CN205175869U - 石油粘度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种石油粘度测量装置，包括牵引机构、转动机构、检测机构以及控制机构，所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动，所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动，所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间，所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。该实用新型实现了全自动测量，使得测量精度高，且成本低，易于推广应用。

Description

石油粘度测量装置

技术领域

本实用新型涉及液体粘度测量领域，具体涉及一种石油粘度测量装置及测量方法。

背景技术

作为石油产品中一个重要的指标，粘度的性质对于油生物的分解能力是至关重要的。在日常生活中，粘度对于石油衍生出来的各种产品的质量，性能，用途有着十分重要的意义，同时也是决定石油产品流动特性好坏的一个关键性因素。当液体的粘度偏大时候，液体油膜就会大，液体在某些方面的性能会很好，比如润滑；当液体粘度偏小时候，无法形成足够大或者厚的油膜，就是增大摩擦力，对于长期使用油的机械是一种毁坏。

液体的运动粘度是在等温等压的环境下，液体粘度与自身密度之间的关系比值，所指的就是液体处于稳定流动时候所产生内部摩擦力。这种性质很广泛的用于测定柴油，润滑油等等石油衍生产品，甚至是一些橡胶或者原油。出国内无论是粘度的测量装置还是测量理论都与国外的产品有着很大的差距，自动化的程度不够，测量范围也有很大差距，硬件设备的不够完善直接影响的测量的效率和测量的精度。虽然国内的一些研究机构对于测量仪器在一定程度上进行了技术的改进，让一些设备仪器具备了自动测量的功能，但是这样做的成本花费很高而且第二次进行开发的潜在可能性不大，很难在各种各样的环境下对于不同液体进行测量。对于大型企业或者跨国外企而言，引进国外技术或者是设备没有多大问题，但是对于自主企业或者国内中小型企业而言，过多的引进虽然能够提高效率比，增加市场竞争力，达到更高的精度，但是进口的设备不但价格昂贵，而且维修费用高，不但会浪费现有设备，还会增加隐形的支出。因此在国内现有的技术上，开发出精度高，成本低，全自动的粘度测量装置就变得很有意义。

现在无论轻重工业中都运用十分广泛的毛细管方法是利用一个温度不变的毛细管，将待测定的液体灌入，因为毛细管自身的两端有一定的气压差，流体就会朝向毛细管设备的底部流动，流体流满毛细管所要用的时间t，是一个体现粘度的关键性物理量，在多次测量以后，统计出时间的平均值，紧接着依据毛细管的自身的参数(每根毛细管均有一已知的参数值)，代入到求粘度的公式里，通过计算便可获得相应流动液体的粘度值。测量过程中，环境的温度设定，流体运动间隔的时间计时和计算粘度值都是人工操作来完成的。同时，这一类型的粘度计因为本身结构为自重式，测量的主体十分局限，必须是标准的牛顿流体，并且这种粘度计对于测量的环境十分苛刻，多数情况要有一定型号的恒温装置来帮忙，一般只能用于工厂检验室，其测量过程为手工操作，对测得的数据还要做大量的运算处理。

在工业自动化生产的需求日益提高的今天，利用工人来测量所导致弊端已经暴露的异常明显。如，实验过程的时候测量人员必须手动的对仪器进调试，如此的话就会要求测量工人要有十分过硬的技术，在计数的过程中太过于依靠人工手动，过程不仅繁琐，而且降低了准确度，对于最后粘度的计算准确度也有很大的不确定因素，不仅如此，在测量数据管理方面也加大了测量人员的工作量。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本申请通过提供一种石油粘度测量装置，包括牵引机构、转动机构、检测机构以及控制机构，所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动，所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动，所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间，所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种石油粘度测量装置，包括牵引机构、转动机构、检测机构和控制机构，其中：所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动；所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动；所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间；所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。

作为一种优选的技术方案，所述转动机构为一根圆柱形的杠杆。

作为一种优选的技术方案，所述检测机构为超声波传感器，用于检测所述杠杆从最近点转动到最远点所用的时间。

作为一种优选的技术方案，所述检测机构为红外传感器或压力传感器，用于检测所述电磁铁启动到所述衔铁与所述电磁铁接触所经历的时间。

通电后确保电磁铁对衔铁产生恒定的吸力，该衔铁向电磁铁方向做横向移动，带动所述杠杆绕支撑轴做定轴转动，使得杠杆下端在油体中移动，所述超声波传感器设置于该杠杆上端的另一侧，所述控制机构控制电源的通断以及控制所述超声波传感器测得杠杆从最近点转动到最远点所用的时间，或者控制红外传感器或压力传感器检测所述电磁铁启动到所述衔铁与所述电磁铁接触所经历的时间。

由于电磁铁吸力恒定，且该石油粘度测量装置中电磁铁、杠杆以及衔铁的位置固定不变，电磁铁与衔铁吸合后，杠杆转动的角度是一个固定值，杠杆在不同粘度的油体中因受到的粘性阻力不同导致其运动时间是不同的，根据建立的数学模型，确定出杠杆运动相同距离所用的时间变化量与油体粘度间的关系式，从而得到待测油体的运动粘度。

上述装置的测量方法，按照以下步骤进行：

S1：将待测油体盛入半径为R的圆形容器中，且在其上方垂直设置一长度为L、半径为r₁、质量为m的圆柱形杠杆，该杠杆下端设置于待测油体中，中间设置有一支撑轴，支撑轴以上的杠杆长度为L₁，支撑轴以下的杠杆长度为L₂，浸入到待测油体中的杠杆长度为L₃；

S2：在所述杠杆的上端设置一电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，所述衔铁与杠杆的上端相连，该衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述杠杆沿所述支撑轴转动，电磁铁的启动时间受控制机构控制，且吸力为F₁，复位弹簧的倔强系数为k；

S3：控制机构控制电磁铁启动，使得杠杆转动角度为θ，并利用检测机构检测杠杆转动θ角度的时间为t；

S4：控制机构通过求解以下微分方程来计算待测油体的粘度η，其中ω为杠杆转动的角速度，微分方程为：

$\frac{1}{12}{\mathrm{mL}}^2\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=(F_1-{\mathrm{kL}}_{1}sin\mathrm{\θ})L_{1}cos\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\πr}}_1(L_2-\frac{L_2-L_3}{COS\mathrm{\θ}})*\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{R-r_1}*\[L_2(\frac{1}{2}+\frac{cos\mathrm{\θ}}{2})-\frac{1}{2}{L}_3\].$

进一步地，步骤S3中利用超声波传感器测量杠杆运动距离，再根据运动距离求得杠杆转动角度θ，求运动距离的具体步骤为：

S31：超声波传感器控制口发出大于等于10μs的高电平，并开始计时；

S32：判断接收端口是否输出高电平，如果是，则进入步骤S33，否则，继续执行步骤S32；

S33：停止计时，并读取计数器的值T；

S34：根据公式计算出杠杆运动的距离d，其中C为超声波在大气中的速度，T为超声波脉冲的往返时间。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该实用新型实现了全自动测量，使得测量精度高，且成本低，易于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的石油粘度测量装置结构示意图；

图2为本实用新型的杠杆运动示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种石油粘度测量装置及测量方法，包括牵引机构、转动机构、检测机构以及控制机构，所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动，所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动，所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间，所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种石油粘度测量装置，包括牵引机构、转动机构、检测机构和控制机构，其中：所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动；所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁吸力的牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动；所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间；所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。

作为一种优选的技术方案，所述转动机构为一根圆柱形的杠杆。

作为一种优选的技术方案，所述检测机构为超声波传感器，用于检测所述杠杆从最近点转动到最远点所用的时间。

作为一种优选的技术方案，所述检测机构为红外传感器或压力传感器，用于检测所述电磁铁启动到所述衔铁与所述电磁铁接触所经历的时间。

如图1所示，在本实施例中，牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，转动机构为一根圆柱形杠杆，检测机构为超声波传感器，控制机构为微处理器，通电后确保电磁铁对衔铁产生恒定的吸力，该衔铁向电磁铁方向做横向移动，带动所述杠杆绕支撑轴做定轴转动，使得杠杆下端在油体中移动，所述超声波传感器设置于该杠杆上端的另一侧，所述控制机构控制电源的通断以及控制所述超声波传感器测得杠杆从最近点转动到最远点所用的时间，或者控制红外传感器或压力传感器检测所述电磁铁启动到所述衔铁与所述电磁铁接触所经历的时间。

由于电磁铁吸力恒定，且该石油粘度测量装置中电磁铁、杠杆以及衔铁的位置固定不变，电磁铁与衔铁吸合后，杠杆转动的角度是一个固定值，杠杆在不同粘度的油体中因受到的粘性阻力不同导致其运动时间是不同的，根据建立的数学模型，确定出杠杆运动相同距离所用的时间变化量与油体粘度间的关系式，从而得到待测油体的运动粘度。

上述石油粘度测量装置的测量方法如下：

S1：如图2所示，将待测油体盛入半径为R的圆形容器中，且在其上方垂直设置一长度为L、半径为r₁、质量为m的圆柱形杠杆，该杠杆下端设置于待测油体中，中间设置有一支撑轴，支撑轴以上的杠杆长度为L₁，支撑轴以下的杠杆长度为L₂，浸入到待测油体中的杠杆长度为L₃；

S2：在所述杠杆的上端设置一电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，所述衔铁与杠杆的上端相连，该衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述杠杆沿所述支撑轴转动，电磁铁的启动时间受控制机构控制，且吸力为F₁，复位弹簧的倔强系数为k；

S3：控制机构控制电磁铁启动，使得杠杆转动角度为θ，并利用检测机构检测杠杆转动θ角度的时间为t；

S4：控制机构通过求解以下微分方程来计算待测油体的粘度η，其中ω为杠杆转动的角速度，微分方程为：

$\frac{1}{12}{\mathrm{mL}}^2\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=(F_1-{\mathrm{kL}}_{1}sin\mathrm{\θ})L_{1}cos\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\πr}}_1(L_2-\frac{L_2-L_3}{COS\mathrm{\θ}})*\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{R-r_1}*\[L_2(\frac{1}{2}+\frac{cos\mathrm{\θ}}{2})-\frac{1}{2}{L}_3\].$

杠杆在油体运动过程中主要受到电磁铁的吸力F₁、油体对杠杆的粘性阻力F₂以及复位弹簧的阻力kL₁sinθ的作用力，本实用新型所述的石油运动粘度测量装置中，电磁铁的吸力F₁大小保持不变。

粘性阻力F₂＝2πr₁lτ，式中r₁为杠杆的底面半径，l为杠杆运动时浸入油面以下的杠杆长度，τ为粘性剪切应力，根据牛顿内摩擦力定律，假设被测油体的粘度为η，杠杆在油体中运动时引起的圆筒形液体层的速度梯度为dv/dr，则 $\mathrm{\τ}=\mathrm{\η}\frac{dv}{dr},$ 因此，粘性阻力 $F_2=2{\mathrm{\πr}}_{1}l*\mathrm{\η}\frac{dv}{dr}.$

杠杆做定轴转动，根据质点系动量矩定理：式中，杠杆的转动惯量J_z，ω为定轴转动刚体某瞬时的角速度，为第i个质点所受的力F_i对定轴的轴距，因此得到刚体转动的微分方程：式中，J_z为刚体对定轴的转动惯量，为角加速度，θ为杠杆定轴转动时的偏移角度，M(F_i)为第i个质点所受的力F_i对定轴的轴距，即刚体对定轴的转动惯量与角加速度的乘积，等于作用在刚体的主动力对该轴距的代数和。

根据查表可得，细杠杆的转动惯量：式中m为杠杆的质量，L为杠杆的长度；

杠杆的动力矩运动方程为：(F₁-kL₁sinθ)L₁cosθ。

杠杆在往复运动过程中，浸入液面以下的杠杆长度l始终处于变化的过程，假设杠杆受到液体阻力均匀，且垂直于杠杆表面，此时杠杆的粘性力矩方程可以写成：

综上，

$\frac{1}{12}{\mathrm{mL}}^2\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=(F_1-{\mathrm{kL}}_{1}sin\mathrm{\θ})L_{1}cos\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\πr}}_1(L_2-\frac{L_2-L_3}{COS\mathrm{\θ}})*\mathrm{\η}\frac{dv}{dr}*\[L_2(\frac{1}{2}+\frac{COS\mathrm{\θ}}{2})-\frac{1}{2}{L}_3\]$

由于在杠杆运动过程中引起的液体流动为稳定流，所以在某一速度时候，液体流动速度的速度梯度是均匀的，即有：式中，R为盛装油体的圆筒形容器的半径；且v＝ωL₂，最终得到如下数学模型：

$\frac{1}{12}{\mathrm{mL}}^2\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}=(F_1-{\mathrm{kL}}_{1}sin\mathrm{\θ})L_{1}cos\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\πr}}_1(L_2-\frac{L_2-L_3}{COS\mathrm{\θ}})*\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{R-r_1}*\[L_2(\frac{1}{2}+\frac{COS\mathrm{\θ}}{2})-\frac{1}{2}{L}_3\].$

进一步地，步骤S3中利用超声波传感器测量杠杆运动距离，再根据运动距离求得杠杆转动角度θ，求运动距离的具体步骤为：

S31：超声波传感器控制口发出大于等于10μs的高电平，并开始计时；

S32：判断接收端口是否输出高电平，如果是，则进入步骤S33，否则，继续执行步骤S32；

S33：停止计时，并读取计数器的值T；

S34：根据公式计算出杠杆运动的距离d，其中C为超声波在大气中的速度，T为超声波脉冲的往返时间。

在本实施例中，所述超声波传感器为HC-SR04超声波测距模块，所述微处理器采用单片机STC89C52。

HC-SR04超声波测距模块的测距原理为：单片机STC89C52控制超声波测距模块的控制口Trig，使其发出大于等于10μs一个高电平，超声波测距模块的接收口Echo等待输出信号，当碰到某一阻挡其前进的障碍物时，信号会原路返回，超声波测距的接收口Echo感应到返回的信号，停止内部的计时程序。超声波从发射到返回时间，与一个高电平信号所持续的时间是一致的，所以依据高电平存在的时间可以计算出超声波走过的距离。杠杆开始运动时，单片机STC89C52开始计时，当单片机STC89C52得到超声波测距模块测出的距离后，将得到的两个相邻的距离数值进行比较，当距离的差值小于某一定值时，就表明电磁铁和衔铁已经吸合到底，此时停止计时，同时关闭电源，电磁铁停止吸合。

本申请的上述实施例中，通过提供一种石油粘度测量装置及测量方法，，包括牵引机构、转动机构、检测机构以及控制机构，所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动，所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动，所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间，所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。该实用新型实现了全自动测量，使得测量精度高，且成本低，易于推广应用。

应当指出的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种石油粘度测量装置，其特征在于，包括牵引机构、转动机构、检测机构和控制机构，其中：

所述牵引机构为电磁铁，该电磁铁包括衔铁和复位弹簧，且在所述控制机构的控制下启动；

所述转动机构的上端连接所述衔铁，转动机构的下端设置于待测油体中，转动机构的中间设置有一支撑轴，所述衔铁在电磁铁的吸力牵引下可带动所述转动机构沿所述支撑轴转动；

所述检测机构用于检测所述转动机构的转动角度或/和转动位移或/和转动时间；

所述控制机构用于控制所述牵引机构启动，并根据所述检测机构所检测到的参数计算待测油体的粘度。

2.根据权利要求1所述的石油粘度测量装置，其特征在于，所述转动机构为一根圆柱形的杠杆。

3.根据权利要求2所述的石油粘度测量装置，其特征在于，所述检测机构为超声波传感器，用于检测所述杠杆从最近点转动到最远点所用的时间。

4.根据权利要求2所述的石油粘度测量装置，其特征在于，所述检测机构为红外传感器或压力传感器，用于检测所述电磁铁启动到所述衔铁与所述电磁铁接触所经历的时间。