高温高压振动丝黏度仪的研制

　  黏度是由流体内部的黏滞力产生的,并阻碍其相对流动的一种特性,它与流体的组成和温度有关.由于在机械传动中转动的广泛运用和润滑问题的存在,使得人们不得不仔细研究液体的黏度问题.常用的液体黏度测量仪器有[1, 2]毛细管黏度计、落球式黏度计(或落柱式黏度计)、旋转式黏度计、石英振子黏度计、振盘式黏度计、振动杯黏度计、超声波黏度计和振动丝黏度计.这些黏度计各有优缺点.毛细管黏度计是测量精度最高的一种黏度计,但其材质是玻璃,故只能用于常压黏度的测量;落球式黏度计可用于高压液体黏度的测定,但它只能用来测定黏度不能测定密度,且黏度的测量误差高达±40;旋转式黏度计测量黏度的范围比较宽,可用于牛顿流体和非牛顿流体黏度的测定,由于有机械转动装置,不便用于高压流体黏度的测定;振盘式黏度计常用于气体黏度的测定;超声波黏度计测量误差很大,很少用于实际测量.长期以来,用金属丝的振动和扭曲来测量流体密度和黏度的方法一直倍受人们关注,是因为这类仪器不需要流体的整体运动.由于流体的黏性阻力产生的热量比较小,把对黏度、密度的测量转换为对质量、长度和时间的测量,这些参数比较容易测量且测量精度相对较高.

　　笔者在查阅了大量文献的基础上研制出了高温高压振动丝黏度密度仪,它适用于高温高压液体密度、黏度的测定,且通过1次实验可测定两种性质.对密度的测量来说,这种方法比传统的方法省时省力,又有相当或更高的精度;而黏度的测量精度要高于传统的落球式黏度仪.

1　工作原理

　　利用振动丝在流体中的振动测量流体黏度、密度的工作原理[3, 4]是把一端固定在另一端且悬一重锤的金属丝作为振动元件,让丝处在均匀磁场中.为使振子产生振动,在金属丝中通入一定频率的正弦电流.根据电磁感应现象,通电导体在磁场中受到力的作用而产生运动.由于通入的是正弦电流,因此,丝将在磁场中进行谐和力下的振动.丝在磁场中的运动又要产生感应电压,丝运动速度的大小可以通过产生感应电压的大小来度量.由于整个振动系统是在流体中,流体随温度和压力变化而引起的密度的变化,会使重锤受到的浮力发生变化,从而导致作用在振动丝上的张力发生变化,因而改变了振动系统的共振频率.而流体黏度的变化会改变共振曲线的半峰宽.通过测定丝在液体中振动的共振曲线,由共振频率和半峰宽频率这两个特性参数即可计算液体的密度和黏度.

2　由共振曲线求流体密度和黏度的工作方程

2.1　共振条件

　　考虑一个截面为圆形的细长丝,丝被液体包围,单位长度上受到一个周期变化的谐和力F(z)eiωt,从而进行周期性的横向振动.细丝在静止时为一直线,设它的中心轴线与柱坐标的z轴重合,让振动丝在z轴方向上承受一个轴向张力T.