CN113390757B - 一种石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法，主要包括如下步骤：S1：待标定的石英音叉传感器分别浸入若干种不同粘度的液体中，测量出石英音叉传感器在对应液体中、不同频率f下的阻抗值Z；S2：计算各粘度液体的阻抗‑频率一阶导数；S3：根据各粘度液体的阻抗‑频率一阶导数划分粘度区间；S4：标定各区间的粘度系数。本发明通过石英音叉传感器的阻抗‑频率一阶导数划分出低粘度与中高粘度两个粘度区间，在两个粘度区间分别对传感器进行标定，由于石英音叉传感器在低粘度区间与中高粘度区间均具有较高的线性度，使石英音叉传感器的测量范围扩大了，同时测量误差小。

Description

一种石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法
技术领域
本发明涉及液体粘度测量技术领域，尤其是利用石英音叉测试液体粘度的传感器的标定方法和利用石英音叉液体粘度的传感器测试液体粘度的方法。
背景技术
粘度值是液体的重要物性参数之一，对机械设备的润滑和承载具有重要影响。由于石英音叉具有压电效应，能够将音叉浸入液体后的机械模型与电学模型联系起来，所以近年来采用石英音叉制作液体粘度传感器不断发展。现有的石英音叉液体粘度传感器测量范围较窄，测量范围通常为0-50cP，而且在测量粘度较低的液体时精度较低。
发明内容
本申请人针对上述现有石英音叉液体粘度传感器存在的缺点，提供一种石英音叉液体粘度传感器的标定方法和一种利用石英音叉液体粘度传感器测试液体粘度的方法，该方法不但能够扩大测量范围，而且能够提高测量精度。
本发明所采用的技术方案如下：
一种石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法，主要包括如下步骤：
S1：待标定的石英音叉传感器分别浸入若干种不同粘度的液体中，测量出石英音叉传感器在对应液体中、不同频率f下的阻抗值Z；
S2：计算各粘度液体的阻抗-频率一阶导数；
S3：根据各粘度液体的阻抗-频率一阶导数划分粘度区间；
S4：根据
Figure 963146DEST_PATH_IMAGE001
标定各区间的粘度系数。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤S2中，各粘度液体的阻抗-频率一阶导数中，有些液体的阻抗-频率一阶导数既包含有正值也包含有负值，有些液体的阻抗-频率一阶导数仅包含了负值。
在步骤S3中，粘度区间划分为两个区间：低粘度区间与中高粘度区间。
区间划分的依据为在阻抗-频率一阶导数中是否含有正值，一阶导数中含有正值的液体划入低粘度区间，一阶导数中仅含有负值而无正值的液体则划入中高粘度区间。
在步骤S4中，分别对低粘度区间与中高粘度区间进行粘度系数的标定或测量待测液体的粘度。
本发明的有益效果如下：
本发明通过石英音叉传感器的阻抗-频率一阶导数划分出低粘度与中高粘度两个粘度区间，在两个粘度区间分别对传感器进行标定，由于石英音叉传感器在低粘度区间与中高粘度区间均具有较高的线性度，使石英音叉传感器的测量范围扩大了1倍以上，达到了0-120cP；同时测量误差小，尤其对于粘度较低的液体，可以获得更为精确的液体粘度数据。
附图说明
图1为本发明在标定和测量时的流程图。
图2为石英音叉液体粘度传感器在低粘度区间和中高粘度区间的线性度情况。
图3为利用石英音叉液体粘度传感器在不同粘度机油中测得的频率-阻抗曲线图。
图4利用石英音叉液体粘度传感器在不同粘度机油中测得的频率-阻抗一阶导数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明所述的石英音叉液体粘度传感器的标定方法以及利用石英音叉液体粘度测量待测液体粘度主要包括如下步骤：
S1：测量液体不同频率的阻抗值；
S2：计算阻抗-频率的一阶导数；
S3：划分粘度区间；
S4：标定粘度系数或测量待测液体的粘度。
以下为各个步骤的具体描述：
步骤S1：在该步骤中，将待标定的石英音叉传感器分别浸入若干种不同粘度的液体中，测量出石英音叉传感器在对应液体中、不同频率f下的阻抗值Z，根据测量结果值拟合出各不同粘度液体的阻抗-频率曲线图。在测量时，分别记录各粘度液体的谐振电导Gl和谐振频率fl。
如图3所示，在本实施例中，分别测量了粘度为8.4cP、10cP、12.1cP、14.8cP、18.3cP、21.1cP、26.5cP、27.6cP、35.4cP、42.2cP、50.3cP、65.7cP、86.8cP、98.7cP、117cP的机油在不同频率f下的阻抗值Z，拟合出相应的阻抗-频率曲线图。
步骤S2：根据步骤S1测量的阻抗-频率曲线图，通过D(x)=d(Z)/d(f)计算出阻抗-频率的一阶导数，根据计算的结果，拟合出不同粘度液体的阻抗-频率一阶导数曲线图。一阶导数表示的是函数在某一点的变化率，即函数在某一点上切线的斜率，当函数单调递增时，斜率（变化率）为正，函数单调递减时，斜率（变化率）为负。如图3所示，从各粘度液体的阻抗-频率曲线图可知，有些液体的阻抗-频率曲线各点的斜率既有递增的也有递减的，而有些液体的阻抗-频率曲线各点的斜率均为递减的，因此，如图4所示，各粘度液体的阻抗-频率一阶导数曲线中，有些液体的阻抗-频率一阶导数既包含有正值也包含有负值，有些液体的阻抗-频率一阶导数仅包含了负值。
如图4所示，具体到本实施例中，粘度为8.4cP、10cP、12.1cP、14.8cP、18.3cP、21.1cP、26.5cP、27.6cP的液体的阻抗-频率一阶导数既包含有正值也包含有负值，粘度为35.4cP、42.2cP、50.3cP、65.7cP、86.8cP、98.7cP、117cP的液体的阻抗-频率一阶导数仅包含了负值。
步骤S3：根据步骤S2测算出的阻抗-频率一阶导数曲线图，将粘度区间划分为两个区间：低粘度区间与中高粘度区间；区间划分的依据为在阻抗-频率一阶导数中是否含有正值，一阶导数中含有正值的液体划入低粘度区间，一阶导数中仅含有负值而无正值的液体则划入中高粘度区间。
步骤S4：区间划分好后，根据如下公式标定出石英音叉传感器在低粘度区间与中高粘度区间这两个区间的粘度系数K1、K2值：
Figure 303123DEST_PATH_IMAGE001
式中，η为液体的粘度；ρl为液体的密度；Gl 为音叉谐振电导；fl 为音叉谐振频率。
K1、K2即为石英音叉传感器低粘度区间与中高粘度区间标定出的粘度系数值。
在利用石英音叉传感器测量未知液体的粘度时，先根据测量的参数判断所测液体的粘度所属的粘度区间为中高粘度区间或低粘度区间，然后根据所属的粘度区间选用标定粘度系数值。
本发明通过石英音叉传感器的阻抗-频率一阶导数划分出低粘度与中高粘度两个粘度区间，在两个粘度区间分别标定粘度系数，将石英音叉传感器的测量范围在现有的基础上扩大了1倍以上，达到了0-120cP。如图2所示，石英音叉传感器在低粘度区间与中高粘度区间均具有较高的线性度，测量误差小，尤其对于粘度较低的液体，采用低粘度区间的标定粘度系数值，可以获得更为精确的粘度数据。
以上描述是对本发明的解释，不是对本发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法，其特征在于：主要包括如下步骤：
S1：待标定的石英音叉传感器分别浸入若干种不同粘度的液体中，测量出石英音叉传感器在对应液体中、不同频率f下的阻抗值Z；
S2：计算各粘度液体的阻抗-频率一阶导数；
S3：根据各粘度液体的阻抗-频率一阶导数划分粘度区间，粘度区间划分为两个区间：低粘度区间与中高粘度区间，区间划分的依据为在阻抗-频率一阶导数中是否含有正值，一阶导数中含有正值的液体划入低粘度区间，一阶导数中仅含有负值而无正值的液体则划入中高粘度区间；
S4：根据
Figure DEST_PATH_IMAGE001
标定各区间的粘度系数，其中，η为液体的粘度，ρl为液体的密度，Gl为音叉谐振电导，fl 为音叉谐振频率，K为粘度系数值。
2.按照权利要求1所述的石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法，其特征在于：在步骤S2中，各粘度液体的阻抗-频率一阶导数中，有些液体的阻抗-频率一阶导数既包含有正值也包含有负值，有些液体的阻抗-频率一阶导数仅包含了负值。
3.按照权利要求1所述的石英音叉液体粘度传感器的标定与测量方法，其特征在于：在步骤S4中，分别对低粘度区间与中高粘度区间进行粘度系数的标定或测量待测液体的粘度。
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