基于落球法的液體粘度測量方法研究

項目選題意義：

現(xiàn)今的全球問題無疑是能源問題，因為能源引起的戰(zhàn)爭也不計其數(shù)，而未來國與國之間的競爭主要還是能源戰(zhàn)。因此研究石油的粘性至關(guān)重要，由粘性測試數(shù)據(jù)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(qū)域內(nèi)的石油含量以決定是否開采。這樣可以節(jié)省資源，不浪費人力物力在沒有利用價值的地域上。當(dāng)今社會商品的質(zhì)量也是很值得關(guān)注的問題，有些飲品，奶粉都摻雜其他有害的成分，而粘度是用來判斷其成分純度的重要指標(biāo)。

液體粘度概述

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

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

所有液體都是具有粘滯性的，生活中的很多現(xiàn)象都說明了這一點。例如，當(dāng)使一個盛滿液體的容器圍繞其豎直軸心旋轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部的液體也會跟著旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，使緊鄰容器壁的一層液體由于粘性力的作用也跟著旋轉(zhuǎn)。然后，緊鄰容器壁的一層液體又由于粘性力的作用帶著與其相鄰的一層液體旋轉(zhuǎn)。這樣，容器中的所有液體都會由于粘性力的作用跟著旋轉(zhuǎn)了。只是越往里的液體層的旋轉(zhuǎn)速度越小。

同樣，在管道中流動的液體也是如此。由于管道壁是靜止的，所以就會使緊鄰管道壁的一薄層液體也處于靜止?fàn)顟B(tài)，這層液體也約束著與其相鄰層的液體的流動。所以，在管道中流動著的液體分成了無數(shù)的薄層，隨著薄層距離管道壁的距離越接近，液體的流動速度越慢，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(chǔ)，采用一種基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法，本方案結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，抗干擾能力強，適合于現(xiàn)場環(huán)境下的在線測量。其主要由控制測量電路、柱狀不銹鋼容器、兩個環(huán)形電磁線圈組成，在柱狀不銹鋼容器中有一個圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為運動活塞。這樣在電磁線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電磁線圈，測量室內(nèi)部有一個圓柱形高剩磁耐高溫永久磁鐵作為活塞。當(dāng)其中的“B”線圈被激活時，活塞被電磁力牽動而往測量室B端運動。此時被截流的入口處的液體被迫在活塞的周圍流動。液體越粘，活塞運動就越慢。在這一過程中 “A”線圈用來監(jiān)測活塞的運動?；钊坏┑诌_(dá)測量室B端，上面的“A”線圈就會被激活而 “B”線圈開始監(jiān)測。在這個過程中，不斷地有液體被引入到活塞周圍。同時“B”線圈監(jiān)控活塞運動。當(dāng)活塞再次接近測量室A端時，“B”線圈就會被重新激活，開始重復(fù)以前的過程。由信號采集處理單元測得活塞往復(fù)運動的時間，便可以根據(jù)液體粘度與活塞往復(fù)運動時間的數(shù)學(xué)模型計算出液體的粘度。下圖是該方法的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

方案二：

以上述原理為基礎(chǔ)，主要通過一個支架，兩邊分別有滑輪，一邊放一個一定質(zhì)量的小球，另一邊放一個一定質(zhì)量的參考源，兩個物體通過一根光滑的引線連接，跨過兩個定滑輪滑動，在中間的鋼桿放四個傳感器，引線上放一個黑色輕紙板，通過感應(yīng)高低電平來計算通過每兩個之間傳感器的時間從而判斷是否勻速運動，進(jìn)而通過數(shù)學(xué)模型計算出液體粘性。本方案方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但是不適合于現(xiàn)場環(huán)境下的在線測量，下圖是該方法的結(jié)構(gòu)原理示意圖。