基于电磁感应的液体粘度在线测量方法研究

　　1引言

　　粘度是液体的重要物理性质，它反映液体流动行为的特征。液体的粘度及其测定方法的研究至今已有一百多年的历史了。目前的测定方法无法同时达到在线和非侵入式的测量要求。在此，在传统电磁流量计的基础上引入了层析成像技术，提出了一种非侵入、无压损、可在线测量牛顿流体和非牛顿流体粘度的新方法。该方法通过转换电磁线圈上的电流方向，在管道截面内产生两种磁场。流量计测定两种磁场条件下的感应电压，利用流动剖面的简单模型和流变学知识，将流体的流速廓形重建并进而得出流体的粘度。

　　2测量原理

　　2. 1电磁层析成像

　　电磁层析成像技术是基于电磁感应定律的一种可以用于测量流体剖面情况的非接触测量方法。该方法主要应用在于:①抑制由于轴对称偏差而产生的电压分量，降低在测定平均流速时产生的误差;②对基本系统的扩展，检测更多包含物场信息的信号，继而得到流体剖面的流速分布情况。这里，考虑后一种应用，即如何通过对基本系统的扩展，得到流体剖面的流速分布情况。图1给出了不同正弦分布电流密度下产生的磁场。

　　上述各类型的磁场可以描述为:

　　对于稳定的轴对称流情况，各磁场条件下对应的不同角度下沿管壁的电压分布值可由下式给出:

　　为了得到流体的流速分布情况，系统需要产生不同的磁场并检测相应磁场条件下电压，然后按照一定的模型和重建算法得出流体的流速分布情况。

　　2. 2粘性流体模型

　　对于粘性流体，可以根据流体流动曲线的特征将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。

　　流动曲线 τ- γ为过原点的直线的流体称为牛顿流体，如图2 (a)中a所示，其粘度为一常数。流动曲线τ一 γ不是过原点的直线的流体统称为非牛顿流体。粘性流体方程有多种表示方法，据长期使用经验，以下形式最合使用要求:

　　如果非牛顿流体其切应力无屈服点，即τy=0，则该液体称为纯粘性液体，反之称为粘塑性液体。无论纯粘性液体还是粘塑性液体，都可按N值的大小分成涨塑性液体(N>1、图2 (a)中b,2(b)中b)、宾汉姆液体(N=1，图2(6)中a)和拟塑性液体(N<1，图2(a)中c,2(b)中c)。这里，只讨论无屈服点液体粘度的测量。

　　2. 3牛顿流体和纯粘性非牛顿流体剖面的参数模型及其测量

　　已验证，对轴对称运动的牛顿流体和纯粘性非牛顿流体，其流速分布可以用简单的“幂定律”模型表示。