非牛顿液体粘度的在线测量方法

　　粘度是流体的重要物理性质之一,粘度的测定在工业生产和基础学科研究中具有重要的意义.测定液体粘度的方法和设备将直接决定生产耗费.粘度数据的及时获得以及粘度测量的误差,都有可能影响企业利益或科学研究成败.

　　文中针对现有粘度测量方法不能同时满足在线和非侵入式测量要求的问题,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、可在线测量含屈服应力的非牛顿流体粘度的新方法.该方法可有效测量非牛顿流体的粘度,且具有结构简单、中等精度的特点.

　　1　测量原理

　　1.1　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用于测量流体剖面情况的非接触测量方法.德国学者Tr¨achtler指出[1],为了得到流体剖面的流速分布情况,系统需要产生不同的磁场,并检测相应磁场条件下的电压,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.

　　图1绘出了不同正弦分布电流密度下产生的磁场,这些磁场可以描述为

　　式中:R为管道半径;r为管道内任意一点到管道中心点的距离.

　　对于轴对称流情况,各磁场对应不同角度下沿着管壁的电压分布为

　　1.2　粘性流体模型

　　流体的切应力τ与剪切率.γ间的关系曲线叫做流动曲线.对于粘性流体,根据流体流动曲线的特征可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体[2].

　　流动曲线τ-.γ为过原点的直线的流体称为牛顿流体,如图2a曲线1中所示.流动曲线τ-.γ不是过原点直线的流体统称为非牛顿流体.

　　粘性流体本构方程有多种表示方法,根据长期使用经验,以写成下列形式最适合使用要求:

　　如果非牛顿流体的切应力存在屈服点,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,如图2a中曲线2和2b中曲线2)、宾汉姆液体(N=1,如图2b中曲线1)和拟塑性液体(N<1,如图2a和b中曲线3).

　　1.3　流体剖面的参数模型及其测量

　　德国学者已研究了牛顿流体和纯粘性液体粘度的非侵入在线测量方法[1].在电磁流量计内引入层析信号的基础上对粘塑性流体进行了分析,通过建立有效的数学模型和分析论证,提出了在线检测粘塑性流体粘度的新方法.该方法有效地扩展了国外学者所提出的基于电磁感应的流体粘度在线测量方法的适用范围,具有较高的实际应用价值.

　　根据德国学者的假设可知,在满足轴对称运动条件下,粘塑性液体流速分布模型可表示为