一種拖球式粘度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種拖球式粘度計(jì)，適用于粘滯系數(shù)小的液體，也適用于不透明的液體，測(cè)量精度高，其結(jié)構(gòu)為：包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制系統(tǒng)和拉力檢測(cè)系統(tǒng)，其中，速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：包括控制器、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，伺服電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器連接，旋轉(zhuǎn)編碼器與控制器連接。本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)，用“拖球法”取代傳統(tǒng)的落球法，即用一個(gè)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以恒定且很小的速度拖拉小球，使其按給定的速度向上運(yùn)動(dòng)，通過測(cè)量小球受到的拉力，再根據(jù)斯托克斯公式(f＝6л?η?rv)計(jì)算出液體的粘度。本發(fā)明具有使用方便、可以立即進(jìn)行重復(fù)測(cè)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種拖球式粘度計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拖球式粘度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]粘度測(cè)量在許多工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域具有很重要的作用，在石油、化工、醫(yī)學(xué)等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，例如輸油管道的設(shè)計(jì)，各種石油制品和油漆的品質(zhì)檢驗(yàn)等，都需要進(jìn)行粘度測(cè)量。測(cè)量液體粘度(粘滯系數(shù))的方法比較多，根據(jù)粘度的大小，各有相應(yīng)的測(cè)量方法，如落球法、毛細(xì)管法及轉(zhuǎn)筒法等，其中落球法是最基本的一種，它具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，但這種方法僅適用于測(cè)量粘滯系數(shù)較大、透明或半透明的液體，測(cè)量精度比較低，也不利于自動(dòng)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種拖球式粘度計(jì)，適用于粘滯系數(shù)小的液體，也適用于不透明的液體，測(cè)量精度高。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種拖球式粘度計(jì)，包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制系統(tǒng)和拉力檢測(cè)系統(tǒng)，其中，速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括控制器(或稱之為微處理器)、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，伺服電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器連接，旋轉(zhuǎn)編碼器與控制器連接；
[0006]螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為:包括傳動(dòng)總成(由伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、變速器組成)、聯(lián)軸器、螺桿、螺母塊部件、導(dǎo)向桿、霍爾限位開關(guān)，其中，傳動(dòng)總成、聯(lián)軸器、螺桿依次連接，螺母塊部件設(shè)在螺桿上，螺母塊部件上設(shè)有磁鐵，霍爾限位開關(guān)固定在托架上，霍爾限位開關(guān)與控制器連接(霍爾限位開關(guān)有兩個(gè)，磁鐵和霍爾限位開關(guān)共同用來限定螺母塊部件運(yùn)動(dòng)的上下位置)；
[0007]拉力檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括光電位置傳感器、電磁力平衡傳感器、放大電路、PID調(diào)節(jié)器、比較器、鋸齒波發(fā)生器、恒流源、電流控制器、小球、量杯，其中，光電位置傳感器依次通過放大電路、PID調(diào)節(jié)器、比較器、鋸齒波發(fā)生器與控制器連接，電磁力平衡傳感器、恒流源、比較器分別與電流調(diào)節(jié)器連接，比較器、電流調(diào)節(jié)器還直接與控制器連接；小球通過懸絲與電磁力平衡傳感器連接，小球位于量杯內(nèi)，量杯置于螺母塊部件上；
[0008]控制器上還連接有按鍵輸入模塊和IXD顯示模塊，控制器固定在控制板上(具體應(yīng)用時(shí)，可以在殼體上設(shè)有面板，按鍵輸入模塊和LCD顯示模塊固定面板上，以便于輸入和顯示，此為常規(guī)技術(shù)手段)，控制板固定在殼體底部；
[0009]放大電路、PID調(diào)節(jié)器、比較器、鋸齒波發(fā)生器、恒流源、電流調(diào)節(jié)器固定在拉力檢測(cè)電路板總成上；
[0010]光電位置傳感器固定在電磁力平衡傳感器上，拉力檢測(cè)電路板總成、電磁力平衡傳感器固定在固定座上，固定座固定在殼體頂部，固定座與殼體之間設(shè)有橡膠減震器；[0011]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器固定在殼體底部；
[0012]傳動(dòng)總成(伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、變速器)、螺桿固定在托架上，導(dǎo)向桿固定在托架上，并穿過螺母塊部件，起導(dǎo)向作用；
[0013]托架固定在殼體底部,托架與殼體之間設(shè)有橡膠減震器。
[0014]進(jìn)一步地，所述托架通過固定螺栓固定在殼體上。
[0015]所述螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng)，用以拖動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)，其工作原理為現(xiàn)有技術(shù)中成熟的技術(shù)，在此不再贅述。
[0016]所述速度控制系統(tǒng)的作用是控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使小球的運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定在給定值上，其工作原理為現(xiàn)有技術(shù)中成熟的技術(shù)，在此不再贅述。
[0017]所述拉力檢測(cè)系統(tǒng)的作用是對(duì)拉力進(jìn)行測(cè)量，其工作原理為現(xiàn)有技術(shù)中成熟的技術(shù)，在此不再贅述。
[0018]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的測(cè)量原理為:根據(jù)斯托克斯定律，在粘度為Π的液體中，半徑為r、運(yùn)動(dòng)速度為V的小球受到的粘滯阻力為
[0019]f = 6 Ji η r V (I)
[0020]當(dāng)小球勻速直線向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其所受拉力F、浮力F1、重力mg、粘滯阻力f四力平衡(受力分析如圖5所示)，即
[0021]F+Ffmg-f = O (2)
[0022]式⑵改寫為
[0023]f = F- (Hig-F1) (3)
[0024]根據(jù)式(3)分別測(cè)量出，拉力F、重力與浮力之差Oiig-F1),即可求出f，測(cè)量過程為:
[0025]令V = O (則 f = O),測(cè)量(Hig-F1)的值；
[0026]令V等于給定值，測(cè)量F的值；
[0027]再測(cè)量出小球半徑r，由公式f = 6 Ji nr V，可求出液體的粘滯系數(shù)η即:
[0028]η = f/6 Ji r V
[0029]注:可以通過對(duì)儀器清零可直接測(cè)出粘滯阻力f的值(先令V = O測(cè)得重力與浮力之差，然后清零。再令V等于給定值，測(cè)得值即為粘滯阻力f)。
[0030]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的工作過程為:首先，將待測(cè)液體倒入量杯中(液面接近量杯上端)，然后，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的螺桿在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母塊部件以恒定且很小的速度(使雷諾數(shù)Re < 1，保證不產(chǎn)生湍流)上下直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)量杯上下運(yùn)動(dòng)，則小球相對(duì)待測(cè)液體上下運(yùn)動(dòng)，測(cè)量時(shí)令量杯(即螺母塊部件)以給定的速度向下運(yùn)動(dòng)則小球相對(duì)液體向上運(yùn)動(dòng)(從上霍爾開關(guān)開始)，通過電磁力平衡傳感器測(cè)量小球受到的拉力，再根據(jù)斯托克斯公式(f = 6 Ji nr v)計(jì)算出液體的粘度。
[0031]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)，用“拖球法”取代傳統(tǒng)的落球法，即用一個(gè)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以恒定且很小的速度(使雷諾數(shù)Re < 1，保證不產(chǎn)生湍流)拖拉小球，使其按給定的速度向上運(yùn)動(dòng)，通過測(cè)量小球受到的拉力，再根據(jù)斯托克斯公式(f = 6 Ji nr v)計(jì)算出液體的粘度。
[0032]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)，與傳統(tǒng)的落球式粘度計(jì)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0033]I)由于用“拖球法”取代傳統(tǒng)的落球法，小球的運(yùn)動(dòng)速度可以任意設(shè)定，在測(cè)量粘度小的液體時(shí)能充分滿足雷諾數(shù)Re〈l (Re = 2r V P 0/ η , P ^為液體密度)，保證不產(chǎn)生湍流，因此拓寬了粘度的測(cè)量范圍，不僅可以測(cè)量粘度大的液體，也可以測(cè)量粘度小的液體(而用落球法測(cè)量液體粘度時(shí)小球下落的收尾速度V與粘度相關(guān)，當(dāng)液體粘度比較小時(shí)小球的收尾速度很大，則雷諾數(shù)Re?l會(huì)產(chǎn)生湍流，斯托克斯公式不再成立)。
[0034]2)由于電磁力平衡傳感器具有很高的靈敏度和精度(絕對(duì)精度分度值能達(dá)到
0.01毫克)，可以測(cè)量出很小的粘滯阻力，因此該儀器的測(cè)量靈敏度和精度比較高。
[0035]3)由于粘度是通過測(cè)量拉力得到的(與液體是否透明無關(guān))，因此可以測(cè)量不透明液體的粘度。
[0036]4)不需要測(cè)量密度和進(jìn)行速度修正(速度為給定)。
[0037]5)由于采用的是拖拉的方法，因此可以用面積大的圓筒或矩形板取代小球，這樣可以增大粘滯阻力使儀器的靈敏度得到進(jìn)一步的提高(測(cè)量時(shí)用粘度為已知的液體作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)，測(cè)出儀器常數(shù)k，則有f = k η V，其依據(jù)是牛頓粘滯定律，為公知物理常識(shí))。
[0038]此外，本發(fā)明還具有使用方便、可以立即進(jìn)行重復(fù)測(cè)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1:本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖2:圖1的前視圖。
[0041]圖3:本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的螺旋機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。
[0042]圖4:本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的電路原理示意圖。
[0043]圖5:小球受力分析示意圖。
[0044]其中，1、光電位置傳感器；2、拉力檢測(cè)電路板總成；3、托架；4、霍爾限位開關(guān)；5、螺母塊部件；6、磁鐵；7、螺桿；8、聯(lián)軸器；9、傳動(dòng)總成；10、橡膠減振器；11、固定座；12、電磁力平衡傳感器；13、懸絲；14、量杯；15、小球；16、導(dǎo)向桿；17、固定螺栓；18、控制板；19、殼體；20、變速器；21、放大器；22、PID調(diào)節(jié)器；23、比較器；24、鋸齒波發(fā)生器；25、控制器；
26、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；27、伺服電機(jī)；28、旋轉(zhuǎn)編碼器；29、電流調(diào)節(jié)器；30、IXD顯示模塊；31、接鍵輸入模塊；32、恒流源。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0046]—種拖球式粘度計(jì)，包括殼體19，殼體19內(nèi)設(shè)有螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制系統(tǒng)和拉力檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1、圖2所示，其中，速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括控制器25、伺服電機(jī)
27、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器26、旋轉(zhuǎn)編碼器28，其中，伺服電機(jī)27通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器26與控制器25連接，旋轉(zhuǎn)編碼器28與控制器25連接；
[0047]螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為:包括傳動(dòng)總成9 (由伺服電機(jī)27、旋轉(zhuǎn)編碼器28、變速器20組成)、聯(lián)軸器8、螺桿7、螺母塊部件5、導(dǎo)向桿16、霍爾限位開關(guān)4，如圖3所示，其中，傳動(dòng)總成9、聯(lián)軸器8、螺桿7依次連接，螺母塊部件5設(shè)在螺桿7上，螺母塊部件5上設(shè)有磁鐵6，霍爾限位開關(guān)4固定在托架3上，霍爾限位開關(guān)4與控制器25連接(霍爾限位開關(guān)4有兩個(gè)，磁鐵6和霍爾限位開關(guān)4共同用來限定螺母塊部件5運(yùn)動(dòng)的上下位置)；
[0048]拉力檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括光電位置傳感器1、電磁力平衡傳感器12、放大電路21、PID調(diào)節(jié)器22、比較器23、鋸齒波發(fā)生器24、恒流源32、電流控制器29、小球15、量杯14，其中，光電位置傳感器I依次通過放大電路21、PID調(diào)節(jié)器22、比較器23、鋸齒波發(fā)生器24與控制器25連接，電磁力平衡傳感器12、恒流源32、比較器23分別與電流調(diào)節(jié)器29連接，比較器23、電流調(diào)節(jié)器29還直接與控制器25連接，如圖4所示；小球15通過懸絲13與電磁力平衡傳感器12連接，小球15位于量杯14內(nèi)，量杯14置于螺母塊部件5上；
[0049]控制器25上還連接有按鍵輸入模塊31和IXD顯示模塊30，控制器25固定在控制板18上(具體應(yīng)用時(shí)，可以在殼體19上設(shè)有面板，按鍵輸入模塊31和LCD顯示模塊30固定面板上，以便于輸入和顯示，此為常規(guī)技術(shù)手段)，控制板18固定在殼體19底部；
[0050]放大電路21、PID調(diào)節(jié)器22、比較器23、鋸齒波發(fā)生器24、恒流源32、電流調(diào)節(jié)器29固定在拉力檢測(cè)電路板總成2上；
[0051]光電位置傳感器I固定在電磁力平衡傳感器12上，拉力檢測(cè)電路板總成2、電磁力平衡傳感器12固定在固定座11上，固定座11固定在殼體19頂部，固定座11與殼體19之間設(shè)有橡膠減震器10 ；
[0052]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器26固定在殼體19底部；
[0053]傳動(dòng)總成9 (伺服電機(jī)27、旋轉(zhuǎn)編碼器28、變速器20)、螺桿7固定在托架3上，導(dǎo)向桿16固定在托架3上，并穿過螺母塊部件5，起導(dǎo)向作用；
[0054]托架3過固定螺栓17固定在殼體19底部，托架3與殼體19之間設(shè)有橡膠減震器10。
[0055]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的測(cè)量原理為:根據(jù)斯托克斯定律，在粘度為Π的液體中，半徑為r、運(yùn)動(dòng)速度為V的小球受到的粘滯阻力為
[0056]f = 6 Ji η r V (I)
[0057]當(dāng)小球勻速直線向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其所受拉力F、浮力F1、重力mg、粘滯阻力f四力平衡(受力分析如圖5所示)，即
[0058]F+Frmg-f = O (2)
[0059]式⑵改寫為
[0060]f = F-(IHg-F1) (3)
[0061]根據(jù)式(3)分別測(cè)量出，拉力F、重力與浮力之差Oiig-F1),即可求出f，測(cè)量過程為:
[0062]令V = O (則 f = O),測(cè)量(Hig-F1)的值；
[0063]令V等于給定值，測(cè)量F的值；
[0064]再測(cè)量出小球半徑r，由公式f = 6 Ji nr V，可求出液體的粘滯系數(shù)η即:
[0065]η = f/6 Ji r V
[0066]注:可以通過對(duì)儀器清零可直接測(cè)出粘滯阻力f的值(先令V = O測(cè)得重力與浮力之差，然后清零。再令V等于給定值，測(cè)得值即為粘滯阻力f)。
[0067]本發(fā)明的拖球式粘度計(jì)的工作過程為:首先，將待測(cè)液體倒入量杯中(液面接近量杯上端)，然后，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的螺桿在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母塊部件以恒定且很小的速度(使雷諾數(shù)Re < 1，保證不產(chǎn)生湍流)上下直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)量杯上下運(yùn)動(dòng)，則小球相對(duì)待測(cè)液體上下運(yùn)動(dòng)，測(cè)量時(shí)令量杯(螺母塊部件)以給定的速度向下運(yùn)動(dòng)則小球相對(duì)液體向上運(yùn)動(dòng)(從上霍爾開關(guān)開始)，通過電磁力平衡傳感器測(cè)量小球受到的拉力，再根據(jù)斯托克斯公式(f = 6 Ji nr v)計(jì)算出液體的粘度。
【權(quán)利要求】
1.一種拖球式粘度計(jì)，其特征在于:包括殼體(19),殼體(19)內(nèi)設(shè)有螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制系統(tǒng)和拉力檢測(cè)系統(tǒng)，其中，速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括控制器(25)、伺服電機(jī)(27)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(26)、旋轉(zhuǎn)編碼器(28)，其中，伺服電機(jī)(27)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(26)與控制器(25)連接，旋轉(zhuǎn)編碼器(28)與控制器(25)連接； 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為:包括由伺服電機(jī)(27)、旋轉(zhuǎn)編碼器(28)、變速器(20)組成的傳動(dòng)總成(9)，以及聯(lián)軸器⑶、螺桿(7)、螺母塊部件(5)、導(dǎo)向桿(16)、霍爾限位開關(guān)⑷，其中，傳動(dòng)總成(9)、聯(lián)軸器(8)、螺桿(7)依次連接，螺母塊部件(5)設(shè)在螺桿(7)上，螺母塊部件(5)上設(shè)有磁鐵(6)，霍爾限位開關(guān)(4)固定在托架(3)上，霍爾限位開關(guān)(4)與控制器(25)連接； 拉力檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括光電位置傳感器(I)、電磁力平衡傳感器(12)、放大電路(21)、PID調(diào)節(jié)器(22)、比較器(23)、鋸齒波發(fā)生器(24)、恒流源(32)、電流控制器(29)、小球(15)、量杯(14)，其中，光電位置傳感器(I)依次通過放大電路(21)、PID調(diào)節(jié)器(22)、t匕較器(23)、鋸齒波發(fā)生器(24)與控制器(25)連接，電磁力平衡傳感器(12)、恒流源(32)、比較器(23)分別與電流調(diào)節(jié)器(29)連接，比較器(23)、電流調(diào)節(jié)器(29)還直接與控制器(25)連接；小球(15)通過懸絲(13)與電磁力平衡傳感器(12)連接，小球(15)位于量杯(14)內(nèi)，量杯(14)置于螺母塊部件(5)上； 控制器(25)固定在控制板(18)上，控制板(18)固定在殼體(19)底部； 放大電路(21)、PID 調(diào)節(jié)器(22)、比較器(23)、鋸齒波發(fā)生器(24)、恒流源(32)、電流調(diào)節(jié)器(29)固定在拉力檢測(cè)電路板總成(2)上； 光電位置傳感器(I)固定在電磁力平衡傳感器(12)上，拉力檢測(cè)電路板總成(2)、電磁力平衡傳感器(12)固定在固定座(11)上，固定座(11)固定在殼體(19)頂部； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(26)固定在殼體(19)底部； 傳動(dòng)總成(9)、螺桿(7)固定在托架(3)上，導(dǎo)向桿(16)固定在托架(3)上，并穿過螺母塊部件(5)，起導(dǎo)向作用； 托架(3)固定在殼體(19)底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖球式粘度計(jì)，其特征在于:所述固定座(11)與殼體(19)之間設(shè)有橡膠減震器(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖球式粘度計(jì)，其特征在于:所述托架(3)與殼體(19)之間設(shè)有橡膠減震器(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖球式粘度計(jì)，其特征在于:所述托架(3)通過固定螺栓(17)固定在殼體(19)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖球式粘度計(jì)，其特征在于:所述控制器(25)上還連接有按鍵輸入模塊(31)和IXD顯示模塊(30)。
【文檔編號(hào)】G01N11/12GK104007044SQ201410271760
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】孫曉明, 吳明海, 徐建強(qiáng), 萬桂怡 申請(qǐng)人:山東大學(xué)