CN113324874A - 一种液体粘度测量装置 - Google Patents

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CN113324874A CN202110529222.2A CN202110529222A CN113324874A CN 113324874 A CN113324874 A CN 113324874A CN 202110529222 A CN202110529222 A CN 202110529222A CN 113324874 A CN113324874 A CN 113324874A
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张洪朋
史皓天
于爽
孙玉清
陈海泉
李文华
李国宾
张兴明
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Abstract

本发明提供一种液体粘度测量装置，包括：激励单元、检测单元、采集单元以及处理单元；激励单元通过引线与检测单元连接；激励单元用于输出高频交流电激励检测单元；检测单元用于检测标准球形颗粒，并产生电容信号或电感信号；采集单元用于采集电容信号或电感信号，并将信号时间差输送至处理单元；处理单元用于通过信号时间差获得标准球形颗粒在微流道中的加速度及在检测单元的速度信息，计算得到待测液体的粘度数据。本发明利用相对介电常数原理及电磁感应原理检测通过检测单元的脉冲信号，设计多个传感模块并通过算法处理确定待测液体中标准球形颗粒的加速度，实时测量待测液体粘度，大程度消除测量误差，规避液体粘度测量过程中的人为影响。

Description

一种液体粘度测量装置
技术领域
本发明涉及液体粘度测量技术领域，具体而言，尤其涉及一种液体粘度测量装置。
背景技术
流体粘度是流体流动过程中流层间由于相对运动产生内摩擦而对流动产生阻力的性质，是表征流体流动状态的参数。粘度测量在石油、化工等工业领域以及生物、医学等领域具有重要意义。例如在机械液压、润滑等系统中，油液粘度随系统中油温变化，且受系统中污染物属性、浓度等性质影响。粘度是流体的重要物理性质，是判断油液质量的重要参考指标，是油液运行劣化的重要警示指标。
当油液粘度过小时，由于油膜强度下降，机械表面形成边界摩擦，设备表面间磨损加剧；当油液粘度过大时，设备表面间摩擦阻力增大，使得摩擦副磨损加剧，同时标志油品过度氧化衰变，添加剂逐渐失效。通过对油液粘度的测量，可直接监测油液状态，进而判断系统运行状况，实现对重大事故的预判，避免重大经济损失。因此，液体粘度测量对工业经济发展具有重大意义。
当前，该领域对液体粘度测量的常用方法有落球法、转筒法以及毛细管法等。其中，落球法需使用停表等仪器，人为影响因素大，目前也有应用激光对准球体通过感光记录球体下落一定距离的时间，但难以对激光进行调节使其对准实验中大尺寸通道中的小尺寸球体，实验成功率低；转筒法匀速段不易确定，使得实验数据误差较大；当毛细管直径很小而测量的液体样品粘度过大时，测定结果则会产生较大误差。
发明内容
根据上述现有技术的粘度测量过程人为影响大、抗干扰性较弱、实验数据误差大、系统设计复杂且无法实时检测的技术问题，提供一种液体粘度测量装置。本发明主要利用相对介电常数原理，检测通过多个电容传感模块的电容脉冲信号或检测通过多个电感传感模块的电感脉冲信号，设计多个传感模块并通过算法处理确定待测液体中标准球形颗粒的加速度，实时测量待测液体粘度，大程度消除测量误差，规避液体粘度测量过程中的人为影响。
本发明采用的技术手段如下：
一种液体粘度测量装置，包括：激励单元、检测单元、采集单元以及处理单元；激励单元通过引线与检测单元连接；
所述激励单元用于输出高频交流电激励检测单元；
所述检测单元用于检测标准球形颗粒，并产生电容信号或电感信号；
所述采集单元用于采集电容信号或电感信号，并将信号时间差输送至处理单元；
所述处理单元用于通过信号时间差获得标准球形颗粒在微流道中的加速度及在检测单元的速度信息，计算得到待测液体的粘度数据。
进一步地，所述检测单元通过模塑法嵌于芯片基体中；芯片基体包括：液体入口、液体出口、连通液体入口和液体出口的微流道；液体入口后方的微流道上还连通有标准球形颗粒添加口，液体出口前方的微流道上还连通有储液区。
进一步地，所述检测单元包括电容传感模块和电感传感模块；电容传感模块和电感传感模块分别设置在所述标准球形颗粒添加口与所述储液区之间。
进一步地，所述电容传感模块包括第一电容传感模块、第二电容传感模块以及第三电容传感模块；第一电容传感模块包括对置于微流道两侧的第一电容极板和第二电容极板；第二电容传感模块包括对置于微流道两侧的第三电容极板和第四电容极板；第三电容传感模块包括对置于微流道两侧的第五电容极板和第六电容极板；
所述电感传感模块包括第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈；第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈分别设置在所述微流道的一侧。
进一步地，所述第一电容传感模块、第二电容传感模块以及第三电容传感模块与采集单元的引线端并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒经过各电容传感模块时的电容信号，将检测到的电容信号全部显示于同一电容信号图中；
所述第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈与采集单元的引线端串/并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒经过各平面线圈时的电感信号，将检测到的电感信号全部显示于同一电感信号图中。
进一步地，所述液体粘度测量装置还包括设置在所述液体入口处的驱动装置，用于向待测液体施加定压，以保证微流道内压力恒定，使液体的流动具有稳定的加速度。
进一步地，所述标准球形颗粒添加口用于向微流道的待检液体中投注标准球形颗粒；
进一步地，所述标准球形颗粒的密度大于待检液体的颗粒密度；电容传感模块所采用的标准球形颗粒的介电常数与待检液体的介电常数相差大；电感传感模块所采用的标准球形颗粒为能够引起电感传感模块原有磁场强度变化的金属颗粒。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的液体粘度测量装置，能够提高液体粘度检测灵敏度，大程度规避粘度测量的人为影响，降低实验数据误差，实现液体粘度的实时监测且系统设计简单、操作简便。将该液体粘度检测装置应用于油液检测领域，可提高油液粘度检测灵敏度，从而准确检测油液状态，预判机械设备故障发生，降低含有液压油、润滑油系统的维护运营成本。
基于上述理由本发明可在液体粘度测量等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置结构框图。
图2为本发明一个实施例提供的芯片结构示意图。
图3为本发明另一个实施例提供的芯片结构示意图。
图4为本发明实施例提供的电容传感模块局部示意图。
图5为本发明实施例提供的电容传感模块与采集模块并联连接图。
图6为本发明实施例提供的电感传感模块局部示意图。
图7为本发明实施例提供的电感传感模块与采集模块并联连接图。
图8为本发明实施例提供的电感传感模块与采集模块串联连接图。
图9为本发明实施例提供的电容式大介电常数颗粒电容信号波形示意图。
图10为本发明实施例提供的电容式小介电常数颗粒电容信号波形示意图。
图11为本发明实施例提供的电感式铁磁性金属颗粒电感信号波形示意图。
图12为本发明实施例提供的电感式非铁磁性金属颗粒电感信号波形示意图。
图中：1、芯片基体；2、驱动装置；3、液体入口；4、液体出口；5、储液区；6、微流道；7、标准球形颗粒添加口；8、标准球形颗粒；9、第一电容传感模块；9-1、第一电容极板；9-2、第二电容极板；10、第二电容传感模块；10-1、第三电容极板；10-2、第四电容极板；11、第三电容传感模块；11-1、第五电容极板；11-2、第六电容极板；12、第一平面线圈；13、第二平面线圈；14、第三平面线圈。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了液体粘度测量装置，包括：激励单元、检测单元、采集单元以及处理单元；激励单元通过引线与检测单元连接；
所述激励单元用于输出高频交流电激励检测单元；
所述检测单元用于检测标准球形颗粒，并产生电容信号或电感信号；
所述采集单元用于采集电容信号或电感信号，并将信号时间差输送至处理单元；
所述处理单元用于通过信号时间差获得标准球形颗粒在微流道中的加速度及在检测单元的速度信息，计算得到待测液体的粘度数据。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述检测单元通过模塑法嵌于芯片基体中；如图2-3所示，芯片基体1包括：液体入口3、液体出口4、连通液体入口3和液体出口4的微流道6；液体入口3后方的微流道6上还连通有标准球形颗粒添加口7，液体出口4前方的微流道6上还连通有储液区5。本实施例中，通过模塑法，使用铸造液——PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料与固化剂以10:1比例混合，制作芯片基体1，利用模具浇注使芯片内形成液体入口3、液体出口4、微流道6、标准球形颗粒添加口7，并将检测单元嵌入芯片基体1中；
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图2-3，所述检测单元包括电容传感模块和电感传感模块；电容传感模块和电感传感模块分别设置在所述标准球形颗粒添加口7与所述储液区5之间。所述电容传感模块包括第一电容传感模块9、第二电容传感模块10以及第三电容传感模块11；
如图4所示，第一电容传感模块包括对置于微流道6两侧的第一电容极板9-1和第二电容极板9-2；第二电容传感模块10包括对置于微流道6两侧的第三电容极板10-1和第四电容极板10-2；第三电容传感模块11包括对置于微流道6两侧的第五电容极板11-1和第六电容极板11-2；微流道6位于极板间，使得待检液体自极板间通过；
如图5所示，所述第一电容传感模块9、第二电容传感模块10以及第三电容传感模块11与采集单元的引线端并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒8经过各电容传感模块时的电容信号，将检测到的电容信号全部显示于同一电容信号图中；
如图6所示，所述电感传感模块包括第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14；第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14分别设置在所述微流道6的一侧。第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14的规格一致，均为由漆包线绕制而成的平面线圈，线圈线径为70微米，线圈内径为300微米，绕制120匝。
如图7-8所示，所述第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14与采集单元的引线端串/并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒8经过各平面线圈时的电感信号，将检测到的电感信号全部显示于同一电感信号图中。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述液体粘度测量装置还包括设置在所述液体入口3处的驱动装置2，用于向待测液体施加定压，以保证微流道6内压力恒定，使液体的流动具有稳定的加速度。
本发明实施例提供的液体粘度测量装置的电感模式工作原理如下：
激励单元以2V、2MHz高频交流电向检测单元输送激励，装置所使用的标准球形颗粒8为铁磁性金属颗粒/非铁磁性金属颗粒。铁磁性金属颗粒以铁颗粒为例，其粒径为100微米～3毫米。非铁磁性金属颗粒以铜颗粒为例，其粒径为150微米～4毫米；
待检液体经驱动装置2自液体入口3定压注入，进入装置微流道6内。标准球形颗粒8(金属颗粒)自标准球形颗粒添加口7进入含有待检液体的微流道6中，依次经过第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14。当铁磁性金属颗粒分别经过第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14时，由于铁磁性金属颗粒在磁场中存在的磁化效应，电感传感模块磁场感抗增强，会产生一个正向的电感脉冲信号；当非铁磁性金属颗粒分别经过第一平面线圈12、第二平面线圈13以及第三平面线圈14时，由于非铁磁性金属颗粒在磁场中存在的涡流效应，电感传感模块磁场感抗减弱，会产生一个负向的电感脉冲信号；设定第一平面线圈12处标准球形颗粒8的流动速度为v1；第二平面线圈13处标准球形颗粒8的流动速度为v2；第一平面线圈12与第二平面线圈13间距离为L1，检测到的两信号时间差为t1；第二平面线圈13与第三平面线圈14间距离为L2，检测到的两信号时间差为t2。已知L1、L2、t1、t2，根据公式：
Figure BDA0003066598690000081
v2＝v1+at1
Figure BDA0003066598690000082
即可知标准球形颗粒8在微流道6内的加速度a，以及在各平面线圈处的速度v，且该操作可消除标准球形颗粒8在进入微流道6后的水平方向速度误差。标准球形颗粒8在微流道6中受到驱动装置2的驱动力F以及在待测液体中的粘性阻力Fη：
Figure BDA0003066598690000091
Fη＝A·τ＝4πr2·τ
Figure BDA0003066598690000092
式中，Fη为标准球形颗粒8受到的粘性阻力，m为其质量，ρ为其密度，r为其半径，A为其外表面积，τ为其所受的粘性剪切应力，
Figure BDA0003066598690000093
为其运动中的速度梯度，η为待测液体粘度。
将各平面线圈与采集单元串/并联连接，使不同电感传感单元所检测到的同一标准球形颗粒8的电感脉冲体现在同一电感信号图中，如图11、12所示；采集单元采集各平面线圈处检测到的电感信号，并将其输送至处理单元，经数据处理得到待检液体粘度η。
本发明实施例提供的液体粘度测量装置的电容模式工作原理如下：
激励单元以2V、2MHz高频交流电向检测单元输送激励，装置所使用的标准球形颗粒8为与待检液体存在较大相对介电常数且密度大于待检液体颗粒的大/小介电常数颗粒(此处大/小介电常数颗粒指介电常数大/小于待检液体介电常数的颗粒)。当待检液体是常温下介电常数为2.6的油液时，大介电常数颗粒以介电常数趋于无穷的铝为例，其粒径为100微米～3毫米；小介电常数颗粒以常温下介电常数为1.2的玻璃为例，其粒径为150微米～4毫米；微流道6内径为300微米～5毫米；
当大介电常数颗粒分别经过第一电容传感模块9、第二电容传感模块10以及第三电容传感模块11时，由于大介电常数颗粒处于电容传感模块电场中，引起电容传感模块电容增强，会产生一个正向的电容脉冲信号；由于小介电常数颗粒处于电容传感模块电场中，引起电容传感模块电容削弱，会在产生一个负向的电容脉冲；
实施例中设计检测单元包含3个电容传感模块，即第一电容传感模块9、第二电容传感模块10以及第三电容传感模块11。3个电容传感模块结构一致，第一电容传感模块包括对置于微流道6两侧的第一电容极板9-1和第二电容极板9-2；两电容极板间隔300微米～5毫米。第二电容传感模块10包括对置于微流道6两侧的第三电容极板10-1和第四电容极板10-2；两电容极板间隔300微米～5毫米。第三电容传感模块11包括对置于微流道6两侧的第五电容极板11-1和第六电容极板11-2；两电容极板间隔300微米～5毫米。各电容极板规格一致，均为金属电极板；
待检液体经驱动装置2自液体入口3定压注入，进入装置微流道6内。标准球形颗粒8(与待检液体存在较大相对介电常数且密度大于待检液体的颗粒)自标准球形颗粒添加口7进入含有待检液体的微流道6中，依次经过第一电容传感模块9、第二电容传感模块10以及第三电容传感模块11。设定第一电容传感模块9处标准球形颗粒8的流动速度为v1；第二电容传感模块10处标准球形颗粒8的流动速度为v2；第一电容传感模块9与第二电容传感模块10间距离为L1，检测到的两信号时间差为t1；第二电容传感模块10与第三电容传感模块11间距离为L2，检测到的两信号时间差为t2。已知L1，L2，t1、t2，根据公式：
Figure BDA0003066598690000101
v2＝v1+at1
Figure BDA0003066598690000102
即可知标准球形颗粒8在微流道6内的加速度a，以及在各电容传感模块处的速度v，且该操作可消除标准球形颗粒8在进入微流道6后的水平方向速度误差。
标准球形颗粒8在微流道6中受到驱动装置2的驱动力F以及在待检液体中的粘性阻力Fη：
Figure BDA0003066598690000103
Fη＝A·τ＝4πr2·τ
Figure BDA0003066598690000111
式中，Fη为标准球形颗粒8受到的粘性阻力，m为其质量，ρ为其密度，r为其半径，A为其外表面积，τ为其所受的粘性剪切应力，
Figure BDA0003066598690000112
为其运动中的速度梯度，η为待检液体粘度。
将各电容传感模块与采集单元并联连接，使不同电容传感模块所检测到的同一标准球形颗粒8的电容脉冲体现在同一电容信号图中，如图9、10所示；采集单元采集各电容传感模块处检测到的电容信号，并将其输送至处理单元，经数据处理得到待检液体粘度η。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种液体粘度测量装置，其特征在于，包括：激励单元、检测单元、采集单元以及处理单元；激励单元通过引线与检测单元连接；
所述激励单元用于输出高频交流电激励检测单元；
所述检测单元用于检测标准球形颗粒，并产生电容信号或电感信号；
所述采集单元用于采集电容信号或电感信号，并将信号时间差输送至处理单元；
所述处理单元用于通过信号时间差获得标准球形颗粒在微流道中的加速度及在检测单元的速度信息，计算得到待测液体的粘度数据。
2.根据权利要求1所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述检测单元通过模塑法嵌于芯片基体中；芯片基体包括：液体入口、液体出口、连通液体入口和液体出口的微流道；液体入口后方的微流道上还连通有标准球形颗粒添加口，液体出口前方的微流道上还连通有储液区。
3.根据权利要求1所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述检测单元包括电容传感模块和电感传感模块；电容传感模块和电感传感模块分别设置在所述标准球形颗粒添加口与所述储液区之间。
4.根据权利要求3所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述电容传感模块包括第一电容传感模块、第二电容传感模块以及第三电容传感模块；第一电容传感模块包括对置于微流道两侧的第一电容极板和第二电容极板；第二电容传感模块包括对置于微流道两侧的第三电容极板和第四电容极板；第三电容传感模块包括对置于微流道两侧的第五电容极板和第六电容极板；
所述电感传感模块包括第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈；第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈分别设置在所述微流道的一侧。
5.根据权利要求4所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述第一电容传感模块、第二电容传感模块以及第三电容传感模块与采集单元的引线端并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒经过各电容传感模块时的电容信号，将检测到的电容信号全部显示于同一电容信号图中；
所述第一平面线圈、第二平面线圈以及第三平面线圈与采集单元的引线端串/并联连接，当检测单元检测到标准球形颗粒经过各平面线圈时的电感信号，将检测到的电感信号全部显示于同一电感信号图中。
6.根据权利要求1所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述液体粘度测量装置还包括设置在所述液体入口处的驱动装置，用于向待测液体施加定压，以保证微流道内压力恒定，使液体的流动具有稳定的加速度。
7.根据权利要求2所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述标准球形颗粒添加口用于向微流道的待检液体中投注标准球形颗粒。
8.根据权利要求7所述的液体粘度测量装置，其特征在于，所述标准球形颗粒的密度大于待检液体的颗粒密度；电容传感模块所采用的标准球形颗粒的介电常数与待检液体的介电常数相差大；电感传感模块所采用的标准球形颗粒为能够引起电感传感模块原有磁场强度变化的金属颗粒。
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