一种拖球式粘度计

摘要

本发明公开了一种拖球式粘度计，适用于粘滞系数小的液体，也适用于不透明的液体，测量精度高，其结构为：包括壳体，壳体内设有螺旋传动机构、速度控制系统和拉力检测系统，其中，速度控制系统的结构为：包括控制器、伺服电机、电机驱动器、旋转编码器，其中，伺服电机通过电机驱动器与控制器连接，旋转编码器与控制器连接。本发明的拖球式粘度计，用“拖球法”取代传统的落球法，即用一个螺旋传动机构以恒定且很小的速度拖拉小球，使其按给定的速度向上运动，通过测量小球受到的拉力，再根据斯托克斯公式(f＝6л η rv)计算出液体的粘度。本发明具有使用方便、可以立即进行重复测量、结构简单、很容易实现自动测量等优点。

权利要求

1.一种拖球式粘度计，其特征在于：包括壳体(19)，壳体(19)内设有螺旋传动机构、速度控制系统和拉力检测系统，其中，速度控制系统的结构为：包括控制器(25)、伺服电机(27)、电机驱动器(26)、旋转编码器(28)，其中，伺服电机(27)通过电机驱动器(26)与控制器(25)连接，旋转编码器(28)与控制器(25)连接；

螺旋传动机构的结构为：包括由伺服电机(27)、旋转编码器(28)、变速器(20)组成的传动总成(9)，以及联轴器(8)、螺杆(7)、螺母块部件(5)、导向杆(16)、霍尔限位开关(4)，其中，传动总成(9)、联轴器(8)、螺杆(7)依次连接，螺母块部件(5)设在螺杆(7)上，螺母块部件(5)上设有磁铁(6)，霍尔限位开关(4)固定在托架(3)上，霍尔限位开关(4)与控制器(25)连接；

拉力检测系统的结构为：包括光电位置传感器(1)、电磁力平衡传感器(12)、放大电路(21)、PID调节器(22)、比较器(23)、锯齿波发生器(24)、恒流源(32)、电流调节器(29)、小球(15)、量杯(14)，其中，光电位置传感器(1)依次通过放大电路(21)、PID调节器(22)、比较器(23)、锯齿波发生器(24)与控制器(25)连接，电磁力平衡传感器(12)、恒流源(32)、比较器(23)分别与电流调节器(29)连接，比较器(23)、电流调节器(29)还直接与控制器(25)连接；小球(15)通过悬丝(13)与电磁力平衡传感器(12)连接，小球(15)位于量杯(14)内，量杯(14)置于螺母块部件(5)上；

控制器(25)固定在控制板(18)上，控制板(18)固定在壳体(19)底部；

放大电路(21)、PID调节器(22)、比较器(23)、锯齿波发生器(24)、恒流源(32)、电流调节器(29)固定在拉力检测电路板总成(2)上；

光电位置传感器(1)固定在电磁力平衡传感器(12)上，拉力检测电路板总成(2)、电磁力平衡传感器(12)固定在固定座(11)上，固定座(11)固定在壳体(19)顶部；

电机驱动器(26)固定在壳体(19)底部；

传动总成(9)、螺杆(7)固定在托架(3)上，导向杆(16)固定在托架(3)上，并穿过螺母块部件(5)，起导向作用；

托架(3)固定在壳体(19)底部。

2.根据权利要求1所述的拖球式粘度计，其特征在于：所述固定座(11)与壳体(19)之间设有橡胶减震器(10)。

3.根据权利要求1所述的拖球式粘度计，其特征在于：所述托架(3)与壳体(19)之间设有橡胶减震器(10)。

4.根据权利要求1所述的拖球式粘度计，其特征在于：所述托架(3)通过固定螺栓(17)固定在壳体(19)上。

5.根据权利要求1所述的拖球式粘度计，其特征在于：所述控制器(25)上还连接有按键输入模块(31)和LCD显示模块(30)。

说明书

一种拖球式粘度计

技术领域

[0001] 本发明涉及一种拖球式粘度计。

背景技术

[0002] 粘度测量在许多工业部门和科学研究领域具有很重要的作用，在石油、化工、医学等行业应用非常广泛，例如输油管道的设计，各种石油制品和油漆的品质检验等，都需要进行粘度测量。测量液体粘度(粘滞系数)的方法比较多，根据粘度的大小，各有相应的测量方法，如落球法、毛细管法及转筒法等，其中落球法是最基本的一种，它具有简便易行的特点，但这种方法仅适用于测量粘滞系数较大、透明或半透明的液体，测量精度比较低，也不利于自动测量。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术，本发明提供了一种拖球式粘度计，适用于粘滞系数小的液体，也适用于不透明的液体，测量精度高。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 一种拖球式粘度计，包括壳体，壳体内设有螺旋传动机构、速度控制系统和拉力检测系统，其中，速度控制系统的结构为：包括控制器(或称之为微处理器)、伺服电机、电机驱动器、旋转编码器，其中，伺服电机通过电机驱动器与控制器连接，旋转编码器与控制器连接；

[0006] 螺旋传动机构的结构为：包括传动总成(由伺服电机、旋转编码器、变速器组成)、联轴器、螺杆、螺母块部件、导向杆、霍尔限位开关，其中，传动总成、联轴器、螺杆依次连接，螺母块部件设在螺杆上，螺母块部件上设有磁铁，霍尔限位开关固定在托架上，霍尔限位开关与控制器连接(霍尔限位开关有两个，磁铁和霍尔限位开关共同用来限定螺母块部件运动的上下位置)；

[0007] 拉力检测系统的结构为：包括光电位置传感器、电磁力平衡传感器、放大电路、PID调节器、比较器、锯齿波发生器、恒流源、电流控制器、小球、量杯，其中，光电位置传感器依次通过放大电路、PID调节器、比较器、锯齿波发生器与控制器连接，电磁力平衡传感器、恒流源、比较器分别与电流调节器连接，比较器、电流调节器还直接与控制器连接；小球通过悬丝与电磁力平衡传感器连接，小球位于量杯内，量杯置于螺母块部件上；

[0008] 控制器上还连接有按键输入模块和LCD显示模块，控制器固定在控制板上(具体应用时，可以在壳体上设有面板，按键输入模块和LCD显示模块固定面板上，以便于输入和显示，此为常规技术手段)，控制板固定在壳体底部；

[0009] 放大电路、PID调节器、比较器、锯齿波发生器、恒流源、电流调节器固定在拉力检测电路板总成上；

[0010] 光电位置传感器固定在电磁力平衡传感器上，拉力检测电路板总成、电磁力平衡传感器固定在固定座上，固定座固定在壳体顶部，固定座与壳体之间设有橡胶减震器；

[0011] 电机驱动器固定在壳体底部；

[0012] 传动总成(伺服电机、旋转编码器、变速器)、螺杆固定在托架上，导向杆固定在托架上，并穿过螺母块部件，起导向作用；

[0013] 托架固定在壳体底部，托架与壳体之间设有橡胶减震器。

[0014] 进一步地，所述托架通过固定螺栓固定在壳体上。

[0015] 所述螺旋传动机构的作用是将伺服电机的旋转运动变为滑块的直线运动，用以拖动小球运动，其工作原理为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

[0016] 所述速度控制系统的作用是控制伺服电机的转速，使小球的运动速度稳定在给定值上，其工作原理为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

[0017] 所述拉力检测系统的作用是对拉力进行测量，其工作原理为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

[0018] 本发明的拖球式粘度计的测量原理为：根据斯托克斯定律，在粘度为η的液体中，半径为r、运动速度为v的小球受到的粘滞阻力为

[0019] f＝6л ηr v (1)

[0020] 当小球匀速直线向上运动时，其所受拉力F、浮力F1、重力mg、粘滞阻力f四力平衡(受力分析如图5所示)，即

[0021] F+F1-mg-f＝0 (2)

[0022] 式(2)改写为

[0023] f＝F-(mg-F1) (3)

[0024] 根据式(3)分别测量出，拉力F、重力与浮力之差(mg-F1)，即可求出f，测量过程为：

[0025] 令v＝0(则f＝0)，测量(mg-F1)的值；

[0026] 令v等于给定值，测量F的值；

[0027] 再测量出小球半径r，由公式f＝6л ηr v，可求出液体的粘滞系数η即：

[0028] η＝f/6лr v

[0029] 注：可以通过对仪器清零可直接测出粘滞阻力f的值(先令v＝0测得重力与浮力之差，然后清零。再令v等于给定值，测得值即为粘滞阻力f)。

[0030] 本发明的拖球式粘度计的工作过程为：首先，将待测液体倒入量杯中(液面接近量杯上端)，然后，螺旋传动机构中的螺杆在电动机的带动下转动，使螺母块部件以恒定且很小的速度(使雷诺数Re＜1，保证不产生湍流)上下直线运动，从而带动量杯上下运动，则小球相对待测液体上下运动，测量时令量杯(即螺母块部件)以给定的速度向下运动则小球相对液体向上运动(从上霍尔开关开始)，通过电磁力平衡传感器测量小球受到的拉力，再根据斯托克斯公式(f＝6л ηr v)计算出液体的粘度。

[0031] 本发明的拖球式粘度计，用“拖球法”取代传统的落球法，即用一个螺旋传动机构以恒定且很小的速度(使雷诺数Re＜1，保证不产生湍流)拖拉小球，使其按给定的速度向上运动，通过测量小球受到的拉力，再根据斯托克斯公式(f＝6л ηr v)计算出液体的粘度。

[0032] 本发明的拖球式粘度计，与传统的落球式粘度计相比，具有以下优点：

[0033] 1)由于用“拖球法”取代传统的落球法，小球的运动速度可以任意设定，在测量粘度小的液体时能充分满足雷诺数Re<1(Re＝2r vρ0/η，ρ0为液体密度)，保证不产生湍流，因此拓宽了粘度的测量范围，不仅可以测量粘度大的液体，也可以测量粘度小的液体(而用落球法测量液体粘度时小球下落的收尾速度v与粘度相关，当液体粘度比较小时小球的收尾速度很大，则雷诺数Re>>1会产生湍流，斯托克斯公式不再成立)。

[0034] 2)由于电磁力平衡传感器具有很高的灵敏度和精度(绝对精度分度值能达到0.01毫克)，可以测量出很小的粘滞阻力，因此该仪器的测量灵敏度和精度比较高。

[0035] 3)由于粘度是通过测量拉力得到的(与液体是否透明无关)，因此可以测量不透明液体的粘度。

[0036] 4)不需要测量密度和进行速度修正(速度为给定)。

[0037] 5)由于采用的是拖拉的方法，因此可以用面积大的圆筒或矩形板取代小球，这样可以增大粘滞阻力使仪器的灵敏度得到进一步的提高(测量时用粘度为已知的液体作为标准，对仪器进行定标，测出仪器常数k，则有f＝kηv，其依据是牛顿粘滞定律，为公知物理常识)。

[0038] 此外，本发明还具有使用方便、可以立即进行重复测量、结构简单、很容易实现自动测量等优点。

附图说明

[0039] 图1：本发明的拖球式粘度计的结构示意图。

[0040] 图2：图1的前视图。

[0041] 图3：本发明的拖球式粘度计的螺旋机构传动简图。

[0042] 图4：本发明的拖球式粘度计的电路原理示意图。

[0043] 图5：小球受力分析示意图。

[0044] 其中，1、光电位置传感器；2、拉力检测电路板总成；3、托架；4、霍尔限位开关；5、螺母块部件；6、磁铁；7、螺杆；8、联轴器；9、传动总成；10、橡胶减振器；11、固定座；12、电磁力平衡传感器；13、悬丝；14、量杯；15、小球；16、导向杆；17、固定螺栓；18、控制板；19、壳体；20、变速器；21、放大器；22、PID调节器；23、比较器；24、锯齿波发生器；25、控制器；26、电机驱动器；27、伺服电机；28、旋转编码器；29、电流调节器；30、LCD显示模块；31、接键输入模块；32、恒流源。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0046] 一种拖球式粘度计，包括壳体19，壳体19内设有螺旋传动机构、速度控制系统和拉力检测系统，如图1、图2所示，其中，速度控制系统的结构为：包括控制器25、伺服电机27、电机驱动器26、旋转编码器28，其中，伺服电机27通过电机驱动器26与控制器25连接，旋转编码器28与控制器25连接；

[0047] 螺旋传动机构的结构为：包括传动总成9(由伺服电机27、旋转编码器28、变速器20组成)、联轴器8、螺杆7、螺母块部件5、导向杆16、霍尔限位开关4，如图3所示，其中，传动总成9、联轴器8、螺杆7依次连接，螺母块部件5设在螺杆7上，螺母块部件5上设有磁铁6，霍尔限位开关4固定在托架3上，霍尔限位开关4与控制器25连接(霍尔限位开关4有两个，磁铁6和霍尔限位开关4共同用来限定螺母块部件5运动的上下位置)；

[0048] 拉力检测系统的结构为：包括光电位置传感器1、电磁力平衡传感器12、放大电路21、PID调节器22、比较器23、锯齿波发生器24、恒流源32、电流控制器29、小球15、量杯14，其中，光电位置传感器1依次通过放大电路21、PID调节器22、比较器23、锯齿波发生器24与控制器25连接，电磁力平衡传感器12、恒流源32、比较器23分别与电流调节器29连接，比较器23、电流调节器29还直接与控制器25连接，如图4所示；小球15通过悬丝13与电磁力平衡传感器12连接，小球15位于量杯14内，量杯14置于螺母块部件5上；

[0049] 控制器25上还连接有按键输入模块31和LCD显示模块30，控制器25固定在控制板18上(具体应用时，可以在壳体19上设有面板，按键输入模块31和LCD显示模块30固定面板上，以便于输入和显示，此为常规技术手段)，控制板18固定在壳体19底部；

[0050] 放大电路21、PID调节器22、比较器23、锯齿波发生器24、恒流源32、电流调节器29固定在拉力检测电路板总成2上；

[0051] 光电位置传感器1固定在电磁力平衡传感器12上，拉力检测电路板总成2、电磁力平衡传感器12固定在固定座11上，固定座11固定在壳体19顶部，固定座11与壳体19之间设有橡胶减震器10；

[0052] 电机驱动器26固定在壳体19底部；

[0053] 传动总成9(伺服电机27、旋转编码器28、变速器20)、螺杆7固定在托架3上，导向杆16固定在托架3上，并穿过螺母块部件5，起导向作用；

[0054] 托架3过固定螺栓17固定在壳体19底部，托架3与壳体19之间设有橡胶减震器10。

[0055] 本发明的拖球式粘度计的测量原理为：根据斯托克斯定律，在粘度为η的液体中，半径为r、运动速度为v的小球受到的粘滞阻力为

[0056] f＝6л ηr v (1)

[0057] 当小球匀速直线向上运动时，其所受拉力F、浮力F1、重力mg、粘滞阻力f四力平衡(受力分析如图5所示)，即

[0058] F+F1-mg-f＝0 (2)

[0059] 式(2)改写为

[0060] f＝F-(mg-F1) (3)

[0061] 根据式(3)分别测量出，拉力F、重力与浮力之差(mg-F1)，即可求出f，测量过程为：

[0062] 令v＝0(则f＝0)，测量(mg-F1)的值；

[0063] 令v等于给定值，测量F的值；

[0064] 再测量出小球半径r，由公式f＝6л ηr v，可求出液体的粘滞系数η即：

[0065] η＝f/6лr v

[0066] 注：可以通过对仪器清零可直接测出粘滞阻力f的值(先令v＝0测得重力与浮力之差，然后清零。再令v等于给定值，测得值即为粘滞阻力f)。

[0067] 本发明的拖球式粘度计的工作过程为：首先，将待测液体倒入量杯中(液面接近量杯上端)，然后，螺旋传动机构中的螺杆在电动机的带动下转动，使螺母块部件以恒定且很小的速度(使雷诺数Re＜1，保证不产生湍流)上下直线运动，从而带动量杯上下运动，则小球相对待测液体上下运动，测量时令量杯(螺母块部件)以给定的速度向下运动则小球相对液体向上运动(从上霍尔开关开始)，通过电磁力平衡传感器测量小球受到的拉力，再根据斯托克斯公式(f＝6л ηr v)计算出液体的粘度。