振动式粘度计的研究

　　1　引　言

　　粘度是一个能反映流体内在特性的重要物理量,以道路施工现场中沥青的粘度检测为例,搅拌过程中其粘度过高或过低,都会影响施工的顺利进行。若粘度较低,容易导致沥青混合料出现离析等现象;如果粘度过高,会导致摊铺困难和碾压不密实。以往,要通过现场取样后在实验室才能测量道路施工现场的沥青粘度,其实时性差,不利于施工的进行。因此,研究实时在线监测流体粘度的有效方法有重要意义。①

　　2　测量原理

　　振动式粘度计是基于剪应力原理工作的,传感器的敏感元件受力发生器作用在流体中做扭摆振动,由于流体粘性阻尼变化的作用,其振动幅度会产生变化。由电路来补充这部分流体粘性阻尼所消耗的能量,使得敏感元件的振动维持在共振频率和恒定的振幅下。此时所补充的能量与试液的粘度及密度的乘积有关[1],如下式:

　　式中:Ω———测量元件与流体的接触面积;K———系数。由此可知,传感器振幅的变化就表达了流体的粘度特性[2]。维持振动频率和介质粘度恒定时,驱动电流通过力发生器作用在扭振机构上,扭振机构通过敏感元件与介质相互作用,在横杆处产生μm级振幅变化,通过振幅测量电路测出振幅数值,当介质粘度发生变化时,会通过粘性阻尼影响横杆振幅和系统的谐振频率,通过补偿频率和调节激励电流的大小来维持振幅恒定,这样,通过补偿电流的大小,即可求得介质的粘度。

　　3　传感器结构

　　振动式粘度计主要由传感器和仪表电路两部分组成。它是一个闭环仪表,集测量控制于一体。其传感器结构如图2所示。

　　图2可以等效为一个单自由度的二阶系统,主要由敏感元件(接触探头)、主轴(传动机构)、电磁机构和驱动电路(扭振机构)、横杆(放大敏感元件在共振频率下的振幅)、弹性扭管、差动变压器(振幅测量机构)等组成。

　　4　系统模型

　　将传感器分布参数机械系统转换成集中参数的质量、弹簧和阻尼系统。其系统动力学方程为:

等效阻尼主要由敏感元件在介质中运动产生,其大小主要取决于介质的粘度。其次为支点轴承阻尼以及电磁机构的阻尼构成。等效刚度主要由弹簧管的刚度和主轴的刚度组成,选取主轴与弹簧管的刚度比大于100∶1,即可认为弹簧管的刚度等效为系统的刚度。等效转动惯量主要为各相关并联部件相对于扭转中心轴的转动惯量之和,即等效于敏感元件、横杆、主轴、弹簧管围绕扭转中心轴的转动惯量之和。系统的谐振频率为: