CN108931460A - 一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置。其特征在于所述的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置为在被测牛顿液体的溶液池下部外接的一个旁通管式结构，该旁通管式结构由泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分、回液弯管部分以及温控电路系统和泵液速度调控电路系统组成。本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置的十字形应力传感器限定在导液直管内的中央，且电动输液泵是以恒定的流量朝一个方向将待测牛顿液体流经十字形应力传感器，因而十字形应力传感器相对于待测牛顿液体的流速是真实的，也就是待测牛顿液体对十字形应力传感器粘度阻力是真实的，因而测量精度高。

Description

一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置

技术领域

本发明涉及到传感器领域，特别涉及到一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置。

背景技术

目前传统的牛顿液体粘度在线测量信号采集中其传感器工作形式有两种：一种是粘度传感器旋转式，其工作原理是，将粘度传感器浸入待测液体中，传感器在电机的带动下在待测液体中旋转，由于液体有粘度，传感器在待测液体中旋转就会受到阻力，在一定的转速下，粘度越大阻力就越大，因而传感器的输出电压就越大。另一种是粘度传感器摆动式，其工作原理是，将粘度传感器浸入待测液体中，传感器在电机及传动机构的带动下在待测液体中来回摆动，同理由于液体有粘度，传感器在待测液体中来回摆动就会受到阻力，在一定的摆动频率下，粘度越大阻力就越大，因而传感器的输出电压就越大。以上第一种是传感器在待测液体中旋转，由于液体层与层之间也存在阻力，传感器旋转时会带动液体旋转，而液体旋转时各液层离旋转中心越远的切向速度越小，也就说两相邻液层的相对速度有速度差，由于液体有质量和粘度，因而就存在惯性与阻力，这就使得这种速度差在传感器刚刚启动旋转后瞬间的速度差与正常旋转时的速度差不一样，启动旋转后瞬间的速度差大于正常旋转时的速度差，而能真实反映牛顿液体粘度阻力的是启动旋转后瞬间的速度差，也就是说粘度传感器旋转式的牛顿液体粘度在线测量采集的信号是有误差的。同理粘度传感器摆动式牛顿液体粘度在线测量采集的信号也是有误差的。在实际的应用中，许多场合对牛顿液体的粘度精度要求非常高，这就使得传统的牛顿液体粘度在线测量信号采集技术存在一定地局限性。如何克服现有技术的不足，提供一种牛顿液体粘度测量精度高的在线测量信号采集装置，就成了本发明主要的研究课题。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的不足，提供一种对牛顿液体的粘度测量精度高的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置。为了更好的理解本发明，在具体表述本发明技术方案之前，先对相关的理论基础做简单陈述。

液体分为牛顿液体和非牛顿液体，也有称为牛顿流体和非牛顿流体。我们生活中遇到的大部分是牛顿液体，如：油脂、熔化后松香、许多化工制剂、常用的饮料、水等。只要是牛顿液体均满足以下条件：

τ=μv

式中：τ-相邻液体层之间的剪切应力；μ-液体的粘度；v –垂直于液体流速方向液层的速度梯度。，

当给定一个恒定的泵液速度V和恒定温度T时，垂直于液体流速方向任何一点液层的速度梯度v为常数。这时相邻液体层之间的剪切应力τ与液体的粘度μ为线性关系。设浸没在待测粘度牛顿液体中应力传感器与该液体流速方向平行的侧面的面积为S，则流经应力传感器时，应力传感器两个侧面所受到的剪切力F为：

F=2Sτ=2Sμv。

根据上述的理论基础，为了实现本发明的目的，本发明是通过以下技术方案来实现的。一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于所述的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置为在被测牛顿液体的溶液池下部外接的一个旁通管式结构，该旁通管式结构由泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分、回液弯管部分以及温控电路系统和泵液速度调控电路系统组成；所述泵液弯管部分由进液弯管和电动输液泵组成，所述粘度在线测量信号采集管部分由导液直管、前后中心管、前后定位辐环、十字形粘度应力传感器（另案申请）组成，前后中心管的一端分别定位在十字形粘度应力传感器中心的两侧，前后中心管的另一端分别与前后定位辐环的中心旋接，前后定位辐环定位在导液直管内的前后两端，十字形粘度应力传感器通过前后中心管、前后定位辐环限定在导液直管内的中央；所述粘度在线测量信号采集管部分分别与泵液弯管部分和回液弯管部分一端通过螺纹连接，所述泵液弯管部分和回液弯管部分的另一端口均设有法兰盘，用于通过紧固件与溶液池下部外边对应的连通管口上的法兰盘相连接；为了使待测液体在旁通管式牛顿液体粘度在线测量信号采集装置内的温度与溶液池内的温度相同设有温控电路系统，温控电路系统由包裹在泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分和回液弯管部分管外表的加热圈和设置在在泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分和回液弯管部分相应位置上的温度传感器以及温控器和继电器组成，所有温度传感器和继电器接入到温控电路系统中的温控器上，由温控器对待测液体的温度及时调控在设定的值；所述泵液速度调控电路系统包括控制面板、单片机、电动输液泵电机驱动电路及电源电路。

进一步的 ，以上所述的十字形粘度应力传感器，设有两根对称设置的测量臂即为粘度传感，其将液体粘度的物理量转化为电信号输入到粘度显示控制记录仪中。

进一步的 ，为了对待测液体有一个可调稳定的输液速度，以保证待液体粘度的精确，以上所述的电动输液泵的电机为步进电机，并配有相应的步进电机控制电路，所述电动输液泵为齿轮泵或叶片泵或柱塞泵。

进一步的 ，为了尽量避免待测液体流经导液直管时产生不必要的紊流，从而影响待测液体粘度的测量精度，所述前后定位辐环均带有导流锥，导流锥可以与前后定位辐环一体式结构也可以分体式结构、所述前后定位辐环的辐片和十字形应力传感器的支撑辐片均设计为超薄型流线双锥型，为便于十字形应力传感器的引线导出装置外，所述后定位辐环至少有一根辐片为中空管结构。

进一步的 ，为了避免漏液以上所述的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置的所有连接处均设有相应密封圈。

进一步的 ，以上所述的温度传感器为热电偶或铂电阻。

本发明是这样工作的 ：先对待测粘度的牛顿液体设定一个最佳的测量温度和输液速度，将溶液池稀释液自动补给系统和温控电路系统处于工作状态，待溶液池的液体温度到达设定温度时开启输液泵，这时电动输液泵以恒定的流量将待测粘度的牛顿液体从溶液池中泵向导液直管流经十字形应力传感器的测量辐条即粘度传感的两个侧面S，在待测牛顿液体粘度阻力作用下根据公式：F==2Sμv ，粘度传感器将液体粘度的物理量转化为电信号输入到粘度显示控制记录仪中。当实际测得的液体粘度值与粘度显示控制记录仪中输入的设定值不一样时，粘度显示控制记录仪经过计算对比，如果实际值小于设定值，则说明液体太稀，粘度显示控制记录仪则发出添加原液指令，原液泵启动，原液阀开启，原液少量多次缓慢地加入溶液池中；如果实际值大于设定值，则说明液体太浓，粘度显示控制记录仪则发出添加稀释液指令，稀释液泵启动，稀释液阀开启，稀释液少量多次缓慢地加入溶液池中。直到实际值与设定值相符，粘度显示控制记录仪则发出报警提示，这时说明溶液池中的待测牛顿液体粘度合格。

从上述技术方案中可以看出，本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置的十字形应力传感器限定在导液直管内的中央，且电动输液泵是以恒定的流量朝一个方向将待测牛顿液体流经十字形应力传感器，因而十字形应力传感器相对于待测牛顿液体的流速是真实的，也就是待测牛顿液体对十字形应力传感器粘度阻力是真实的，因而测量精度高。不同于传统的粘度传感器旋转式和是粘度传感器摆动式这两种，由于液体的惯性这两种传感器相对于待测牛顿液体的流速是不真实，也就是待测牛顿液体对这两种传感器粘度阻力不真实有误差。另外本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置还对待测粘度的牛顿液体在限定的温度下进行测量，因而所测粘度的精准度更为可靠。为了更好的说明本发明，下面结合具体实施方式及其实施例附图做进一步的说明。

附图说明

图1是本发明具体实施例内部结构的主视图，即图2的A-A剖视图。

图2是图1的俯视图和图1的A-A剖视图。

图3是图1的A局部放大图。

图4是图1的B局部放大图。

图5是图1的C局部放大图。

图6是图1的B-B剖面图。

图7是图1的C-C剖面图。

图8是图1的D-D剖面图。

图9是图2的A局部放大图。

图10是图6的A-A剖面图。

图11是图6的B-B剖面图。

图12是图8的A-A剖面图。

图13是本发明实施例与待测液体溶液池的安装位置示意图。

图14是本发明实施例的加热温控电路系统原理示意图。

图15是本发明 实施例的电动输液泵的步进电机控制原理示意图。

图16是本发明实施例信号采集及牛顿液体在线粘度测量控制原理图。

图中：1-回液口；2-回液口法兰盘；3-传感器引出线；4-回液弯管；5-后定位辐环；6-密封圈A；7-后导流锥；8-密封圈B；9-导液直管；10-后中心管；11-传感器过线孔；12-十字形粘度应力传感器；13-密封圈C；14-前中心管；15-前定位辐环；16-密封圈B；17-泵液弯管出液段；18-前导流锥；19-电动齿轮输液泵；20-进液弯管；21-进液弯管法兰盘；22-进液口；23-密封圈A；24-粘度在线测量信号采集装置；25-前定位辐环辐片；26-传感器定位辐片；27-后定位辐环辐管；28-后定位辐环辐片；29-稀释液电磁阀；30-溶液池；31-稀释液池；32-、M1-稀释液输液泵；33、M-齿轮输液泵步进电机；34-步进电机引线；35-传感器测量臂；36-原液池；37、M2-原液泵；38-原液电磁阀；Rrb-泵液弯管加热圈；Rrq-导液直管前段加热圈；Rrh-导液直管后段加热圈；Rrf-回液弯管加热圈；J1-泵液弯管加热圈控制继电器；J2-导液直管前段加热圈控制继电器；J3-导液直管后段加热圈控制继电器；J4-回液弯管加热圈控制继电器；Ro1-泵液弯管段热电偶；Ro2-导液直管前段热电偶；Ro3-导液直管后段热电偶；Ro4-回液弯管段热电偶；Ro5、Ro6--溶液池热电偶；R1、R4、R´1、R´4-传感器测量臂背流面电阻应变片；R2、R3、R´2、R´3-传感器测量臂迎流面电阻应变片。

具体实施方式

通过以上具体实施方式及其实施例附图可以看出：本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置为一个旁通管式结构，其设置定位在被测牛顿液体的溶液池30下部的外部，该旁通管式结构由泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分、回液弯管部分（参见图1和图2）以及温控电路系统（参见图14）组成；泵液弯管部分由进液弯管20和电动齿轮输液泵19组成，粘度在线测量信号采集管部分由导液直管9、前中心管14、后中心管10、前定位辐环15、后定位辐环5、十字形粘度应力传感器12（另案申请）组成，前中心管14和后中心管10的一端分别用螺纹旋接在十字形粘度应力传感器12中心的两侧，为防止漏液螺纹旋接端头放置有密封圈C13。前中心管14的另一端通过与前导流锥18的旋接定位在前定位辐环15的中心，后中心管10的另一端通过螺纹旋接定位在后定位辐环5的中心，前定位辐环15和后定位辐环5又定位在导液直管9内的前后两端，十字形粘度应力传感器12通过前中心管14、后中心管10、前定位辐环15、后定位辐环5限定在导液直管9内的中央（参见图1）。所述粘度在线测量信号采集管部分通过导液直管9分别与泵液弯管部分进液弯管20的出液段17和回液弯管部分的回液弯管4一端用螺纹连接，为防止漏液螺纹旋接端均设置有密封圈B8、16。所述泵液弯管部分的进液弯管20的另一端设有法兰盘21，回液弯管部分的回液弯管4的另一端也设有法兰盘2，用于通过紧固件与溶液池30下部外边对应的连通管口上的法兰盘相连接。为了使待测液体在旁通管式牛顿液体粘度在线测量信号采集装置内的温度与溶液池30内的温度相同本装置设有温控电路系统（参见图14），温控电路系统由包裹在泵液弯管部分进液弯管外的加热圈Rrb、包裹在粘度在线测量信号采集管部分的导液直管前段外的加热圈Rrq后段外的加热圈Rrh、包裹在回液弯管外的加热圈Rrf和设置在泵液弯管段热电偶Ro1、设置在粘度在线测量信号采集管部分的导液直管前后段热电偶Ro2 、Ro3和回液弯管段热电偶Ro4，以及温控器和继电器J1、J2、J3、J4组成，所有热电偶和继电器接入到温控电路系统中的温控器上，由温控器对待测液体的温度及时调控在设定的值。所述的十字形粘度应力传感器12，设有两根对称设置的测量臂35，测量臂35内贴有电阻应变片R1、R4、R´1、R´4、R2、R3、R´2、R´3，各电阻应变片R1、R4、R´1、R´4、R2、R3、R´2、R´3的接线参见图16，其将液体粘度的物理量转化为电信号输入到粘度显示控制记录仪中。为了对待测液体有一个可调稳定的输液速度，以保证待液体粘度的精确，以上所述的电动齿轮输液泵19的电机为步进电机33、M，并配有相应的步进电机控制电路(参见图15)。为了尽量避免待测液体流经导液直管时产生不必要的紊流，从而影响待测液体粘度的测量精度，所述前后定位辐环均带有导流锥18、7，所述前定位辐环辐片25、后定位辐环辐片28和十字形应力传感器的支撑辐片26均设计为超薄型流线双锥型，为便于十字形应力传感器的引出线3导出装置外，所述后定位辐环5有一根辐片为中空管结构(参见图10)。

本发明实施例是这样工作的 ：先在温控器中对待测粘度的牛顿液体设定一个最佳的测量温度和在步进电机控制电路的控制面板上设定一个最佳输液速度，将溶液池稀释液自动补给系统和温控电路系统处于工作状态，待溶液池30的液体温度到达设定温度时开启电动齿轮输液泵19，这时电动齿轮输液泵19以恒定的流量将待测粘度的牛顿液体从溶液池30中泵向导液直管流经十字形应力传感器12的测量臂35（即粘度传感）的两个侧面S，在待测牛顿液体粘度阻力作用下根据公式：F==2Sμv ，粘度传感器将液体粘度的物理量转化为电信号输入到粘度显示控制记录仪中。当实际测得的液体粘度值与粘度显示控制记录仪中输入的设定值不一样时，粘度显示控制记录仪经过计算对比，如果实际值小于设定值，则说明液体太稀，粘度显示控制记录仪则发出添加原液指令，原液泵37、M2启动，原液电磁阀38开启，原液少量多次缓慢地加入溶液池30中；如果实际值大于设定值，则说明液体太浓，粘度显示控制记录仪则发出添加稀释液指令，稀释液输液泵32-、M1启动，稀释液电磁阀29开启，稀释液少量多次缓慢地加入溶液池中。直到实际值与设定值相符，粘度显示控制记录仪则发出报警提示，这时说明溶液池30中的待测牛顿液体的粘度合格。

从上述具体实施方式的实施例中可以看出，本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置的十字形应力传感器12限定在导液直管9内的中央，且电动齿轮输液泵19是以恒定的流量朝一个方向将待测牛顿液体流经十字形应力传感器12，因而十字形应力传感器12相对于待测牛顿液体的流速是真实的，也就是待测牛顿液体对十字形应力传感器12粘度阻力是真实的，因而测量精度高。不同于传统的粘度传感器旋转式和是粘度传感器摆动式这两种，由于液体的惯性这两种传感器相对于待测牛顿液体的流速是不真实，也就是待测牛顿液体对这两种传感器粘度阻力不真实有误差。另外本发明的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置还对待测粘度的牛顿液体在限定的温度下进行测量，因而所测粘度的精准度更为可靠。

以上所列举的实施例，仅仅是众多实施例的一种，无法逐一列举。凡依本发明的保护范围所做的延伸改进、修改修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于所述的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置为在被测牛顿液体的溶液池下部外接的一个旁通管式结构，该旁通管式结构由泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分、回液弯管部分以及温控电路系统和泵液速度调控电路系统组成；所述泵液弯管部分由进液弯管和电动输液泵组成，所述粘度在线测量信号采集管部分由导液直管、前后中心管、前后定位辐环、十字形粘度应力传感器组成，前后中心管的一端分别定位在十字形粘度应力传感器中心的两侧，前后中心管的另一端分别与前后定位辐环的中心旋接，前后定位辐环定位在导液直管内的前后两端，十字形粘度应力传感器通过前后中心管、前后定位辐环限定在导液直管内的中央；所述粘度在线测量信号采集管部分分别与泵液弯管部分和回液弯管部分一端通过螺纹连接，所述泵液弯管部分和回液弯管部分的另一端口均设有法兰盘；所述温控电路系统由包裹在泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分和回液弯管部分管外表的加热圈和设置在在泵液弯管部分、粘度在线测量信号采集管部分和回液弯管部分相应位置上的温度传感器以及温控器和继电器组成，所有温度传感器和继电器接入到温控电路系统中的温控器上，由温控器对待测液体的温度及时调控在设定的值；所述泵液速度调控电路系统包括控制面板、单片机、电动输液泵电机驱动电路及电源电路；以上所述的十字形粘度应力传感器，设有两根对称设置的测量臂即为粘度传感，其将液体粘度的物理量转化为电信号输入到粘度显示控制记录仪中。

2.根据权利要求1所述的一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于以上所述的电动输液泵的电机为步进电机，所述电动输液泵为齿轮泵或叶片泵或柱塞泵。

3.根据权利要求1所述的一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于所述前后定位辐环均带有导流锥，导流锥可以与前后定位辐环一体式结构也可以分体式结构、所述前后定位辐环的辐片和十字形应力传感器的支撑辐片均设计为超薄型流线双锥型，为便于十字形应力传感器的引线导出装置外，所述后定位辐环至少有一根辐片为中空管结构。

4.根据权利要求1所述的一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于以上所述的牛顿液体粘度在线测量信号采集装置的所有连接处均设有相应密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种牛顿液体粘度在线测量信号采集装置，其特征在于以上所述的温度传感器为热电偶或铂电阻。