超声波多普勒黏度检测仪

0　引言

    目前,对聚合物零切黏度的测量通常有3种方法。利用毛细管法测量时,由于某些聚合物熔体具有较强的非牛顿性,即使在毛细管黏度计测量下限,测得的黏度仍然表现出明显的对切变速率的依赖性,因此常无法得到准确的黏度值。而利用旋转法虽精度高,但只能测定聚合物动态黏度,而不能表征静态黏度,特别是对某些共混聚合物的测定,可能破坏共混状态。而采用落球法测黏度时,黏度值基本不表现对切变速率的依赖。但要求落球在被测液体中以恒定很小速度下落[1]。

1　落球法存在的问题和解决方案

1. 1　传统落球法存在的问题

首先,无法确定落球恒速发生点。以往落球式黏度计在测落球落速时,通常认为落球在运动到被测液体液面下5 cm(A处)后开始匀速下落,如图1(a)所示,所以光电落球式黏度计只在试管外侧安装相距为L (即AC段)的2组穿透式光电传感器。当落球通过1号光电传感器时,计时器开始计时;落球通过2号光电传感器时,计时结束;利用v=L/t求出速度,继而带入式(1),求出零切黏度。

式中:η为零切黏度;fw为壁修正系数;d为落球直径;ρ为液体密度;v为落球速度;g为重力加速度;ρ0为落球密度。

而实际测量中,由于不同被测液的密度和黏度均相差较大,导致落球恒速运动常常发生在第一检测点A以下的B点(落球在AB段变速运动),只有在BC段,落球受力平衡(G=F黏+F浮)开始恒速运动。在这种情况下,落球法精度受到极大影响。其次,对透光性差的样本测量效果不理想。由于使用透射式光电传感器,对透光性较差(甚至不透光)的样本很难做出反应,导致测得时间不准。最后,该法测量效率低。每次测量只能测得1个数据,效率低,易受外界干扰,可重复性差。

1. 2　解决方案

首先,根据超声波多普勒效应原理,通过分辨反射波频率变化的方法,准确测定落球恒速发生位置,解决了以往测速不准和透光受限的问题。具体方法如下:在被测样本底部安装超声波传感器(如图1(b)),当超声波的发射换能器向液体中的落球发射频率为f1的超声波时,落球将声波反射到接收换能器,因为落球在液体中垂直下落,故反射的超声波将产生多普勒频移。当落球以速度v下落,设落球收到的超声波频率为f′(第1次多普勒效应频率),超声波在被测液体中的传播速度为c,则f1和f′的关系如式(2):

   

    最后,为了减小测量误差,提高系统测量精度。采用相位比对频差法测量频率差,该方法不但克服了等精度测量法中标频计数存在±1误差的缺点,并且大大降低了标频信号的频率,简化了硬件设计(相位比对时序图见图3)。相位比对频差法推导公式如下: