外旋式电测粘度计的设计与计算

　　前言

　　粘度是流体的一种物理特性,它反映流体受外力作用时分子间呈现的内摩擦力,是流体抵抗变形的能力[1]。粘度测量具有重要意义,从化学反应过程的自动控制到管道输送流体的过程检测,从各种流体的产品品质检验到医学诊断科学研究,粘度测量都是重要的研究手段。测量粘度的装置多种多样,常用的有毛细管粘度计、旋转式粘度计、振动式粘度计等。其中旋转式粘度计应用广泛,虽然制造复杂,但是测量方便准确[2]。传统的旋转式粘度计主要是利用弹性元件的扭转获得转筒的扭矩,这种结构对弹性元件规定了很高的技术要求,而且通过指针进行读数增加了偶然误差[3]。笔者利用应力应变电测技术[4]对传统粘度计进行改进,从而消除刻度盘读数上的偶然误差,使仪器结构简单,更趋数字化。

　　1　基本原理

　　外旋式粘度计(见图1)以微型同步电动机及齿轮变速机构带动外筒等速旋转,圆轴一端与内筒相连,　另一端固定,内筒与外筒间充满待测流体。由于流体的粘性,内筒受到粘性力作用而使圆轴扭转产生微应变,在圆轴表面贴应变片,应变片的应变量经过合理　组桥后直接显示在静态电阻应变仪上,通过公式计算可以求得因流体粘性而产生的扭矩,进而计算出流体的动力粘度。

　2　设计思路及计算方法

　　2·1　设计思路

　　2·1·1　外旋式粘度计装置

　　外旋式粘度计由两个同轴安装的圆筒组成,其间充满待测流体,内筒直径Ri、外筒直径Ro,圆轴直径d,内筒长度l,侵入液体长度h,外筒旋转速度为ω0。为了公式推导的方便快速,首先作出以下假设:①流体与圆筒表面之间无相对滑动;②液体的旋转流动无湍流出现;③旋转过程中温度不发生变化(实际温度变化对流体粘度的测量精度有很大的影响);④无末端效应的影响(末端效应即内筒上下两端处于流体中受到的附加粘性力矩,此假设也可表述为内筒无限长)。

　　2·1·2　应变片贴片及组桥方式

　　同步电动机带动外筒以角速度ω0等速旋转,由于流体粘性的作用,内筒受到切应力作用而产生扭矩T,由于内筒与圆轴相连且圆轴另一端固定,因此与内筒接触的流体转速为零,内筒不产生明显的扭转,只表现为圆轴受扭转而产生的微应变,此微应变通过贴电阻应变片,可以显示在静态电阻应变仪上。贴片方式为沿与圆轴轴线成45°方向上贴4枚应变片R1, R2,R3, R4(见图2)。

　　图2　圆轴贴片方式

　　若圆轴受扭矩T方向如图2所示,取圆轴表面单元体分析,则其所受切应力τ的方向如图3所示。根据材料应力应变理论分析其主应力方向与切应力方向成45°。主应力大小为σ1=τ,σ2=0,σ3=-τ。由广义胡克定律有每一应变片的应变为图3