幻灯片

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1.2 国内外粘度测量技术的发展现状和趋势 1.2.1国外粘度测量技术的发展现状
国外近期在粘度测量方面主要采用振动波测量法、陀螺旋转测量法和 毛细管测量法三种方法。
振动波测量法是通过对被测样本中传
导振动波的波形分析，推导出样本粘度 值。在该领域英国和日本技术处于世界 前列。英国Hyrdramotion利用振动波衰 减法研制出V700型粘度计，它的传感器 末端是一个振动锤，产生标准频率的振 动。振动时，传感器可移动的部分剪切 被测样本，由于样本粘度不同，产生对 该部分的剪切力度也不同，从而损耗不 同的能量，根据振动损耗的能量被传感 电路测定并显示在微处理器的显示屏上， 从这个能量损耗上就可以得出液体的粘 度值。

图2.6 量筒底部超声波反射示意 图
1—超声波发射器； 3—隔音带 2—超声波接收器；
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2.2.2 测量方案
方案一 在量筒底部中心位置安装超声波收/发器， 当超声波的发射换能器向液体中的落球发射频 率为f1 的超声波时，落球将声波反射到接收换 能器，因为落球在液体中垂直下落，故反射的 超声波将产生多普勒频移。 当落球以速度u下落，设落球收到的超声 波频率为f ’（第一次多普勒效应频率）， 超声波在被测液体中的传播速度为c，则 f1 和f ’ 的关系式：
1.2.2.3 落球法 常温下，对于半径为r、密度为rs的光滑小球在密度为rL的有限量液 体中匀速沉降时，必须考虑容器半径R与高度h的影响。对于半径为r的小 球,常用修正式计算粘度：

光电落球粘度计
rs rL 2 2 gr r r 9 (1 2.4 )(1 3.3 )v0 R h
光电落球粘度计结构示意图
仪器通过磁电转换控制电磁铁自动释放 小球，同时给出脉冲，启动计时系统，小球 沿中心轴线垂直下落；当小球挡住光源时， 由光电传感器给出信号，关闭计时系统。由 于小球的下落长度(液面与光电传感器之间 的距离)固定不变，因此将测得t代公式，得 被测液体粘度值。该装置的优点在于：采用 了磁电和光电装置，不但可以测量小球下落 的时间，还解决了传统落球粘度计中小球易 偏心下降的问题。缺点是要求刚性落球在被 测液体中以恒定很小速度下落，且由于使用 光电传感器，无法检测不透明液体的粘度。
光电落球法
落球对聚合物液 体的剪切力极小， 粘度值基本不表 现对切变速率的 依赖。能较客观 的反映大分子之 间的缠结状态， 即分子之间的相 互作用状态，可 获得静态粘度值。 适用于较高粘度 的测定。 要求刚性落球在 被测液体中以恒 定很小速度下落； 且由于使用光敏 传感器，无法检 测不透明液体的 粘度。
振动式粘度计结构图
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陀螺旋转测量法是利用旋转液体
对陀螺的剪切力矩与陀螺反向力矩平衡的 原理来测定液体粘度。近期，美国基尼弗 尼亚大学的Smith设计了基于Labview平台 虚拟仪器的新型粘度计。
该粘度计具有独立陀螺锥板转子结构。 当电机转动时，使得转盘随之旋转， 同时使容器内的液体以及液体上部的 锥板转子也随之转动。当转盘突然停 止转动时，由于惯性的作用，液体和 转子要继续旋转，由于受到液体的剪 切粘滞力作用，角速度将逐渐减小。 在计算机的控制下，数据采集模块通 过光电元件实时监测转子的角速度， 非接触地测量转子角速度随时间变化 的函数，微分求解出角加速度及通过 数学运算求得液体粘度值。
2、对落球法中落球在液体中运动状态进行数学建模，从理论的角度阐述了 光电落球式粘度计在粘度测量时产生误差的原因，为对其进一步改进提 供了理论指导。 3、通过对超声波多普勒效应的理论研究，得出被测物运动速度与反射波频 率差的数学推导公式，为超声波多普勒粘度测量系统设计提供理论依据 4、根据噪声信号特点并考虑系统的稳定性及准确性，设计具有针对性的滤 波方法对噪声信号进行处理。
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5、针对超声多普勒信号的特点，采用改进相位重合点法以CPLD为硬件平 台，完成超声多普勒信号测频电路和系统逻辑控制电路的设计。
6、设计一套以TMS320VC5402为核心的超声波多普勒粘度测量系统，包括 相应的软、硬件的设计。
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第2章 超声波粘度测量系统 理论基础及原理
2.1理论基础
超声波粘度测量系统的设计是基于光电落球测量粘度法改进的前提 下，利用超声波多普勒效应原理，对被测液体内落球速度进行实时测量， 而后根据粘性阻力定律计算出液体粘度。所以认真研究光电落球法粘度 测量原理及超声波多普勒效应理论在粘度测量中的可行性是本系统设计 的理论基础。
r — 毛细管半径； L— 毛细管长度； t — 液体流经毛细管的时间； Vt— t时间内液体所流过的体积； p1 、p2 —流体单元所受的压力；
优点是测量范围广，从粘度为10-4Pa· S到 105Pa· S的流体都可测定。缺点是操作繁 琐，主观性误差导致测量精度降低，不 适合在快速检测。
水平毛细管粘度计示意图 7
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1.2.2.2 毛细管法 毛细管法是根据一定体积的液体 流经固定直径的毛细管所需时间来测 定其粘度值，通常适于10-3～10-2m2/s 之间的低粘度进行运动粘度测量。毛 细管法测定液体粘度的理论基础是 Poiseulle定律，公式如下：
r 4 ( p1 p2 )t
8LVt
粘度流体在管中流动所受阻力及速度的分布图
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1.2.3 粘度测量技术的发展趋势
(1)大量采用新技术完善传统粘度检测技术 (2)利用微型控制芯片和新型传感器使粘度检测设备小型化智能化 (3)针对新型智能材料性能评价的粘度检测技术 (4)适合生物体体液流动粘度监测的新技术
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测 法 优缺点
旋 转 法
精度高、测量范围 较宽
毛细管法
对牛顿流体运动 粘度测量效果好、 精度高；从澄清 的液体到完全不 透明的样品均可 测量 。
振动测量 法
测量范围较宽 ， 操作方便；可以 对任何体积的样 本进行测量，没 有特别的体积限 制或容器限制。
优
点
缺 点
当游丝产生的扭矩 过大时，易产生蠕 变，损伤游丝，在 测量范围和转子转 速上有一定限制； 只能测定聚合物动 态粘度，不能表征 静态粘度，对某些 共混聚合物的测定， 会破坏共混状态。
由于某些液体具 有较强的非牛顿 性，即使在毛细 管粘度计测量下 限测得的粘度仍 然表现出明显的 对切变速率的依 赖性，常无法得 到准确的粘度值。
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粘度推导公式
d 2 (r0 r )g fw 18u
—零切粘度，pa· s；
u L t
u —落球速度，m/s； d —落球直径，m； g —重力加速度，m/s2； r —液体密度，kg/m3； fw —量筒壁修正系数 r 0—落球密度，kg/m3； L—球匀速下落距离，m； t —落球匀速下落L距离的时间，s； D —量筒的直径，m；
(a)当q =0时，声源向着观察者运动的情况， (b)当q = 时，声源背离观察者运动的情况，
f'
c f f c u
f'
c f f cu
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2.1.2.2观察者运动，声源相对静止 Q为声源，处于静止状态，观察者以 速度u沿x轴正向运动。 观察者所接收到的声波的频率为：
ft ' c u cosq f f t c
2.1.1光电落球测量粘度法的原理及讨论
光电落球法测液体粘度时，通常认 为落球在运动到被测液体液面下5cm(A 处)后开始匀速下落，所以只在量筒外侧 安装相距为L (即AC段)的两组穿透式光 电传感器。当落球通过1号光电传感器 时，计时器开始计时；落球通过2号光 电传感器时，计时结束；利用求出速度， 继而带入粘度推导公式，求出粘度。
'
(a)当q=0时，观察者沿着声源运动，
f'
cu f f c cu f f c
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' (b)当q= 时，观察者背离声源运动， f
2.2超声波粘度测量系统原理 2.2.1测量原理
超声波粘度测量系统的测量原理是以物 理学中多普勒效应为基础，根据声学多普勒 效应，当声源和观察者之间有相对运动时， 观察者所感受到的声频率将不同于声源所发 出的频率，这里相对运动而产生的频率变化 与两物体的相对速度成正比。 在超声多普勒测量方法中，超声波发射器 为一固定声源，做下落运动的落球与声源 相对运动，起到了“观察者”的作用，当 超声波发射器所发射的固定频率的超声波 入射到落球上时，被反射到接收器上的超 声波频率就会与发射频率之间有一个差值， 这个频率差就是由于落球运动而产生的多 普勒频移。由于这个频移量正比于落球下 落速度，所以测量该频差就可以求得落速， 进而根据粘性阻力定律求出被测液体粘度。
陀螺锥板型粘度计结构图
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毛细管测量法是根据毛细管运动粘
度测量原理对液体实现粘度测量。该 领域最具代表性的是德国Schott公司开 发的自动动粘度测定仪AVS370。该粘 度仪以毛细管法为理论基础测量液体 粘度，其测量精度是现今运动粘度测 量仪器中较高的，准确度可低于0.1% 之误差。同时采用opto- electronic (光 电感应)及TC (热感应技术) ，从澄清 的液体到完全不透明的样品均可测量。 该方法优点是对牛顿流体运动粘度测 量效果较好， AVS370型毛细管式粘度计
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1.2.2 国内粘度测量技术的发展现状
目前国内对液体粘度的测量常用的方法：旋转法、毛细管法和 落球法。 1.2.2.1 旋转法 旋转法是利用旋转体对液体的剪 切力矩与液体粘滞力矩平衡的原理来 测定粘度值。 同步电机以一定的角速度匀速旋转， 电机连接刻度盘，再通过游丝和转轴带 动转子旋转；当转子未受到液体的粘滞 阻力时，游丝指针与刻度盘同速旋转， 指针指向刻度盘上的零位置；当转子受 到液体的粘滞阻力，则游丝产生扭矩， 与液体的粘滞阻力相抗衡，最后达到平 衡。此时与游丝连接的指针在刻度盘上 指示出游丝的扭转角，将此扭转角经过 一定的数学运算后，求得液体的粘度值。 圆盘式旋转粘度计结构图 优点是精度高、使用范围较宽。 缺点是只能测定聚合物动态粘度，不能表征静态粘度，特别是对某 些共混聚合物的测定，可能破坏共混状态而不宜使用。