基于落球法的液體粘度測量方法研究

項目選題意義：

現今的全球問(wèn)題無(wú)疑是能源問(wèn)題，因為能源引起的戰爭也不計其數，而未來(lái)國與國之間的競爭主要還是能源戰。因此研究石油的粘性至關(guān)重要，由粘性測試數據可以判斷石油所在的層次從而分辨出其純度，這樣可以判斷測試區域內的石油含量以決定是否開(kāi)采。這樣可以節省資源，不浪費人力物力在沒(méi)有利用價(jià)值的地域上。當今社會(huì )商品的質(zhì)量也是很值得關(guān)注的問(wèn)題，有些飲品，奶粉都摻雜其他有害的成分，而粘度是用來(lái)判斷其成分純度的重要指標。

液體粘度概述

當液體在穩定流動(dòng)時(shí)，一般情況下屬于穩定層流的情況，也就是同一層面上的液體流動(dòng)狀態(tài)完全相同。如果液體的內部各層之間的流動(dòng)速度不同，那么液體內部相鄰的層之間就會(huì )產(chǎn)生相對運動(dòng)，則液體內部的該兩層之間便會(huì )產(chǎn)生相互作用力，稱(chēng)為粘性力，衡量這個(gè)粘性力大小的一個(gè)物理量稱(chēng)為粘度。

粘度是液體的一個(gè)固有屬性，其大小由于液體的種類(lèi)不同而不同，同時(shí)外界環(huán)境的溫度、壓力等因素也影響著(zhù)液體的粘度。

所有液體都是具有粘滯性的，生活中的很多現象都說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，當使一個(gè)盛滿(mǎn)液體的容器圍繞其豎直軸心旋轉時(shí)，其內部的液體也會(huì )跟著(zhù)旋轉，這正是因為液體在容器壁處受到了液體與容器之間的粘滯力所引起的。首先，容器的旋轉，使緊鄰容器壁的一層液體由于粘性力的作用也跟著(zhù)旋轉。然后，緊鄰容器壁的一層液體又由于粘性力的作用帶著(zhù)與其相鄰的一層液體旋轉。這樣，容器中的所有液體都會(huì )由于粘性力的作用跟著(zhù)旋轉了。只是越往里的液體層的旋轉速度越小。

同樣，在管道中流動(dòng)的液體也是如此。由于管道壁是靜止的，所以就會(huì )使緊鄰管道壁的一薄層液體也處于靜止狀態(tài)，這層液體也約束著(zhù)與其相鄰層的液體的流動(dòng)。所以，在管道中流動(dòng)著(zhù)的液體分成了無(wú)數的薄層，隨著(zhù)薄層距離管道壁的距離越接近，液體的流動(dòng)速度越慢，其速度分布圖如圖所示。

管道液體層速度分布示意圖

主要測量原理及方案論證

方案一：

以上述原理為基礎，采用一種基于電磁感應的液體粘度測量方法，本方案結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，抗干擾能力強，適合于現場(chǎng)環(huán)境下的在線(xiàn)測量。其主要由控制測量電路、柱狀不銹鋼容器、兩個(gè)環(huán)形電磁線(xiàn)圈組成，在柱狀不銹鋼容器中有一個(gè)圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為運動(dòng)活塞。這樣在電磁線(xiàn)圈與活塞之間可以提供很大的作用力，從而提高儀器測量靈敏度和增加測量范圍，并能減少樣品中雜質(zhì)對測量的影響，提高儀器的測量精度[26]。

該方法的工作原理是:在測量室的兩端分別安裝一個(gè)電磁線(xiàn)圈，測量室內部有一個(gè)圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為活塞。當其中的“B”線(xiàn)圈被激活時(shí)，活塞被電磁力牽動(dòng)而往測量室B端運動(dòng)。此時(shí)被截流的入口處的液體被迫在活塞的周?chē)鲃?dòng)。液體越粘，活塞運動(dòng)就越慢。在這一過(guò)程中 “A”線(xiàn)圈用來(lái)監測活塞的運動(dòng)?；钊坏┑诌_測量室B端，上面的“A”線(xiàn)圈就會(huì )被激活而 “B”線(xiàn)圈開(kāi)始監測。在這個(gè)過(guò)程中，不斷地有液體被引入到活塞周?chē)?。同時(shí)“B”線(xiàn)圈監控活塞運動(dòng)。當活塞再次接近測量室A端時(shí)，“B”線(xiàn)圈就會(huì )被重新激活，開(kāi)始重復以前的過(guò)程。由信號采集處理單元測得活塞往復運動(dòng)的時(shí)間，便可以根據液體粘度與活塞往復運動(dòng)時(shí)間的數學(xué)模型計算出液體的粘度。下圖是該方法的結構原理示意圖。

方案二：

以上述原理為基礎，主要通過(guò)一個(gè)支架，兩邊分別有滑輪，一邊放一個(gè)一定質(zhì)量的小球，另一邊放一個(gè)一定質(zhì)量的參考源，兩個(gè)物體通過(guò)一根光滑的引線(xiàn)連接，跨過(guò)兩個(gè)定滑輪滑動(dòng)，在中間的鋼桿放四個(gè)傳感器，引線(xiàn)上放一個(gè)黑色輕紙板，通過(guò)感應高低電平來(lái)計算通過(guò)每?jì)蓚€(gè)之間傳感器的時(shí)間從而判斷是否勻速運動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)數學(xué)模型計算出液體粘性。本方案方法結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，但是不適合于現場(chǎng)環(huán)境下的在線(xiàn)測量，下圖是該方法的結構原理示意圖。