CN111965076B - 一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置和测量方法，所述的装置包括壳体、底座、控制系统、旋转磁场、升降机构和悬浮检测装置，壳体设在底座上，控制系统设在壳体上，旋转磁场设在壳体内；壳体的内壁设有光电测速计，光电测速计正对转盘；壳体上部设有顶盖，升降机构设在顶盖上方，升降机构上部设有载物台，载物台上方设有透明容器，透明容器内放有磁子；载物台上方设有光电门装置；本发明提供的测量装置易于操作，成本较低，本发明提供的测量装置将磁悬浮最新研究成果应用到粘度计装置中，为流体粘度测量提供新方案，所得测量结果更加准确。

Description

一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种液体粘度的测定装置和测量方法，特别是涉及一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置和测量方法。
背景技术
以往，若要测定液体的运动粘度，以此表征液体在特定温度下的流动性，经常使用的粘度计有毛细管粘度计、落球粘度计和旋转粘度计三类。毛细管粘度计操作复杂，并且需要人工处理，人为测量和计算的误差不可避免；而落球粘度计也需要较多的操作过程，人为视差同样无法避免；目前最为常见的旋转粘度计，通过转子扭矩反映液体粘度，操作较为简单，并且能较好控制误差，然而其装置成本较高，且测量粘度周期较长，效率较低。因此，在科研或者行业发展中，我们需要一款在一定量程范围内可以精准、快速测定粘度的装置和方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，包括壳体、底座、控制系统、旋转磁场、升降机构和悬浮检测装置，所述的壳体设在底座上，控制系统设在壳体上，旋转磁场设在壳体内；所述的旋转磁场包括旋转电机、转盘、磁铁，所述的旋转电机通过固定架固定在壳体内部，通过控制线路与控制系统相连，旋转电机的输出轴朝上，转盘与输出轴同轴固连，转盘上设有两个以转盘中心呈中心对称的磁铁，两个磁铁上端的磁极相反；壳体的内壁设有光电测速计，光电测速计正对转盘；壳体上部设有顶盖，升降机构设在顶盖上方，升降机构通过控制线路与控制系统相连；升降机构上部设有载物台，载物台上方设有透明容器，透明容器位于旋转磁场的正上方，透明容器内中心处放有磁子；载物台上方设有光电门装置，所述的光电门装置包括发光设备和感光设备，发光设备和感光设备相对设在透明容器左右两侧，光电门装置通过控制线路与控制系统相连；发光设备向透明容器发出光照，感光设备接收光照，当磁子悬浮时感光设备接收的光照强度会发生改变，若感光设备接受光强低于阈值，则说明磁子在容器底部遮挡光束，尚未悬浮；若感光设备接受光强大于阈值，则说明磁子已经悬浮。
所述的磁子形状为圆柱体，两端为半球面，例如全长24mm，直径8mm。磁子外壳为白色聚四氟乙烯高分子壳膜层，内部包裹有磁性实体，例如磁矩为0.13Am2。
所述的升降机构包括下滑轨、上滑轨、交叉连杆、电机滑轨和步进电机，两条下滑轨平行设在顶盖的上表面，两条上滑轨平行设在载物台的下表面；两组交叉连杆之间相对的转动副通过轴杆连接，交叉连杆的下端一端与下滑轨铰接，另一端设在下滑轨的滑道内；交叉连杆的上端一端与上滑轨铰接，另一端设在上滑轨的滑道内；两条电机滑轨平行且竖向设在顶盖上表面的侧边，步进电机的外壳嵌接在电机滑轨的滑道内，能够沿着滑道上下滑动；步进电机的输出轴设有外螺纹，交叉连杆中部的两条相对的轴杆上设有旋向相反的内螺纹孔，步进电机的输出轴依次穿过两个内螺纹孔与轴杆螺纹连接，步进电机正转或反转带动两轴杆相向或相反运动，进而使交叉连杆上下伸缩，交叉连杆伸缩过程中轴杆高度和交叉连杆宽度会发生改变，步进电机随轴杆高度变化在电机滑轨内上下移动，交叉连杆的活动端会随宽度的改变而发生滑动；步进电机通过控制线路与控制系统相连。
所述的光电测速计包括激光光源、光电管和脉冲计数器，激光光源和光电管正对转盘且位于同一平面，脉冲计数器与光电管相连；转盘的侧边上设有反光条；光电测速计通过控制线路与控制系统相连。激光光源向反光条发射激光，光电管接收反光条反射的光并转换成电脉冲，脉冲计数器计算电脉冲频率，经过转换即可得到转盘的转速。
所述的控制系统包括单片机、键盘、显示屏和变频器，键盘、显示屏和变频器分别与单片机相连，键盘输入数据参数，显示屏显示相关数据值，单片机处理数据，变频器内有电路板嵌入，侧壁开有散热网孔和接口；所述的旋转电机通过控制线路与控制系统的变频器相连，控制并改变旋转电机的转速。
所述的磁铁为圆柱状钕磁铁。
所述的透明容器侧壁标注有液面标线，上部开口处设有容器盖，容器盖上设有提手。
本发明的粘度计算公式为：
其中：η为所要求的流体动力粘度，α＝(1.14±0.04)，为实验测定的常量，μ0为磁常数，mf为磁子磁矩，γ为阻力常数，K为几何因子，md为圆柱状钕磁铁磁矩，l为磁子半长，zb为载物台与钕磁铁之间的距离，zb＝h+h0，h为载物台与壳体顶盖之间的高度，h0为钕磁铁与壳体顶盖之间的垂直距离，为固定值；ω↑为阈值，即磁子恰好从透明容器底部升起至悬浮状态时，转盘的转速值。
本发明应用上述装置测量流体粘度的方法及工作原理如下：
1、用户使用本发明应首先将总线接头连接电源，再按下键盘上的电源键；
2、根据需要旋转不同磁子型号(长度、直径、磁矩)的磁子放在透明容器内，通过键盘输入磁子型号及相关参数，通过键盘设定升降台高度；
3、通过键盘设定重复次数；
4、将待测液体倒入透明容器中，液面需要超过标线；
5、一切准备就绪后，按下启动键，旋转电机启动，转盘转速从零以一定加速度逐渐加速，直到磁子恰好悬浮；
6、光电门装置的感光设备接受到超过阈值的光照强度时，向控制系统发出信号，光电测速计采集此时转盘转速发送给控制系统，此时根据上式算出待测液体粘度并显示在显示屏上，一次粘度测量完毕；
7、而后转盘转速自动恢复至0，自动重复第5-6步动作，二次粘度测量完毕，以此类推，根据用户选定的重复次数重复动作，最后在显示屏上显示粘度平均值；
8、若用户想中途停止测量，可按下停止键；
9、粘度测量完毕后，用户需首先关闭电源，而后倒出待测液，将容器与装置台面清理干净。
本发明的有益效果：
本发明提供的测量装置易于操作，成本较低；可以根据不同待测液体的需求选择不同的磁子型号，根据实际测量的需要对装置进行调整，所得测量结果更加准确；本发明将磁悬浮最新研究成果应用到粘度计装置中，为流体粘度测量提供新方案。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图3为本发明旋转磁场结构示意图；
图4为本发明悬浮检测装置结构示意图；
1、壳体 2、底座 3、控制系统 4、旋转磁场 5、升降机构
6、悬浮检测装置 7、旋转电机 8、转盘 9、磁铁 10、固定架
11、光电测速计 12、顶盖 13、载物台 14、透明容器 15、磁子
16、发光设备 17、感光设备 18、下滑轨 19、上滑轨 20、交叉连杆
21、电机滑轨 22、步进电机 23、轴杆 24、激光光源 25、光电管
26、脉冲计数器 27、反光条 28、单片机 29、键盘 30、显示屏
31、变频器 32、标线 33、容器盖。
具体实施方式
请参阅附图1-4所示：
本发明提供一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，包括壳体1、底座2、控制系统3、旋转磁场4、升降机构5和悬浮检测装置6，所述的壳体1设在底座2上，控制系统3设在壳体1上，旋转磁场4设在壳体1内；所述的旋转磁场4包括旋转电机7、转盘8、磁铁9，所述的旋转电机7通过固定架10固定在壳体1内部，通过控制线路与控制系统3相连，旋转电机7的输出轴朝上，转盘8与输出轴同轴固连，转盘8上设有两个以转盘8中心呈中心对称的磁铁9，两个磁铁9上端的磁极相反；壳体1的内壁设有光电测速计11，光电测速计11正对转盘8；壳体1上部设有顶盖12，升降机构5设在顶盖12上方，升降机构5通过控制线路与控制系统3相连；升降机构5上部设有载物台13，载物台13上方设有透明容器14，透明容器14位于旋转磁场4的正上方，透明容器14内中心处放有磁子15；载物台13上方设有光电门装置，所述的光电门装置包括发光设备16和感光设备17，发光设备16和感光设备17相对设在透明容器14左右两侧，光电门装置通过控制线路与控制系统3相连；发光设备16向透明容器14发出光照，感光设备17接收光照，当磁子15悬浮时感光设备17接收的光照强度会发生改变，若感光设备17接受光强低于阈值，则说明磁子15在容器底部遮挡光束，尚未悬浮；若感光设备17接受光强大于阈值，则说明磁子15已经悬浮。
所述的升降机构5包括下滑轨18、上滑轨19、交叉连杆20、电机滑轨21和步进电机22，两条下滑轨18平行设在顶盖12的上表面，两条上滑轨19平行设在载物台13的下表面；两组交叉连杆20之间相对的转动副通过轴杆23连接，交叉连杆20的下端一端与下滑轨18铰接，另一端设在下滑轨18的滑道内；交叉连杆20的上端一端与上滑轨19铰接，另一端设在上滑轨19的滑道内；两条电机滑轨21平行且竖向设在顶盖12上表面的侧边，步进电机22的外壳嵌接在电机滑轨21的滑道内，能够沿着滑道上下滑动；步进电机22的输出轴设有外螺纹，交叉连杆20中部的两条相对的轴杆23上设有旋向相反的内螺纹孔，步进电机22的输出轴依次穿过两个内螺纹孔与轴杆23螺纹连接，步进电机22正转或反转带动两轴杆23相向或相反运动，进而使交叉连杆20上下伸缩，交叉连杆20伸缩过程中轴杆23高度和交叉连杆20宽度会发生改变，步进电机22随轴杆23高度变化在电机滑轨21内上下移动，交叉连杆20的活动端会随宽度的改变在下滑轨18和上滑轨19发生滑动；步进电机22通过控制线路与控制系统3相连。
所述的光电测速计11包括激光光源24、光电管25和脉冲计数器26，激光光源24和光电管25正对转盘8且位于同一平面，脉冲计数器26与光电管25相连；转盘8的侧边上设有反光条27；光电测速计11通过控制线路与控制系统3相连。激光光源24向反光条27发射激光，光电管25接收反光条27反射的光并转换成电脉冲，脉冲计数器26计算电脉冲频率，经过转换即可得到转盘8的转速。
所述的控制系统3包括单片机28、键盘29、显示屏30和变频器31，键盘29、显示屏30和变频器31分别与单片机28相连，键盘29输入数据参数，显示屏30显示相关数据值，单片机28处理数据，变频器31内有电路板嵌入，侧壁开有散热网孔和接口；所述的旋转电机7通过控制线路与控制系统3的变频器31相连，控制并改变旋转电机7的转速。
键盘29上有八个功能键：电源，置零，启动，停止，磁子选择，重复次数，高度，确定键；两个强度键：增大键和减小键。显示屏30设在壳体1前板上，显示屏30自上而下、从左到右依次显示四部分：平台高度、磁子型号、转速、粘度。
所述的磁铁9为圆柱状钕磁铁。
所述的透明容器14侧壁标注有液面标线32，标线32高度的作用是为磁子15悬浮预留充分的液体高度；透明容器14上部开口处设有容器盖33，容器盖33上设有提手。
本发明的工作原理：
在旋转磁场4中，当旋转磁场4的转速达到一定阈值ω↑(上升临界角速度)时，处于粘性流体的磁子15会发生磁悬浮现象。这是因为当磁场转速达到ω↑时，粘性流体对磁子15施加的粘滞阻力会使磁子15转速低于旋转磁场4转速，磁子15异步转动。当旋转磁场4与磁子15磁场同极相斥时，磁子15将受到净垂直磁力进而悬浮。
如上所述，液体粘度通过粘滞阻力对磁子15悬浮临界转速阈值ω↑产生重要影响，本发明引用了文献Magnetic Levitation Stabilized by Streaming Fluid Flows中的下述公式：
其中，M(zb)为磁耦合时的磁矩，D为扁平椭球体的阻力常数，α为我们通过实验所得到的修正常数，经过查阅我们得出如下表达公式：
D＝8πγKηl3 (3)
代入(1)式，则有：
易知，流体动力粘度η是ω↑计算公式分母项参数之一，因此，可通过测量ω↑，再根据上述公式或实验数据表求得初步的流体动力粘度η。
与此同时，考虑到仪器的精确度，我们通过之前的实验数据得知，液体粘度与磁子15的上升高度z、磁子15的下降临界角速度ω↓有密切的对应关系，目前我们还没有一个非常完善的公示理论公式去表征液体粘度与这两个变量的关系。但我们通过所得的实验数据(即不同粘度液体下磁子15高度z与下降临界角速度ω↓对应关系)以及其在实验中的拟合占比对由ω↓测得的液体粘度进行一定的修正，通过这样多变量共同表征以及数据的修正来保证仪器粘度测量的高精确度，进而确保我们粘度计的数据准确无误。
由上述可以得到本发明的粘度计算公式：
其中：η为所要求的流体动力粘度，α＝(1.14±0.04)，为实验测定的常量，通常取1，μ0为磁常数，mf为磁子磁矩，γ为阻力常数，对于本发明取3.43，K为几何因子，对于本发明所用磁子常取0.212，md为圆柱状钕磁铁磁矩，l为磁子半长，这些常数都是可以通过实验或相应仪器可知的定值；zb为载物台13与钕磁铁之间的距离，zb＝h+h0，h为载物台13与壳体顶盖12之间的高度，通过键盘29输入设定，由控制系统3控制步进电机22旋转进而改变升降机构5的高度，h0为钕磁铁与壳体顶盖12之间的垂直距离，为固定值；ω↑为阈值，即磁子15恰好从透明容器14底部升起至悬浮状态时，转盘8的转速值。
本发明应用上述装置测量流体粘度的方法及工作原理如下：
1、用户使用本发明应首先将总线接头连接电源，再按下键盘29上的电源键；
2、根据需要选择不同磁子15型号(长度、直径、磁矩)的磁子15放在透明容器14内，通过键盘29输入磁子15型号及相关参数，通过键盘29设定升降机构5高度；具体操作为：按下高度键，再按动两个强度键控制升降机构5高度，调节完毕后按下确定键；按下磁子15选择键，再按动两个强度键选定磁子15型号，然后按下确定键；
3、通过键盘29设定重复次数，选定重复次数后按下确认键；
4、将待测液体倒入透明容器14中，液面不能低于标线32；
5、一切准备就绪后，按下启动键，旋转电机7启动，转盘8转速从零以一定加速度逐渐加速，直到磁子15恰好悬浮；
6、光电门装置的感光设备17接受到超过阈值的光照强度时，向控制系统3发出信号，光电测速计11采集此时转盘8转速发送给控制系统3，此时根据上式算出待测液体粘度并显示在显示屏30上，一次粘度测量完毕；
7、而后转盘8转速自动恢复至0，自动重复第5-6步动作，二次粘度测量完毕，以此类推，根据用户选定的重复次数重复动作，最后在显示屏30上显示粘度平均值；
8、若用户想中途停止测量，可按下停止键；
9、粘度测量完毕后，用户需首先关闭电源，而后倒出待测液，将容器与装置台面清理干净。

Claims (7)

1.一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：包括壳体、底座、控制系统、旋转磁场、升降机构和悬浮检测装置，所述的壳体设在底座上，控制系统设在壳体上，旋转磁场设在壳体内；所述的旋转磁场包括旋转电机、转盘和磁铁，所述的旋转电机通过固定架固定在壳体内部，通过控制线路与控制系统相连，旋转电机的输出轴朝上，转盘与输出轴同轴固连，转盘上表面设有两个以转盘中心呈中心对称的磁铁，两个磁铁上端的磁极相反；壳体的内壁设有光电测速计，光电测速计正对转盘；壳体上部设有顶盖，升降机构设在顶盖上方，升降机构通过控制线路与控制系统相连；升降机构上部设有载物台；所述的悬浮检测装置包括透明容器及光电门装置，透明容器及光电门装置分别设在载物台上，透明容器位于旋转磁场的正上方，透明容器内放有磁子；所述的光电门装置包括发光设备和感光设备，发光设备和感光设备相对设在透明容器左右两侧，光电门装置通过控制线路与控制系统相连；发光设备向透明容器发出光照，感光设备接收光照，当磁子悬浮时感光设备接收的光照强度会发生改变，若感光设备接受光强低于阈值，则说明磁子在容器底部遮挡光束，尚未悬浮；若感光设备接受光强大于阈值，则说明磁子已经悬浮。
2.根据权利要求1所述的一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：所述的升降机构包括下滑轨、上滑轨、交叉连杆、电机滑轨和步进电机，两条下滑轨平行设在顶盖的上表面，两条上滑轨平行设在载物台的下表面；两组交叉连杆之间相对的转动副通过轴杆连接，交叉连杆的下端一端与下滑轨铰接，另一端设在下滑轨的滑道内；交叉连杆的上端一端与上滑轨铰接，另一端设在上滑轨的滑道内；两条电机滑轨平行且竖向设在顶盖上表面的侧边，步进电机的外壳嵌接在电机滑轨的滑道内；步进电机的输出轴设有外螺纹，交叉连杆中部的两条相对的轴杆上设有旋向相反的内螺纹孔，步进电机的输出轴依次穿过两个内螺纹孔与轴杆螺纹连接；步进电机通过控制线路与控制系统相连。
3.根据权利要求1所述的一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：所述的光电测速计包括激光光源、光电管和脉冲计数器，激光光源和光电管正对转盘且位于同一平面，脉冲计数器与光电管相连；转盘的侧边上设有反光条；光电测速计通过控制线路与控制系统相连。
4.根据权利要求1所述的一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：所述的控制系统包括单片机、键盘、显示屏和变频器，键盘、显示屏和变频器分别与单片机相连，所述的旋转电机通过控制线路与控制系统的变频器相连。
5.根据权利要求1所述的一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：所述的磁铁为圆柱状钕磁铁。
6.根据权利要求1所述的一种应用磁悬浮法测量流体粘度的装置，其特征在于：所述的透明容器侧壁标注有液面标线，上部开口处设有容器盖，容器盖上设有提手。
7.一种应用权利要求1-6所述装置测量流体粘度的方法，其特征在于：粘度计算公式为：其中：/>为所要求的流体动力粘度，/>，为实验测定的常量，/>为磁常数，/>为磁子磁矩，/>为阻力常数，/>为几何因子，/>为圆柱状钕磁铁磁矩，/>为磁子半长，以上这些数值都是能通过实验或相应仪器测定得到的定值；/>为载物台与钕磁铁之间的距离，/>，/>为升降机构的高度，即载物台与壳体顶盖之间的高度，通过键盘输入进行设定，由控制系统控制步进电机旋转进而改变升降机构的高度，/>为钕磁铁与壳体顶盖之间的垂直距离，为固定值；/>为阈值，即磁子恰好从透明容器底部升起至悬浮状态时转盘的转速值，由光电测速计测得。
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