CN112748046B - 一种测量流体黏度和密度的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体黏度密度测试领域，公开了一种测量流体黏度和密度的装置，包括第一腔体、第二腔体、第三腔体、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，第一腔体与第二腔体通过第一管路连接，在第一管路上设有振动管密度计和黏度计，振动管密度计两端连接有锁相放大器；第三管路一端连接第三腔体，另一端分别与第二管路和第四管路的一端连接；第二管路另一端与第一管路连接，第四管路另一端与第一腔体连接；第一腔体、第二腔体和第三腔体均连接有驱动装置；在黏度计一端设有第一压力传感器，另一端设有第二压力传感器，在第三腔体上设有第三压力传感器和温度传感器。解决了不可同时测量单一物质或不同物质配比得到的混合物的黏度和密度的问题。

Description

一种测量流体黏度和密度的装置及测量方法

技术领域

本发明属于流体黏度密度测试领域，具体涉及一种测量流体黏度和密度的装置及测量方法。

背景技术

黏度和密度是流体重要的热物理性质。密度在工程热物理中具有非常重要的地位，对于提高设备或者系统的效率、实现整体的优化设计以及余热利用问题，工质的密度数据都是必不可少的。黏度作为流体的一种迁移性质，描述了动量传递现象，其精度的高低都将直接影响设备的使用寿命。准确的黏度和密度数据无论是对能源方面的研究、工业方面的需求、医疗方面的难题攻克或者饮食安全方面废把关都有着重要的意义。

所以无论从工业需求还是科学研究，物质的密度还有黏度都是不可或缺的参数，目前还没有同时测量黏度和密度的装置，也没有在同一个系统中可以按照比例配比得到混合物并测量的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量流体黏度和密度的装置及测量方法，解决了现有技术中不可同时测量单一物质或不同物质配比得到的混合物的黏度和密度的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测量流体黏度和密度的装置，包括第一腔体、第二腔体、第三腔体、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，第一腔体的出液口与第二腔体的出液口通过第一管路连接，在第一管路上设有振动管密度计和黏度计，振动管密度计两端连接有锁相放大器；

第三管路一端连接在第三腔体的出液口，另一端分别与第二管路和第四管路的一端连接；第二管路另一端与第一管路连接，第四管路另一端与第一腔体的出液口连接；

第一腔体、第二腔体和第三腔体的腔体内均设有活塞和伸缩杆，伸缩杆一端连接活塞，另一端连接有驱动装置；

在黏度计一端设有第一压力传感器，另一端设有第二压力传感器，在第三腔体上设有第三压力传感器和温度传感器；

第一管路上设有阀门V1，第二管路上设有阀门V2，第三管路上设有阀门V3，在第二腔体的出液口上设有阀门V4。

进一步，黏度计包括第一毛细管黏度计和第二毛细管黏度计，第一毛细管黏度计和第二毛细管黏度计的内径和长度不同。

进一步，第一毛细管黏度计和第二毛细管黏度计的一端连接有第一三通阀，另一端连接有第二三通阀。

进一步，第一压力传感器设置在第一腔体上。

进一步，驱动装置的动力源采用电动驱动、气压驱动或液压驱动方式。

进一步，在第一腔体、第二腔体和第三腔体上均设有可视窗口。

进一步，第二腔体和第三腔体公用驱动装置，该驱动装置采用双正排量液压泵。

进一步，第一腔体、第二腔体及第三腔体放置在恒温水浴箱中。

本发明还公开了所述的测量流体黏度和密度的装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、在第一腔体中置入第一种流体，在第三腔体内置入第二种流体，启动第三腔体的驱动装置，打开阀门V1和阀门V3，将第二种流体挤出，流入到第一腔体内，两种液体混合后，形成二元混合物；

S2、关闭阀门V2，打开阀门V4，启动第一腔体的驱动装置，将第一腔体内的二元混合物挤出，经振动管密度计和黏度计后流入到第二腔体中；

其中，在流体经过密度计时，通过锁相放大器观察到振动管密度计内的流体的共振峰，得到流体密度；在流体经过黏度计时，通过黏度计测出流体的黏度；

S3、启动第二腔体的驱动装置，将第二腔体内的二元混合物挤出，经黏度计和振动管密度计后流入到第一腔体中，再次进行密度和黏度的测量；

S4、重复步骤S2和S3，重复测量二元混合物的密度和黏度。

进一步，步骤S1中，第三腔体中的流体注入第一腔体中，包括两种情况：

当对第三腔体中的流体进行密度和黏度的测量时，打开阀门V2，关闭阀门V4，第四管路不连通，第三腔体中的流体经过第三管路和第二管路进入第一管路中，经黏度计和振动管密度计测量，流入第一腔体中，得到第三腔体中的流体密度和黏度；

当不对第三腔体中的流体进行密度和黏度的测量时，关闭阀门V2，第四管路连通，第三腔体中的流体经过第三管路和第四管路进入第一腔体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种测量流体黏度和密度的装置，包括第一腔体、第二腔体和第三腔体，第一腔体与第二腔体之间连接有振动管密度计和黏度计，第一腔体内置入第一种流体，第三腔体内置入有第二种流体，一开始将两种流体混合，得到带测量的二元混合物，待测量二元混合物可由第一腔体流至第二腔体或者由第二腔体流至第一腔体，并利用压力传感器测量压差，在测量过程中，利用锁相放大器获取高精度共振频率以检测二元混合物的稳定性与均匀性；第一腔体、第二腔体和第三腔体均连接有驱动装置，通过驱动装置将腔体内的液体挤出，实现流体的流动。该装置结构简单，不仅可对不同组分混合的流体进行重复的密度黏度测量，同时也可以对单一成分的流体也可测量，还可以控制两种流体的配比。

进一步，毛细管黏度计设计为一根长一根短，当流体黏度较大时，可以选择内径较大长度较长的毛细管进行黏度测量，而流体黏度较小时，可以选择内径较小长度较短的毛细管进行黏度测量，测量出的黏度数据值更精确。

进一步，经过试验得到在密度计中压降基本不影响，所以将第一压力传感器安装在第一腔体中，既可以保证其中流体压力低于泡点压力，又可以当作黏度计左侧的压力值，降低成本。

本发明还公开了所述测量流体黏度和密度的装置的测量方法，测量过程简单，二元混合物在第一腔体和第二腔体之间可以往复流动，流体经毛细管黏度计和振动管密度计进行密度和黏度的重复测量，通过多次测量，提高数据的准确性。

附图说明

图1为一种同时测量黏度和密度的实验装置。

图中：1为第一管路，2为锁相放大器，3为三通阀，4为第一毛细管黏度计，5为第二毛细管黏度计，6为第二压力传感器，7为第二管路，8为第三腔体，9为第三管路，10为第三压力传感器，11为第四管路，12为可视窗口，13第二腔体，14为振动管密度计，15为伺服马达，16为第一腔体，17为第一压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种测量黏度和密度的实验装置，包括第一腔体16、第二腔体13、第三腔体8、第一管路1、第二管路7、第三管路9和第四管路11，第一腔体16的出液口与第二腔体13的出液口通过第一管路1连接，在第一管路1上设有振动管密度计14和黏度计，振动管密度计14两端连接有锁相放大器2；第三管路9一端连接在第三腔体8的出液口，另一端分别与第二管路7和第四管路11的一端连接；第二管路7另一端与第一管路1连接，第四管路11另一端与第一腔体16的出液口连接；第一腔体16、第二腔体13和第三腔体8的体内均设有活塞和伸缩杆，伸缩杆一端连接活塞，另一端连接有驱动装置，用于将腔体内的液体挤出；在黏度计一端设有第一压力传感器17，另一端设有第二压力传感器6，在第三腔体8上设有第三压力传感器10和温度传感器。

在实验中，为了使制冷剂一直溶解于离子液体，应将运行压力控制在泡点压力以上，所以在第一腔体16上也应设置压力传感器。第一压力传感器17和第二压力传感器6的目的就是测量黏度计的压降，黏度计算中黏度和压降成正比，本来两个压力传感器应该直接安装在黏度计的两端，但是密度计中压降基本不影响，最终设计将第一压力传感器17安装在第一腔体16中，既可以保证其中流体压力低于泡点压力，又可以当作黏度计左侧的压力值。

液体混合物在一定压力下加热到某一温度时，液体中出现第一个很小的气泡，即刚开始沸腾时的温度叫该液体在指定压力下的泡点温度，简称泡点。在测量泡点压力的时候需要观察第一个气泡，当观察到这个气泡的时候，驱动装置就停止工作。

更优地，为便于准确测定混合物泡点压力，在腔体顶部设计透明可视窗口12，并利用高清相机协助监测。

毛细管黏度计和振动管密度计14由管路连接并置于第一腔体16和第二腔体13之间，待测量二元混合物可由第一腔体16流至第二腔体13或者由第二腔体13流至第一腔体16，并利用第一压力传感器17和第二压力传感器6测量压差。在测量过程中，利用锁相放大器2获取高精度共振频率以检测二元混合物的稳定性与均匀性。

更优地，黏度计包括第一毛细管黏度计4和第二毛细管黏度计5，第一毛细管黏度计4和第二毛细管黏度计5的内径和长度不同。第一毛细管黏度计4和第二毛细管黏度计5的两端各连接有一个三通阀3。

毛细管黏度计一根长一根短，与管路利用三通阀3进行控制。当流体黏度较大时，可以选择内径较大长度较短的毛细管进行黏度测量，而流体黏度较小时，可以选择内径较小长度较长的毛细管进行黏度测量。

更优地，驱动装置的动力源采用电动驱动、气压驱动或液压驱动方式，不限于这几种形式。

当采用电动驱动方式时，采用伺服马达15带动伸缩杆伸缩，进而带动活塞在腔体内移动，将腔体内的液体挤出或减小腔体内的压力。

当采用液压驱动方式时，可采用液压泵或液压缸，同样也是带动伸缩杆伸缩。

当采用气压驱动时，可采用气缸，伸缩杆与气缸的伸缩杆连为一体。

如图1所示，当第二腔体13和第三腔体8公用驱动装置时，可采用双正排量液压泵，包括液压泵QP1和QP2，可以获得更强的压力驱动，通过阀门控制与第二腔体13或第三腔体8连通，然后驱动腔体对工作流体进行加压。

第一管路1上设有阀门V1，第二管路7上设有阀门V2，第三管路9上设有阀门V3，在第二腔体13的出液口上设有阀门V4。

更优地，第一腔体16、第二腔体13、第三腔体8通过恒温水浴进行温度控制。

二元混合物包括气体和液体，以下以离子液体和制冷剂为例进行说明。

其工作过程如下所述：第一腔体16中放入已知量的离子液体，第三腔体8中充入制冷剂，保持阀门V1和阀门V3打开，记录此时制冷剂的温度及压力；控制驱动装置，使得第三腔体8中一定量的制冷剂注入第一腔体16，记录此时制冷剂的温度和压力，通过制冷剂的状态方程，可以由已知的温度压力计算出制冷剂的体积，进而得到注入第一腔体16中制冷剂的量，同时由于离子液体极小的饱和蒸汽压，通常可以认为离子液体不挥发，进而可以得到制冷剂溶解于离子液体中的量，即可获得二元混合物的组分。

关闭阀门V2，打开阀门V4，第一腔体16中获得的二元混合物在伺服马达15下压缩先进入振动管密度计14，振动管密度计14中U形管内的流体不是均匀的，只有当U形管的振动完全稳定时，才能观察到一个清晰的、可重复的共振峰，使用锁相放大器2的优点是：通过频率扫描得到的谐振峰的形状可以清楚地表明振动管密度计14内部流体的稳定性和均匀性。

从振动管密度计14出来的二元混合物进入毛细管黏度计，经过毛细管黏度计的二元混合物流入第二腔体13中，二元混合物在第二腔体13中被压缩可重新进入毛细管黏度计和振动管密度计14中进行密度和黏度的重复测量。通过多次测量，提高数据的准确性。

更优地，第三腔体8中流体注入第一腔体16，分为两个路径：

当需要对第三腔体8中的流体进行密度和黏度的测量时，打开阀门V2，第四管路11不连通，第三腔体8中的流体经过第三管路9和第二管路7进入第一管路1中，经黏度计和振动管密度计14测量，流入第一腔体16中，可得到第三腔体8中的流体密度和黏度。

当不需要对第三腔体8中的流体进行密度和黏度的测量时，关闭阀门V2，第四管路11连通，第三腔体8中的流体经过第三管路9和第四管路11直接进入第一腔体16，简单快速。

通过本发明的装置可以实现不同情况的流体密度和黏度的测量，通过阀门灵活调节，结构简单，成本低。

Claims (5)

1.一种测量流体黏度和密度的装置，其特征在于，包括第一腔体(16)、第二腔体(13)、第三腔体(8)、第一管路(1)、第二管路(7)、第三管路(9)和第四管路(11)，第一腔体(16)的出液口与第二腔体(13)的出液口通过第一管路(1)连接，在第一管路(1)上设有振动管密度计(14)和黏度计，振动管密度计(14)两端连接有锁相放大器(2)；

第三管路(9)一端连接在第三腔体(8)的出液口，另一端分别与第二管路(7)和第四管路(11)的一端连接；第二管路(7)另一端与第一管路(1)连接，第四管路(11)另一端与第一腔体(16)的出液口连接；

第一腔体(16)、第二腔体(13)和第三腔体(8)的腔体内均设有活塞和伸缩杆，伸缩杆一端连接活塞，另一端连接有驱动装置；

在第一腔体(16)上设置第一压力传感器(17)，在黏度计另一端设有第二压力传感器(6)，在第三腔体(8)上设有第三压力传感器(10)和温度传感器；

第一管路(1)上设有阀门V1，第二管路(7)上设有阀门V2，第三管路(9)上设有阀门V3，在第二腔体(13)的出液口上设有阀门V4；

黏度计包括第一毛细管黏度计(4)和第二毛细管黏度计(5)，第一毛细管黏度计(4)和第二毛细管黏度计(5)的内径和长度不同；第一毛细管黏度计(4)和第二毛细管黏度计(5)的两端各连接有三通阀(3)；

第一腔体(16)、第二腔体(13)及第三腔体(8)放置在恒温水浴箱中。

2.根据权利要求1所述的一种测量流体黏度和密度的装置，其特征在于，驱动装置的动力源采用电动驱动、气压驱动或液压驱动方式。

3.根据权利要求1所述的一种测量流体黏度和密度的装置，其特征在于，在第一腔体(16)、第二腔体(13)和第三腔体(8)上均设有可视窗口(12)。

4.根据权利要求1所述的一种测量流体黏度和密度的装置，其特征在于，第二腔体(13)和第三腔体(8)公用驱动装置，该驱动装置采用双正排量液压泵。

5.权利要求1～4任意一项所述的测量流体黏度和密度的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在第一腔体(16)中置入第一种流体，在第三腔体(8)内置入第二种流体，启动第三腔体(8)的驱动装置，打开阀门V1和阀门V3，将第二种流体挤出，流入到第一腔体(16)内，两种液体混合后，形成二元混合物；

S2、关闭阀门V2，打开阀门V4，启动第一腔体(16)的驱动装置，将第一腔体(16)内的二元混合物挤出，经振动管密度计(14)和黏度计后流入到第二腔体(13)中；

其中，在流体经过密度计时，通过锁相放大器(2)观察到振动管密度计(14)内的流体的共振峰，得到流体密度；在流体经过黏度计时，通过黏度计测出流体的黏度；

S3、启动第二腔体(13)的驱动装置，将第二腔体(13)内的二元混合物挤出，经黏度计和振动管密度计(14)后流入到第一腔体(16)中，再次进行密度和黏度的测量；

S4、重复步骤S2和S3，重复测量二元混合物的密度和黏度；

步骤S1中，第三腔体(8)中的流体注入第一腔体(16)中，包括两种情况：

当对第三腔体(8)中的流体进行密度和黏度的测量时，打开阀门V2，关闭阀门V4，第四管路(11)不连通，第三腔体(8)中的流体经过第三管路(9)和第二管路(7)进入第一管路(1)中，经黏度计和振动管密度计(14)测量，流入第一腔体(16)中，得到第三腔体(8)中的流体密度和黏度；

当不对第三腔体(8)中的流体进行密度和黏度的测量时，关闭阀门V2，第四管路(11)连通，第三腔体(8)中的流体经过第三管路(9)和第四管路(11)进入第一腔体(16)。

Images