采用科里奥利质量流量计的流体黏度测量方法及装置设计

　　0　引言

　　实际流体都是有黏性的。流体的黏性是流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质,是流体抵抗剪切变形的能力或属性,且只有在相对运动的情况 下,才会表现出来。黏度测定在许多工业部门和科学研究领域十分重要,特别是在医药、食品和化工等生产流程中更需要准确测量,以提高产品的质量水平。

　　科里奥利质量流量计(以下简称科氏流量计)实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量,适用于多种介质的测量,成为目前工业控制、能源计量及节能管理中常用的新型流量仪表,现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。

　　流体的黏度不能直接测量,它们的数值往往是通过测量与其有关的物理量,再进行计算而得到的。目前,黏度测量最常用的方法有管流法、落球法、旋转 法、振动法等。但是传统方法存在离线分析实时性差、在线分析成本高、参数测量单一等缺陷,而采用科氏流量计测量黏度可弥补上述不足。在分析了科氏流量计流 体黏度测量方法后,该文提出了一种新的流体黏度测量方法,可在科氏流量计上直接实现而不需要改变现有科氏流量计的结构和工作模式,并且采用FPGA研制了 黏度测量装置,实现了黏度的在线不侵入测量。

　　1　流体牛顿黏度定律和科氏流量计原理

　　1.1　流体的牛顿黏性定律[1]

　　设相邻流层间的接触面积为S,距离为dy,速度为du,则流体的黏性力为

　　当传感器管在驱动装置的驱动下做弯曲振动,而同时流体从左边进入科氏流量计,通过双C型传感器管[2]后从右边流出时,左边入口段传感器管和右 边出口段传感器管由于受科里奥利力而产生附加振动,其振动方向相反,因而在两边通过平衡点时产生时间差,通过测量这个时间差即可检测流体质量流量。

　　2　科氏流量计黏度检测分析

　　以圆柱坐标为对象,如图2所示。文献[3]所提出的黏度检测方法利用了z方向的流体内摩擦力,与毛细管黏度计原理类似,主要根据牛顿流体层流运 动的哈根-肖肃(Hagen-Poiseuille)定律,但需要测量流体的质量流量、密度和两点间的压力差,为能检测两点间的压力差,在科氏流量计的正 对位置接一只压力差传感器。这样会加大仪器的复杂性,加大成本。文献[4, 5]采用文献[6]的方法在坐标的切向产生振动,引起传感器管径向的速度梯度和

　　从图2可以看出,如果在传感器管的径向产生流体内摩擦力,同样也可以对流体黏度进行测量,由此可以产生一种黏度测量新方法,即将图1科氏流量计传感器管看作一悬臂梁,如图3所示。设有初位移、无初速度的悬臂梁[7]的一阶自由振动方程为