CN1125327C - 粘度计 - Google Patents

Abstract

装有变换器的粘度计，该变换器包括一设有供待测流体流过的空腔的容器、一牢固连接到该容器上的支撑件以及一振荡装置，该振荡装置的一端牢固连接到该支撑件上，另一端为振荡体。一交流的振荡驱动线圈和一不变磁场发生装置用来使振荡体不断振荡。变换器装有检测振荡体振荡的装置。该不变磁场发生装置放置在无法接触待测流体处，它们产生的不变磁力线指向振荡体。振荡驱动线圈放置在振荡体中，其中心线与不变磁力线形成一小角度。

Description

粘度计

技术领域

本发明涉及装有变换器的粘度计，该变换器把流体的粘度参数变换成电信号，包括：一设有供待测流体流过的空腔的容器；一牢固连接在所述容器上的支撑件；一振荡装置，它的一端牢固安装到该支撑件上，另一端有一振荡体；由交流电供电的振荡驱动线圈和一不变磁场发生装置，以便使振荡体不断振荡，以及用来检测振荡体的振荡的检测装置。美国专利4,005,599公开了这样一种粘度计。

背景技术

现有变换器为扭转型，包括一壳体，支撑件横向牢固连接在该壳体的侧壁上。该壳体中装有扭转装置，该装置由振荡体和扭转条组成，该振荡体的一端借助扭转条连接到支撑件上。振荡体的另一端可自由运动。振荡体中装有永久磁铁，所述磁铁的磁力线与粘度计壳体的侧壁横交，该壳体至少在永久磁铁近旁的部分用非磁材料制成，从而永久磁铁的磁力线可穿透该壳体。一振荡驱动线圈与永久磁铁等高地位于粘度计壳体外部，并与永久磁铁的南北极方向形成一小角度。振荡驱动线圈中有交流电流过时，由于振荡驱动线圈和永久磁铁的相互作用，就能使振荡体发生扭转振动。

此外，在现有粘度计中装有检测振荡体的振荡的检测装置，而且可从检测结果确定粘度参数。

大家知道，许多流体含有铁粒。因此现有粘度计的缺点在于，待测流体中的铁粒会附着并集结到振荡体上，从而造成附加阻尼，人们发现，少量的附着铁粒便能大大改变测量结果。因此必须经常清扫粘度计。而且，由于永久磁铁的吸力，振荡体的清扫并不容易。

发明内容

本发明的目的是提供本说明书发明领域部分所述的一种粘度计，它能避免上述问题，并特别容易清扫。

按照本发明，该目的这样达到，把不变磁场发生装置设置在不与待测流体接触的地方，而所述装置产生的磁力线指向振荡体，并且，振荡驱动线圈装在振荡体中，其中心线与不变磁力线形成一小角度。另外，还采用一加速度检测器作为检测装置，该加速度检测器由两个压电条构成，它们互相平行，并位于一与振荡体振荡方向平行的平面内，每一个压电条的一端牢固连接到振荡体上，该连接点沿直径互相相对，而其另一端可在振荡体振动方向上自由移动且面对相反方向。

因此，铁粒不再集结到振荡体上，从而不用经常清扫。

在本发明一实施例中，不变磁场发生装置由至少一块位于供待测流体流过的空腔的外部邻近振荡体处的永久磁铁构成。只要移开永久磁铁，就可更容易地清扫粘度计。

在本发明的一优选实施例中，不变磁场发生装置由至少一个通以直流电的线圈构成，该线圈位于供待测流体流过的空腔的外部邻近振荡体处，其中心线指向振荡体，在这种布置下，清扫时只须切断直流电源，或在所述直流线圈中通以交流电。

在本发明的另一实施例中，根据所述检测器发出的信号的振幅和加于振荡驱动线圈的信号的振幅即能确定粘度参数。

在美国专利4,005,599所公开的粘度计中，使用反馈来保持振荡体的扭转振动，其中，反馈回路的一端接作为检测振荡体振荡的检测装置的压电晶体，另一端接振荡驱动线圈。

在这种现有粘度计中，须测量由同相和移相信号的反馈所产生的二种频率。因此，在转换时必须达到新的平衡状态，这就降低了测量的反应速度；无论如何，为了降低转换现象，对频率之一的测量必须足够长。而且，该反馈回路复杂，并且使用了前述位置的永久磁铁，因此其缺点是待测流体中的铁磁杂质附着到粘度计筒体上而直接影响测量结果。

本发明的另一个目的是进一步简化粘度计。为此，在本发明一实施例中，加速度检测器通过移相器接至振荡驱动线圈。这样，就可用简单得多的线路自动保持振荡，在本发明粘度计中，不用频率测量，而是用振幅测量，因此不但线路更简单，而且测量的分辨率更高。

在一优选实施例中，所述压电条的输出端接至一仪器用放大器的相应输入端，该放大器的输出端接至移相器，这样就可消除振荡体平移振动的影响。

EP-A-0297012和U S-A-4,905,499的现有粘度计也使用压电式检测器。

与本发明相比较，EP-A-0297032通过测量相位差来确定阻尼。用相移来确定作为相移的函数的频率偏移。但在本发明中，使用90°的相移来获得对共振频率的控制。

而且，在现有结构中，控制与检测耦合到一不受液体阻尼的杆上。接受流体的阻尼的是一根套在该杆外的管子。由于该管子和该杆的刚性存在差别，因此出现两个振动系统的耦合，这与本发明形成对照，在本发明中只有一个振动系统起作用。实际上不可能使该杆的刚性比该管的刚性足够地大。

US-A-4,905,499的粘度计无法用作流通式传感器，因为它使用了分离的质体(mass)来获得振动系统，但按照本发明，使用了一传感器，在其中，质体、驱动装置和检则装置位于测量头中，以便实现单个质体-弹性系统。

附图说明

下面结合附图详述本发明，在附图中：

图1简示本发明粘度计的变换器的一实施例；

图2为本发明粘度计的变换器实施例的剖面图；

图3为沿图2中直线III-III剖取的剖面图；

图4为沿图2中直线IV-IV剖取的剖面图；

图5为本发明粘度计电气部分的电路图；

图6为本发明粘度计一实施例装在一管道中时的部分剖视的正视图；

图7为本发明粘度计一实施例装在一管道中时的部分剖视的侧视图。

具体实施方式

本发明基于如下原理，流体对浸没在该流体中的振动的振荡件会产生一种作用，特别是会产生阻尼作用。可使用反馈系统把能量供给该系统而补偿粘滞损耗和其它固有的机械损耗和电损耗，从而保持振荡件的机械振动。这可通过反馈系统中的放大器来实现。例如，测量振荡件的共振频率和阻尼，便可确定复杂的切变粘度。

应用上述基本原理，本发明粘度计设有比方说把流体的粘度参数变换成电信号的变换器。所述变换器包括粘度计壳体1和牢固连接到壳体1上的支撑件或底板2。所述底板2支撑一振荡装置，它由垂直地牢固连接到底板2上的一扭转杆3和一振荡体4构成，该振荡体4由一圆筒形质体构成，其一端牢固连接到扭转杆3的自由端上。由扭转杆3和圆筒形质体4构成的组件须不断发生扭转振动。为此使用一激励振荡系统，它包括一磁铁5和一驱动线圈6。从图1可见，驱动线圈6装在圆筒形质体4中，而磁铁5位于壳体1外部。永久磁体5和驱动线圈6的相对方向安排成驱动线圈6的中心线与磁铁5的磁力线成一小角度。最好使用第二磁铁7。

在本实施例中，磁铁5置于壳体1外部，但所述磁铁也可全部或部分地沉入壳体1中。在磁铁的所谓沉入位置，必须采取措施确保流体不与磁铁接触，换句话说，磁铁必须位于供待测流体流过的空腔的外部，从而与所述空腔分离。图6和图7表示磁铁分开安放的一种结构。

流体或液体8出现在由底板2和比方说壳体1的圆筒形壁围成的空腔中，而至少是振荡装置的圆筒形质体4浸没在该液体或流体8中。该粘度计可用作流通型粘度计，待测液体比方说可通过底板2上的开口9流入，流过扭转杆3和圆筒形质体4后从壳体1的顶部开口排出或倒流。其中装有振荡体4的壳体1可装到一管道系统的一管子中，以便不断地或在任何预定时刻测量流过该管道系统的流体或液体的粘度参数。

通过从扭转杆3穿入的驱动线圈6的供电导体12，作为激励信号的交流电就加到驱动线圈6上。所述激励信号可用频率发生器产生。该激励信号的频率和大小可由一微处理器控制。当把激励信号加到驱动线圈6上时，由于该驱动线圈与磁铁5和7的相互作用，圆筒形质体4就发生扭转振动。此时，位于一边的磁铁的磁力线与位于另一边的驱动线圈6的磁力线必须形成一小角度。

扭转振动的振幅可用检测装置11测量。检测装置11的输出信号通过穿过扭转杆3的输出导体10送到外部。对于一定的激励信号，检测信号就是把圆筒形质体浸没的流体的粘度的量度，该检测信号(以未示出的方式)被放大、并用带通滤波器滤波后送往一电压计，然后由微处理器读出。

在图1实施例中，磁铁5和7为电磁铁，直流电信号加于其线圈上。

显然可见，若使用永久磁铁，不会出现铁粒集结现象。而且，对测量的影响仅由对磁场的干扰造成。

图1粘度计的优点在于，该粘度计特别容易保养，因为它无需象现有粘度计那样经常清扫，在现有粘度计中，由于永久磁铁装在振荡体4中，因此铁粒或其它磁性杂质会集结到振荡体上。而且，该粘度计容易清扫，这只须移开磁铁5或切断加于永久电磁铁的线圈上的直流电信号，然后就可方便地使用不受磁性吸力阻挡的清洗流体除去集结的铁粒。因此，该粘度计特别适用于装入管道系统，因为无需把该粘度计从该管道系统中卸下以从粘度计中拆下振荡体4单独进行清扫。无论如何，可使清洗流体流过粘度计的壳体1，无需把粘度计从管道系统中卸下。在清洗时，可把输到供电导体12的交流电信号和加于永久电磁铁的线圈的直流电信号都切断。我们发现，然后可特别简单而彻底地进行清洗工作。

圆筒形质体4的侧面与壳体1的壁之间的最小距离须满足如下要求，即当切变波到达壁时该切变波实际上已消失。对于牛顿液体来说，在2mm距离上且粘度为100mpa、频率为400Hz时，切变波的振幅衰减成原来的千分之一。

图2、3和4表示本发明振荡体。在图2的剖面图中，未画出线圈和检测装置的供电导体和输出导体。振荡体4由非磁性或非磁化材料制成，最合适的材料是奥氏体结构的不锈钢，例如不锈钢316。在某些应用中，塑料也足以敷用。振荡体4的顶部和底部封闭。扭转杆3的一端牢固连接到底盖15上，所述扭转杆的另一端牢固连接到底板2上。在壳体中，检测装置11在底盖15上方牢固连接到壳体上，而驱动线圈6用螺丝13和14牢固连接到壳体上(图2和图3)。

在本实施例中，检测装置11为加速度检测器。加速度检测器的优选实施例可从图4中看得更清楚。所述加速度检测器包括两牢固连接到振荡体上的支撑件16、17，所述支撑件16、17在一端分别支撑压电条18和19。压电条18和19的另一端可自由运动并分别装有重块20和21。

当因交流电加到驱动线圈6上引起振荡体4发生来回转动振动而振荡体4比方说以箭头R所示方向转动时，由于压电条18和19的惯性并且特别由于装在压电条18和19的自由端上的重块20和21的惯性，因此力K1和K2分别作用到所述压电条18和19上。力K1和K2使压电条18和19发生弯曲，因此压电条产生检测输出信号，该信号可被取出。然后可根据检测输出信号的振幅和加到振荡驱动线圈上的信号的振幅确定粘度参数。

但是，作为一种更优越的替代方案，可在驱动线圈6和由压电条18和19构成的检测装置之间连接一反馈电路，从而自动保持振荡装置的扭转振荡，可用比方说一微处理器根据检测信号与加于驱动线圈的激励信号的振幅之比确定待测流体或液体的粘度。本发明粘度计的测量电路中的所述反馈电路表示在图5中。

在图5中，压电条18和19简示为由P1和P2表示的压电件。压电件P1和P2经过并联的电阻R1和R2接至一仪器用放大器IA，图中示出了各极性。在图5所示的优选电路图中，反馈电路由所述仪器用放大器IA、滤波器F1、移相器FD、增益自动控制器AGC和放大器V1构成，驱动线圈6接放大器V1的输出。由于压电件P1和P2、反馈电路和驱动线圈6串联，因此可使图1、2、3和4所示的振荡体4不断发生扭转振动。

出现在移相器FD输出端的信号和出现在放大器V1与增益自动控制器AGC之间连接处的信号分别送往微处理器UP的输入端I2和I3，微处理器UP根据所述两信号振幅之比导出通到输出端02的粘度输出信号。微处理器UP输出端02处的粘度信号与加到该微处理器上的信号之间存在一定关系，该关系可由实验确定或计算得出。来自未画出的、位于振荡体近旁的一温度传感器的信号被送往放大器V2，该放大器的输出信号送往微处理器UP的输入端I1。因此微处理器的输出端01出现温度信号。来自温度传感器的信号可由微处理器用来进行温度补偿。

为保持扭转质体(扭转杆和振荡体)与底板2之间的机械接合面尽可能小，底板2的惯性矩选择得比扭转质体的惯性矩大。

磁铁5和7附近的所有构件材料，比方说线圈架、支撑件、壳体1的壁、振荡体4的壁和所有支撑件，都应由奥氏体不锈钢(比方说不锈钢316)或塑料之类的非磁性材料制成。而且，最好选择导热率尽可能小的材料，以使由涡流造成的振荡质体的阻尼尽可能小。

上述设计的粘度计变换器的一个巨大优点在于，温度对振荡体的共振频率的影响极微，从而通过测得的温度，微处理器就可方便地进行温度补偿。

而且，粘度计的电气部分非常简单，只包括很少元件。

本发明粘度计的最大优点是非常容易保养(清洗次数极少)，并且，在清洗壳体内部和振荡体时无需把粘度计从它们装入的管道系统中卸下。

此外，由于使用了检测装置和图5所示电路图，本发明粘度计具有补偿振荡体的平移的优点。

若发生平移振动，而这作为副作用实际上是经常发生的，压电条18和19就会以相反方向转动，从而送往仪器用放大器I A的电压就不会造成输出的变动。

图6和图7示出本发明一实施例，在该实施例中，本发明粘度计装在管子弯头22中，该管子弯头22设有把管子弯头22装配到管道系统中的固定法兰23和24。为例示起见，弯头22在粘度计处被剖开。振荡体4经扭转杆3连接到底座2上。扭转杆3和底座2是空心的，供放置在振荡体4中的驱动线圈以及压电条的供电导线和输出导线穿过。底座2用闭塞件25牢固连接到弯头22上。闭塞件25插入弯头22的孔26中后用螺丝27牢固连接到围成所述孔的法兰上。底座2插入闭塞件25的中心孔28后由固定螺母29牢固固定于其上。从底座2穿出的供电和输出导线通到装在壳体31中的粘度计的电路。壳体31用螺丝33和34通过带有法兰的圆筒形连接件32旋紧到闭塞件25上。此外，闭塞件25中装有温度传感器35，它通过连接导线36接至壳体31中的相应电路(见图7)。从图6中可清楚看到放置在振荡体4两边近旁的磁铁5、7之一。磁铁5的电磁化材料制成的铁芯37和相应线圈38装入在壳体39中，这两个部件作为一个组件可拆卸地装入在壳体39中的孔40中。然后，用螺丝42通过帽盖41进行固定。直流线圈的连接导线通过护管43接到壳体31中的相应电源上。

Claims (6)

1、一种装有把流体的粘度参数变换成电信号的变换器的粘度计，包括：一设有供待测流体流过的空腔的容器；一牢固连接到所述容器上的支撑件；一振荡装置，它的一端接至该支撑件，另一端为振荡体；一由交流电供电的振荡驱动线圈和不变磁场发生装置，以便使振荡体不断振荡；以及一用来检测振荡体的振荡的检测装置，该不变磁场发生装置放置在不与待测流体接触处，所述不变磁场发生装置产生的不变磁力线指向振荡体，并且，振荡驱动线圈装在振荡体中，其中心线与不变磁力线形成一小角度，其特征在于，该检测装置为一加速度检测器，该加速度检测器由两个压电条构成，它们互相平行，并位于一与振荡体振荡方向平行的平面内，每一个压电条的一端牢固连接到振荡体上，该连接点沿直径互相相对，而其另一端可在振荡体振动方向上自由移动且面对相反方向。

2、按权利要求1所述的粘度计，其特征在于，不变磁场发生装置由至少一个永久磁铁构成，该永久磁铁位于供待测流体流过的空腔的外部邻近振荡体处。

3、按权利要求1所述的粘度计，其特征在于，不变磁场发生装置由至少一个由直流电供电的线圈构成，该线圈位于供待测流体流过的空腔的外部邻近振荡体处，其中心线指向振荡体。

4、按权利要求1所述的粘度计，其特征在于，粘度参数根据所述检测器发出的信号的振幅和加于振荡驱动线圈的信号的振幅确定。

5、按权利要求4所述的粘度计，其特征在于，该加速度检测器通过一移相器接至振荡驱动线圈。

6、按权利要求5所述的粘度计，其特征在于，压电条的输出端分别接到一仪器用放大器的两输入端，该放大器的输出端接至移相器。

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