支架20敞口伸出后伸入齿轮箱13容腔内。

主动轴轴承支架20内壁两端各安装一个用于支撑主动轴的第一轴承21，第一轴承21的外圈与主动轴轴承支架20内壁过盈配合，内圈与插入其内的主动轴19过盈配合，使得主动轴绕自身中心轴周向旋转，其中主动轴动力输出端的第一轴承通过主动轴轴承支架的定位凸肩以及套在主动轴上的第一套筒18实现轴向定位，而主动轴动力输入端的第一轴承通过主动轴轴承支架20的定位凸肩以及主动轴轴承端盖22实现轴向定位；所述主动轴轴承端盖22的中心孔处嵌装主动轴密封圈23。

所述从动轴支撑机构包括从动轴轴承支架12和从动轴轴承端盖9，从动轴轴承支架12为两端敞口的圆筒结构，所述从动轴轴承支架12的上部与齿轮箱13底板固接，从动轴轴承端盖9固装在从动轴轴承支架底部敞口处，从动轴轴承支架内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑从动轴的第二轴承11，第二轴承的外圈与从动轴轴承支架内壁过盈配合，内圈与插入其内的从动轴过盈配合，使得从动轴绕自身垂直布置的中心轴周向旋转；所述从动轴的动力输出端依次贯穿从动轴轴承端盖中心通孔、容器端盖贯通孔后伸入容器内腔，并在其末端键连接转子；所述从动轴轴承端盖的中心孔处嵌装从动轴密封圈10。

所述从动轴轴承支架12内壁两端部各安装一个用于支撑从动轴的第二轴承11，从动轴的动力输出端的第二轴承通过从动轴轴承端盖和从动轴轴承支架凸肩实现其轴向定位；从动轴动力输入端的第二轴承通过套在从动轴上的第二套筒实现轴向定位。

所述转子包括用于与从动轴固接的上转子4和用于与待测流体接触的下转子2，所述上转子4与伸入容器内腔的从动轴动力输出端螺接，且旋转方向与螺纹方向相反；下转子2与上转子4底部固接，并且下转子的外壁与容器内壁之间留有均匀的间隙；下转子2与待测流体接触，装置启动后与待测流体相对运动，并由于流体施加的正应力出现剪切力，产生与动力输入端不同的扭矩，以测量待测流体的粘度，因此，注入待测流体时，应观察液位指示器使液位刚好没过下转子2。上转子4下端通过沉头螺钉与转子下部配合连接，实现共同旋转，而上端与从动轴6通过螺纹连接，且旋转方向与螺纹方向相反，从而从动轴6和转子不会因为运行时的旋转而松弛脱落。

所述第一联轴器26为弹性柱销联轴器，第二联轴器24为梅花联轴器。

所述从动轴6一端连接转子，轴段通过从动轴的轴承支架12、从动轴轴承11和从动轴轴承端盖9，与从动锥齿轮通过沉头螺钉和键实现固定和同轴旋转。所述从动轴轴承11安装于从动轴轴承支架12内，后通过螺钉固定在齿轮箱13上，依次安装从动轴密封圈10和从动轴轴承端盖9，实现从动轴的固定和支撑。所述从动锥齿轮15与从动轴6通过沉头螺钉和套筒实现轴向的固定，通过键实现周向固定和同轴旋转，并且安装在齿轮箱13内，通过齿轮箱13的通孔，引出从动轴6。所述主动锥齿轮16与从动锥齿轮15配合，也通过沉头螺钉和套筒18与主动轴19实现轴向固定，通过键17实现与主动轴19同轴旋转，所述主动轴19一端连接主动锥齿轮16，另一端穿过齿轮箱13上的通孔引出，与扭矩测量部分连接。主动锥齿轮16和从动锥齿轮15准确配合之后，安装齿轮箱端盖14并通过螺钉固定。主动轴17一端连接主动锥齿轮16，通过齿轮箱13上的通孔，穿过主动轴轴承支架20，并通过轴肩与主动轴轴承21固定配合，安装主动轴轴承端盖22和主动轴密封圈23后，通过螺钉固定。此外，主动轴轴承支架20与支座焊接，支座安装在试验台上，实现整个动力传递部分的固定和支撑。

结合附图2，所述扭矩测量部分包括扭矩耦合器25，梅花联轴器24和弹性柱销联轴器26。所述扭矩耦合器25可以测量电机27输入的扭矩和试验部分输入的扭矩之间的差值M，通过信号变送器输送给计算机，代入流体的动力粘度表达式，即可求得待测流体的粘度。所述扭矩耦合器25与主动轴19通过梅花联轴器24连接，因为这里需要的联轴器暴露在环境中，因此选用结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查的梅花联轴器，同时梅花联轴器采用高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠。所述扭矩耦合器25与电机27通过弹性柱销联轴器，因为直接与电机27连接，所以不锈钢的弹性联轴器不仅耐腐蚀，同时也增加了扭矩承受能力和刚性，甚至能达到两倍于铝合金制同类产品。

当测试完当前的待测流体后，可以旋下出液孔螺钉3和输液孔螺钉5，放出待测流体，注入清水进行清洗，清洗完毕后，可以快速进行下一次的试验。

实施例2根据实施例1所述的一种流体粘度测量装置的测试方法，包括以下步骤：

1)设定好驱动机构的转速，使其输出稳定的旋转驱动力，从而使得动力依次从主动轴、从动轴传递至转子处；

2)从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取空转时的扭矩M；

3)关闭驱动机构，然后在盛放机构内灌注待测流体，其中待测流体的液面刚好没过下转子；

4)开启驱动机构，同时从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取扭矩M'；

5)关闭驱动机构后，根据公式计算待测流体的粘度：

其中：η为待测流体粘度，单位：Pa·s；M为空转时驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；M'为灌注待测流体后驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；ω为驱动机构的从动轴的旋转角速度，单位：rad·s^-1；h为下转子的浸入深度，单位为m；R_i为下转子的半径，单位为m；R_a为容器内腔半径，单位为m；

6)放空盛放机构内的待测流体，清洗容器内部，试验结束。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种流体粘度测量装置，其特征在于：包括用于支撑的机架、用于提供旋转驱动力的驱动机构、用于测量扭矩的扭矩耦合器、用于传递旋转力的力传递机构、用于盛装待测流体的盛放机构和控制器，所述驱动机构、所述扭矩耦合器以及力传递机构装在所述机架上，所述驱动机构的动力输出端通过第一联轴器与所述扭矩耦合器的动力输入端相连，所述扭矩耦合器的动力输出端通过第二联轴器与所述传递单元的动力输入端相连，所述力传递机构的动力输出端伸入所述盛放机构内部；

所述驱动机构、所述扭矩耦合器水平同轴布置，定义二者重合的中心轴为测量装置的中心轴；

所述力传递机构包括作为动力输入端并用于传递水平驱动力的主动轴、用于支撑主动轴的主动轴支撑机构、用于将水平方向旋转运动转换为竖直方向旋转运动传递旋转力的锥齿轮组件、作为动力输出端并产生竖直旋转运动的从动轴、用于安装从动轴的从动轴支撑机构以及用于搅动盛放机构内待测流体的转子，所述主动轴通过主动轴支撑机构水平支撑沿测量装置的轴向水平架设在所述机架上，所述主动轴的动力输入端通过第二联轴器与所述扭矩耦合器的动力输出端相连，所述主动轴的动力输出端通过锥齿轮组件与所述从动轴的动力输入端相连；所述从动轴垂直装在所述锥齿轮组件底部的从动轴支撑机构上，并且二者转动连接；所述从动轴的动力输出端固装转子；

所述盛放机构包括用于盛放流体的容器和容器端盖，所述容器上端敞口，其内腔为圆柱体，所述容器侧壁设有输液孔、出液孔和液位指示器，所述输液孔和出液孔都配有相应的封堵螺栓；所述容器端盖与所述容器的上端密封拆卸式连接；所述容器端盖中心设有用于插入从动轴的贯通孔，所述从动轴的动力输出端插入贯通孔后安装转子，且所述转子的外壁与所述内腔的壁面之间留有均匀的间隙；所述从动轴与所述容器端盖密封转动连接，驱动转子绕其自身中心轴作周向旋转运动；

所述控制器包括信号采集器、信号传输器、信号处理器、信号存储器以及人机交互界面，所述液位指示器的信号输出端、所述扭矩耦合器的信号输出端通过信号变送器与所述信号采集器的信号输入端信号连接，所述信号采集器的信号输出端与所述信号传输器的信号输入端电连，所述信号传输器的信号输出端与所述信号处理器的信号输入端电连，所述信号处理器的信号输入端分别与所述驱动机构的控制端、所述扭矩耦合器的控制端电连；所述信号处理器的信号传输端口与所述人机交互界面的信号传输端口相连，实现二者的双向通信。

2.如权利要求1所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述锥齿轮组件包括齿轮箱、主动锥齿轮、从动锥齿轮和齿轮箱端盖，所述齿轮箱的敞口处密封拆卸式固装齿轮箱端盖，二者围成用于容纳主动锥齿轮和从动锥齿轮的容腔，其中所述齿轮箱一侧壁上设有一个供主动轴贯穿的第一安装通孔，该侧壁与主动轴支撑机构一端固装，而主动轴伸入齿轮箱容腔的动力输出端键连接主动锥齿轮；齿轮箱的底板与从动轴支撑机构上端固接，从动轴的上端从齿轮箱底板的第二安装通孔贯穿伸入齿轮箱容腔内，二者通过嵌装在第二安装通孔处的轴承转动连接，使得从动轴绕自身中心轴周向旋转，而从动轴伸入齿轮箱容腔的动力输入端键连接从动锥齿轮，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，实现动力从主动轴到从动轴的传递。

3.如权利要求2所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：主动锥齿轮中心轴与从动锥齿轮中心轴夹角为90°。

4.如权利要求1所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述主动轴支撑机构包括第一安装座、主动轴轴承支架和主动轴轴承端盖，所述第一安装座底部固装在机架上，上部固装主动轴轴承支架，并保持主动轴轴承支架中心轴与测量装置的中心轴重合；主动轴轴承支架两端敞口，且主动轴轴承支架的一端固装主动轴轴承端盖，另一端与齿轮箱一侧壁固接；主动轴轴承端盖固装在靠近扭矩耦合器一侧的端部，主动轴轴承支架内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑主动轴的第一轴承；主动轴通过第一轴承与主动轴轴承支架转动连接，实现主动轴绕自身中心轴周向旋转；所述主动轴的动力输入端从主动轴轴承端盖中心通孔伸出后通过第二联轴器与扭矩耦合器的动力输出端相连，主动轴的动力输出端从主动轴轴承支架敞口伸出后伸入齿轮箱容腔内。

5.如权利要求4所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：主动轴轴承支架内壁两端各安装一个用于支撑主动轴的轴承第一安装通孔处嵌装用于支撑主动轴的第一轴承，第一轴承的外圈与主动轴轴承支架内壁过盈配合，内圈与插入其内的主动轴过盈配合，使得主动轴绕自身中心轴周向旋转，其中主动轴动力输出端的第一轴承通过主动轴轴承支架的定位凸肩以及套在主动轴上的第一套筒实现轴向定位，而主动轴动力输入端的第一轴承通过主动轴轴承支架的定位凸肩以及主动轴轴承端盖实现轴向定位；所述主动轴轴承端盖的中心孔处嵌装主动轴密封圈。

6.如权利要求1或2所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述从动轴支撑机构包括从动轴轴承支架和从动轴轴承端盖，从动轴轴承支架的两端敞口，所述从动轴轴承支架的上部与齿轮箱底板固接，从动轴轴承端盖固装在从动轴轴承支架底部敞口处，从动轴轴承支架内壁沿其轴向至少安装一个用于支撑从动轴的第二轴承，第二轴承的外圈与从动轴轴承支架内壁过盈配合，内圈与插入其内的从动轴过盈配合，使得从动轴绕自身垂直布置的中心轴周向旋转；所述从动轴的动力输出端依次贯穿从动轴轴承端盖中心通孔、容器端盖贯通孔后伸入容器内腔，并在其末端键连接转子；所述从动轴轴承端盖的中心孔处嵌装从动轴密封圈。

7.如权利要求6所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述从动轴轴承支架内壁两端部各安装一个用于支撑从动轴的第二轴承，从动轴的动力输出端的第二轴承通过从动轴轴承端盖和从动轴轴承支架凸肩实现其轴向定位；从动轴动力输入端的第二轴承通过套在从动轴上的第二套筒实现轴向定位。

8.如权利要求6所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述转子包括用于与从动轴固接的上转子和用于与待测流体接触的下转子，所述上转子与伸入容器内腔的从动轴动力输出端螺接，且旋转方向与螺纹方向相反；下转子与上转子底部固接，并且下转子的外壁与容器内壁之间留有均匀的间隙。

9.如权利要求1所述的一种流体粘度测量装置，其特征在于：所述第一联轴器为弹性柱销联轴器，第二联轴器为梅花联轴器。

10.根据权利要求1～5所述的一种流体粘度测量装置的测试方法，包括以下步骤：

1)设定好驱动机构的转速，使其输出稳定的旋转驱动力，从而使得动力依次从主动轴、从动轴传递至转子处；

2)从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取空转时的扭矩M；

3)关闭驱动机构，然后在盛放机构内灌注待测流体，其中待测流体的液面刚好没过下转子；

4)开启驱动机构，同时从扭矩耦合器上测定的扭矩信号经信号变送器传输至控制器，并在人机交互界面上读取扭矩M'；

5)关闭驱动机构后，根据公式计算待测流体的粘度：

<mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>M</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> </mrow>

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>h</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中：η为待测流体粘度，单位：Pa·s；M为空转时驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；M'为灌注待测流体后驱动机构的输出扭矩，单位：N·m；ω为驱动机构的从动轴的旋转角速度，单位：rad·s^-1；h为下转子的浸入深度，单位为m；R_i为下转子的半径，单位为m；R_a为容器内腔半径，单位为m；

6)放空盛放机构内的待测流体，清洗容器内部，试验结束。