自由旋转粘度计的研究与设计

　　0　引言

　　粘度计广泛应用于石油化工、食品、印刷等行业。目前,单圆筒旋转粘度计的精度一般仅有5%左右,其基本原理是:电动机通过一个经校验过的铍—铜合金弹簧带动一个浸泡在被测流体中的转子持续旋转,转子受被测流体粘性拖拉形成的阻力成正比,因而扭矩与被测流体的粘度也成正比,旋转扭矩传感器测得弹簧的扭矩(即扭变的程度),从而测得流体粘度。弹簧受到的扭矩,除了与被测流体的粘度成正比外,还与转子的转速及转子的形状有关。在测量不同粘度的流体时,就要更换不同的转子、切换不同的转速,才能使弹簧产生适当的扭力变形,测量高粘度流体时,应选用较低的转速和细小的转子,而测量低粘度流体时,应选用较高的转速和粗大的转子,确保弹簧产生适当的扭力变形.

　　种粘度计操作复杂,测量转矩的主要元件(弹簧)加工难度大,一致性不高;转速要求范围宽、精度高、且波动极小,一般要用同步电动机才能满足要求。且在测量时,转子持续旋转,会使被测流体温度升高(摩擦引起),当转速较高时,还会使被测流体产生“湍流”,进一步导致测量误差。

　　1　设计思想与总体方案

　　1.1　设计思想

　　粘度计基本结构如图1所示,浸泡在被测流体中的转子所受到的粘性拖拉形成的阻力成正比,扭矩(M)因而与被测流体的粘度η也成正比,与转速(ω)、转子“常数”K(由表面积及形状决定)成正比,即:

       M=Kηω

　　式中:M为转子所受到的粘滞转矩, N·m;K为转子“常数”,m³;η为粘度(即粘度系数), Pa·m;ω为转子的角速度, rad/s.

　　启动驱动电机(图1中未画出)拖动惯性轮到一定转速后,关闭并脱开电机与惯性轮的的传动机构(由离合器控制,图1中未画出),让转子、惯性轮及编码盘在被测流体中自由旋转,被测流体粘度越小,速度衰减越慢,转子转过一定角度所需单位越短,反之,速度衰减越快,转子转过一定角度所需单位越长。根据刚体转动微分方程,有:

　　式中J为转子、轴、惯性轮、编码盘的转动惯量,N·m·s².为了分析方便,设J/K=1 N·m^-2·s²,上式可写为:

　　解方程(1)得:

　　式中ω₀为t=0时的角速度。

　　设转子转过的角度(角位移)φ,则有

　　转子转过的角度φ(t)的曲线如图2所示