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科里奥利质量流量计进行流体粘度检测的技术与方法

科里奥利质量流量计进行流体粘度检测的技术与方法,将流体及传感器敏感管( 以下简称传感器管) 置于柱坐标下对流体动力粘度和苏州华陆科里奥利质量流量计振动时的参数进行了系统分析; 提出了一种新的粘度检测方法; 利用量纲分析法对相关结论进行了验证。实际实验数据表明该方法是可行的。该技术简单、有效, 可在不改变科里奥利质量流量计原有结构的条件下实施。
粘度是液体的重要物理性质和技术指标之一,粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义, 特别是在石油化工、医药、冶金、食品等行业中。如在石油化工中, 准确测定石油的粘度, 可以提高其产品的质量和产量; 在医学上, 人体内正常血液循环要求血液粘度保持在合适的水平上, 血液粘度异常会导致微循环和组织的新陈代谢出现障碍, 因而血液粘度的准确测量将有助于病情的及时诊断和疾病的有效预防; 在基础研究中, 粘度的测定也占有非常重要的地位, 如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等。粘度测量数据可以提供产品的品质、反应的进程、流程的影响、配方的改变以及流体随时间的变化状况, 以帮助我们更进一步的了解流体系统的行为, 做出相应的判断。因此, 粘度测定技术一直以来都受到极大的关注。
对流体粘度的测量, 传统方法无非是基于泊肃叶( Po iseuille) 定律的毛细管粘度计, 基于Couette及与之相似原理的旋转粘度计、落球粘度计和检测驱动能量的振动粘度计。而这些粘度计应用于工业在线检测时, 存在需要送实验室, 监测不及时或者需要在管线上设置旁路[ 1] , 增加设备等缺点。
近些年, 美国MicroMot ion 公司的Paul Kalotay提出了利用科里奥利质量流量计( 以下简称科氏流量计) 在线测量流体粘度的方法[ 2] , 其测量原理是牛顿流体层流运动的哈根-泊肃叶( Hag en-Po-iseuille) 定律, 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传送器。德国E+ H 公司[ 3-4] 在单直管上应用文献[ 5] 的扭转振动方法, 产生流体内摩擦, 实现了对粘度的测量。采用质量流量计进行粘度检测不仅解决了传统粘度计存在的问题, 而且在原有功能上拓展了一种新功能, 监测更多的变量, 因此应用科氏流量计测量粘度对工业生产而言具有重要意义。本文对采用科氏流量计进行粘度测量的各种方法进行了分析, 提出了一种全新的粘度测量方法。
1 粘性流体的内摩擦力
流体在受到外部剪切力作用时发生变形( 流动) , 即为流体粘度。其内部相应要产生对变形的抵抗, 并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力, 这是流体的一种固有物理属性, 称为流体的粘滞性或粘性。牛顿内摩擦定律[ 6] 或牛顿剪切定律对流体的粘性作了理论描述, 即流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比。用公式表示如下:
上式又称为牛顿剪切应力公式, 式中的比例系数G就是代表流体粘滞性的物理量, 反映了流体内摩擦力的大小, 称为流体的动力粘滞系数或粘度, 它与流体密度的比值称为运动粘度v 。流体的粘度与温度有密切的关系。液体的粘度随着温度升高而下降, 而气体的粘度则随着温度的升高而升高。在物理意义上, 牛顿剪切应力公式表明有一大类流体, 它们的剪切应力与速度梯度呈线性关系。这类流体被称为牛顿流体。另一方面, 如果上式的函数关系是非线性的, 所描述的流体就被称为非牛顿流体。流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。本文的研究对象为牛顿流体。
2 柱坐标中的流体
将传感器管置于柱坐标下, 如图1 所示。可以知道文献[ 2] 是在坐标轴的Z 轴方向做出的, 而文献[ 3-4] 应用文献[ 5] 的方法在坐标的切向产生振动, 从而在流体内部产生摩擦力, 检测出流体粘度值。文献[ 5] 指出粘度n= v * p与驱动电流的平方成正比。故检测电流即可得到流体粘度。而如果在径向产生流体剪切力, 也能检测出流体粘度值。
3 弯曲振动测量流体粘度
可以将苏州华陆科氏流量计传感器管看作一悬臂梁, 如图2 所示。则有初位移, 无初速度的悬臂梁[ 7] 的一阶自由振动方程为
其中: A ( x ) 为振型函数, 或者说是梁上分布各点自由振动的振幅, 与角频率p 无关; a 为与振幅相关的量; T( t) = cos( pt ) 为与时间相关量。
3. 1 弯曲振动中的粘滞力
圆柱坐标系内, 在径向, 由于流体在管内, 其流动受管壁约束, 并随着管壁运动而运动。由于科氏流量计传感器管刚度不是无穷, 故其振动为弯曲振动。假设x 处流管的挠度为y ( x , t ) , 有截面转角为
其中: R 为流管内径。
3. 2 弯曲振动耗能计算
假设在dx 段内单位能耗相同, 每个周期做功为:
其中: P 为激振功率; P L 为传感器管阻尼所耗功率;f 为在传感器管含不同流体时的谐振频率。则有
弯管段相似, 可折算为一段直管。
3. 3 传感器管结构阻尼能耗[ 7]
由于受交变载荷, 产生由内阻引起的能量耗散即为结构阻尼能耗。实验指出, 应力每改变一周所耗散的能量与频率无关, 而大致与应变幅值的平方成正比, 即
a为与频率无关的常数;
3. 4 流体粘度与振动关系
设其在空管时消耗的功率为P0 , 则在振动频率为f 时的流体消耗的功率为
式中: Q为流体密度。
就式( 20) 而言, 参数P 、P0、f、f0 均可经电子设备检测得到, Kc值需通过标定得到。故粘度值可由此式得出。
4 对粘度测量进行量纲分析[ 8]
假设传感器管带动流体以稳定的振幅振动, 由于流体粘滞力消耗的功率为
如果其中有轴向流速v1 , 其量纲为LT- 1 , 可以看出v1 并非为必需量, v1 = 0 即可看出; 所以可以看出,
由于假设中并没有限定弯曲振动, 所以当振动为扭转振动时, 该公式也同样适用, 并且文献[ 5] 认为f 的变化< 3%, 可以看成是不变的量, 线圈阻抗也就不变, 所以粘度与功耗( 电流的平方) 基本成正比, 与文献[ 5] 结论一致。
5 实验及数据分析
将式( 20) 变形:
型科氏流量计[ 9] 进行实验, 保持振幅不变、振动为谐振、驱动力与振动速度相位差不变状态, 可以得到以表1 数据。
采用Mat lab 的po lyf it 命令进行回归, 得到关系式如下:
从图3 可以看出实验数据基本成线性关系, 本粘度测量方法可行, 验证了理论分析的正确性。
与乌式粘度计检测的结果相比, 有一定的测量误差, 特别是前两点误差稍大, 可能有以下几方面原因。
所选对比用乌氏粘度计量程不合适;
所采用流量计传感器管有部分管段作非谐振扭转振动, 在小粘度流体情况下, 影响更明显;
实验用硅油有一定的非牛顿流体特性存在;
由于实验用科氏流量计电子装置并非专为粘度检测而设计, 故其对前述实验要求满足不是很好, 在做针对性改进使其满足条件后, 相对误差应该会有较大减小。
由于本实验为验证原理性实验, 误差稍大并不影响实验目的。而减少测量误差正是下一步的工作重点之一。另外, 由于实验用流体密度变化不大, 因而谐振频率变化不大, 故频率在式中的作用还有待进一步讨论。这就需要更多的实验来用于验证和分析。
文献[ 5] 在直管科氏流量计上实施时需要更改其结构或者加装扭转驱动装置, 这对流量测量有影响, 且在弯曲科氏流量计上实现比较困难; 而采用本文方法则可以在大部分形式的科氏流量计上实现且不改变其结构、也不增加压力传送器、不影响其他变量测量方法和精度。
采用科氏质量流量计测量流体粘度无需侵入流体,也不用在工艺管线中设立旁路, 很好的解决了传统粘度计存在的问题。该方法不对现有科氏流量计传感器作任何结构改动, 即可得到流体的粘度值, 增加了一种新的功能, 拓展了科氏质量流量计的应用领域。
点击次数:  更新时间:2018-09-01 11:53:19  【打印此页】  【关闭