專利名稱：一種測量高粘流體粘度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高粘度流體，包括印刷行業(yè)中廣泛采用的膠印油墨及石油行業(yè)中的高粘度原油的流動情況，具體涉及一種測量高粘流體粘度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
印刷行業(yè)廣泛使用的膠油墨、石油行業(yè)開采出的原油等，其有效粘度非常高，通常在幾十到幾百Pa*s，采用傳統(tǒng)檢測儀器很難測得其流動時(shí)的有效粘度。流體粘度是指流體在受到外力作用時(shí)抵抗油墨發(fā)生變形的阻力，我們通常指的流體粘度指流體受到剪切作用時(shí)表現(xiàn)出的流體內(nèi)部層間的摩擦阻力。從能量的觀點(diǎn)看，流體特別是高粘流體的粘度實(shí)質(zhì)上是一種能量的耗散，即高粘流體受到外力作用時(shí)，由于摩擦作用而產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度升高，并以熱的方式被消耗。當(dāng)高粘流體達(dá)到流體化狀態(tài)時(shí)，必然導(dǎo)致能量耗散，因此可以從能量耗散來定義高粘流體的流體化狀態(tài)。高粘流體湍動的能量是大尺度的漩渦體直接從外部機(jī)械條件中獲得，即湍流發(fā)生器對它施加的剪切應(yīng)力，大尺度的湍流渦體間存在著能量交換，并且進(jìn)一步向小尺度的渦流體傳遞，而小尺度渦流體則由于粘性作用引起了能量耗散過程，這種過程最終以熱的形式散發(fā)出去。由于高粘流體在湍流過程中的能量耗散最終以熱的形式發(fā)散出去，導(dǎo)致高粘流體在湍動中耗散的能量非常大，而且耗散率很快，整個(gè)剪切室內(nèi)的高粘流體在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了很高的溫度，這就為實(shí)驗(yàn)手段采集懸浮液能量耗散率提供了條件。高粘流體在三維湍流中由于能量耗散而產(chǎn)生的溫度場分布從側(cè)面反映了其流場及湍動動能的分布，因?yàn)榛ば袠I(yè)中任何一種攪拌及混合過程，在質(zhì)量與動量傳遞的同時(shí)，都伴有能量和熱量的傳遞，因此當(dāng)高粘流體達(dá)到均勻湍動時(shí)，其熱量傳遞也必然達(dá)到平衡狀態(tài)，即整個(gè)流場的溫度達(dá)到均勻或者變化的速率相同，這便是“溫測法”的檢測原理。本發(fā)明根據(jù)高粘流體的流體力學(xué)特性，自行設(shè)計(jì)開發(fā)了一種測量高粘流體粘度的方法及裝置，該方法主要測試高粘流體完全湍流時(shí)的溫度變化及高剪切轉(zhuǎn)子的剪切力，測量過程中高粘流體溫度的變化使用熱電阻式溫度傳感器探頭來采集，檢測中沿剪切室半徑方向安裝三個(gè)傳感器探頭，其中一個(gè)通過轉(zhuǎn)子的中空軸，且插入的深度由低到高，在計(jì)算中所用的數(shù)值為幾個(gè)傳感器采集值的平均值，轉(zhuǎn)子剪切力則通過變頻調(diào)節(jié)器中的讀數(shù)及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)計(jì)算得出。該裝置的研制將為我國印刷用膠印油墨及高粘石油的物性檢測提供必要的試驗(yàn)研究手段，在工程實(shí)踐中具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種對高粘流體如印刷用膠印油墨及高粘度石油等流體的粘度進(jìn)行檢測的方法。本發(fā)明的另一目的在于提供實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種測量高粘流體粘度的方法包括下列步驟(1)將待測高粘流體裝入一個(gè)容器內(nèi)，內(nèi)部安裝帶溫度傳感器的探頭的轉(zhuǎn)子，溫度傳感器為若干個(gè)，將容器密封后，利用轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的剪切力使高粘流體實(shí)現(xiàn)完全湍流；
(2)記錄高粘流體達(dá)到完全湍流時(shí)轉(zhuǎn)子的角速度和軸功率；
(3)根據(jù)公式⑴得到平均剪切應(yīng)力Γ；
^ =........................‘^.....2' ⑴
AmLDj
m
式中L一轉(zhuǎn)子浸沒于待測高粘流體中的深度(米)； Dm—轉(zhuǎn)子剪切區(qū)域的幾何平均直徑(米)； Nd—轉(zhuǎn)子軸功率(千瓦)；
—轉(zhuǎn)子角速度(弧度/秒)；
(4)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄高粘流體處于完全湍流狀態(tài)時(shí)流體溫度的變化，對采集曲線進(jìn)行線性回歸，回歸直線的斜率即為溫度變化率Δ T/ Δ t ；
(5)通過公式(2)得出單位時(shí)間單位體積的高粘流體的能量耗散密度&(焦耳/ (立方米 秒))；
Bi = CfiihTi^(2)
式中C7—高粘流體的比熱(焦耳/(千克·攝氏度))； P—高粘流體密度(千克/立方米) Δ?！獪囟茸兓?攝氏度)； it 一時(shí)間變化(秒)；
(6)根據(jù)公式(3)得到高粘流體的有效粘度^eff (帕 秒)；
2所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到230(Γ2700轉(zhuǎn)/每分鐘時(shí)，容器內(nèi)的高粘流體處于完全湍流狀態(tài)。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的溫度值是所有溫度傳感器采集值的平均值。所述測量高粘流體粘度的裝置，包括電動機(jī)1、流體化剪切室4、電機(jī)變頻器6、若干個(gè)溫度傳感器8、數(shù)據(jù)采集卡9、計(jì)算機(jī)10，其特征在于所述湍流發(fā)生器由高傳動軸2、機(jī)械密封3、流體化剪切室、高剪切轉(zhuǎn)子7構(gòu)成；所述高剪切轉(zhuǎn)子7的轉(zhuǎn)軸為中空結(jié)構(gòu)，所述溫度傳感器8插入中空結(jié)構(gòu)中；電動機(jī)1上安裝電機(jī)變頻器6，并置于支座5上。所述流體剪切室4全封閉，主體材料采用不銹鋼材料，封蓋采用高強(qiáng)有機(jī)玻璃，外壁包有保溫材料11。所述高剪切轉(zhuǎn)子7由螺旋葉與攪拌棒構(gòu)成。
所述湍流發(fā)生器4的電動機(jī)1由電動機(jī)變頻器6控制，電動機(jī)1轉(zhuǎn)速和頻率由電機(jī)變頻器6測得。所述的若干個(gè)溫度傳感器8中，其中一個(gè)溫度傳感器8通過轉(zhuǎn)子的中空軸，其余溫度傳感器8沿流體剪切室4半徑方向安裝，插入深度由低到高。本發(fā)明的原理高剪切轉(zhuǎn)子由電機(jī)直接帶動，在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生高剪切力，使剪切室里的高粘度流體實(shí)現(xiàn)流體化，達(dá)到完全湍流，高粘流體完全湍流時(shí)，主要測試高粘流體的溫度變化及高剪切轉(zhuǎn)子的剪切力，測量過程中高粘流體溫度的變化通過熱電阻式溫度傳感器探頭來采集，檢測中沿剪切室半徑方向安裝三個(gè)傳感器探頭，其中一個(gè)通過轉(zhuǎn)子的中空軸，且插入的深度由低到高，在計(jì)算中所用的數(shù)值為幾個(gè)傳感器采集值的平均值，通過溫度變化率計(jì)算得出高粘流體完全湍流時(shí)的能量耗散密度，見公式(2);轉(zhuǎn)子剪切力則通過變頻調(diào)節(jié)器中的讀數(shù)及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)計(jì)算得出，見公式(4);然后根據(jù)公式(3)，計(jì)算得出高粘流體的有效粘度。該發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、該方法從能量耗散的角度來計(jì)算高粘流體的有效粘度，計(jì)算所得值能更好反映高粘流體本身的物理特性，在工程實(shí)際中具有重要的指導(dǎo)意義
2、檢測裝置操作簡單，采用高強(qiáng)有機(jī)玻璃管道作為封蓋，不銹鋼為剪切室及轉(zhuǎn)子主體材料，剪切室外面包有保溫層，高粘流體與外界沒有能量交換，因此該裝置不僅可以很好觀察流體高粘流體完全湍流時(shí)的情況，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行全程自動采集；
3、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸是中空結(jié)構(gòu)，溫度傳感器插入中間，且傳感器的插入深度由淺變深，剪切室內(nèi)的溫度變化通過多個(gè)傳感器測量，因此測試結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確；
4、高剪切轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用螺旋葉與攪拌棒相結(jié)合的方式，能提供足夠高的剪切應(yīng)力，使得高粘流體完全湍流。5、自行研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)操作簡單，可以及時(shí)準(zhǔn)確的記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以文本格式保存入計(jì)算機(jī)。6、該測試方法與裝置可以測量各種高粘流體，尤其是粘度非常大的流體，且根據(jù)實(shí)際需要，可以方便的更換轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，拆裝方便，易于操作。


圖1為本發(fā)明一種測量高粘流體粘度的方法及裝置示意圖
圖1中1 一電動機(jī)，2 —傳動軸，3 —機(jī)械密封，4 一流體化剪切室，5 —支座，6 —電機(jī)變頻器，7 —高剪切轉(zhuǎn)子，8 —溫度傳感器，9 一數(shù)據(jù)采集卡，10 —計(jì)算機(jī)，11-保溫材料。圖2為高粘流體完全湍流時(shí)的溫度變化圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所示，一種測量高粘流體粘度的方法及裝置，包括1 一電動機(jī)，2 —傳動軸， 3 一機(jī)械密封，4 一流體化剪切室，5 —支座，6 —電機(jī)變頻器，7 —高剪切轉(zhuǎn)子，8 —溫度傳感
6器，9 一數(shù)據(jù)采集卡，10 一計(jì)算機(jī)，11-保溫材料。 對于高粘流體，實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在230(Γ2700轉(zhuǎn)/每分鐘下，高粘流體能達(dá)到湍流狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，例如首先把質(zhì)量為IOOg的膠印油墨裝入圓柱形剪切室，為了在實(shí)驗(yàn)中能更好觀察紙漿在剪切室內(nèi)的流動形態(tài)，剪切室的圓形封蓋用有機(jī)玻璃制成，剪切室內(nèi)徑120mm，高90mm。高剪切轉(zhuǎn)子是該裝置中最重要的元件，其轉(zhuǎn)子用不銹鋼制成，外徑65mm，主體是均勻分布的三根攪拌棒及螺旋葉片，寬10mm，長75mm，攪拌棒下端焊接有固定圈。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置好傳感器的工作參數(shù)，啟動數(shù)據(jù)采集軟件，使其進(jìn)入待測狀態(tài)。 因?yàn)楦呒羟修D(zhuǎn)子與電機(jī)直接連接，電機(jī)由變頻器控制，啟動電機(jī)，使其轉(zhuǎn)速從低到高逐漸增加，觀察高粘流體在高剪切轉(zhuǎn)子下的流動狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在2500/min時(shí)，此時(shí)剪切應(yīng)力
通過軸功率計(jì)算為2600Pa，能量耗散密度&的計(jì)算為330 (kw/m3)，因此計(jì)算出膠印油墨的有效粘度為20. 5 Pa*s，剪切室內(nèi)溫度的變化由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄，如圖2所示。 Δ T/ Δ t由圖2的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，即對采集曲線進(jìn)行線性回歸，Δ T/ Δ t為回歸直線的斜率。
權(quán)利要求
1. 一種測量高粘流體粘度的方法，其特征在于包括下列步驟(1)將待測高粘流體裝入一個(gè)容器內(nèi)，內(nèi)部安裝帶溫度傳感器的探頭的轉(zhuǎn)子，溫度傳感器為若干個(gè)，將容器密封后，利用轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的剪切力使高粘流體實(shí)現(xiàn)完全湍流；(2)記錄高粘流體達(dá)到完全湍流時(shí)轉(zhuǎn)子的軸功率和角速度；(3)根據(jù)公式⑴得至IJ平均剪切應(yīng)力Γ； 2000ΛΓ.Γ = ^ ⑴ JH式中L一轉(zhuǎn)子浸沒于待測高粘流體中的深度(米)； Dm—轉(zhuǎn)子剪切區(qū)域的幾何平均直徑(米)； Nd—轉(zhuǎn)子軸功率(千瓦)； —轉(zhuǎn)子角速度(弧度/秒)；(4)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄高粘流體處于完全湍流狀態(tài)時(shí)流體溫度的變化，對采集曲線進(jìn)行線性回歸，回歸直線的斜率即為溫度變化率Δ T/ Δ t ；(5)通過公式(2)得出單位時(shí)間單位體積的高粘流體的能量耗散密度(焦耳/(立方米 秒))；式中—高粘流體的比熱(焦耳/(千克·攝氏度))； t高粘流體密度(千克/立方米)； AI^溫度變化(攝氏度)；At—時(shí)間變化(秒)；(6)根據(jù)公式(3)得到高粘流體的有效粘度^fieff (帕 秒)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述測量高粘流體粘度的方法，其特征在于控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到 2300^2700轉(zhuǎn)/每分鐘，容器內(nèi)的高粘流體處于完全湍流狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述測量高粘流體粘度的方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的溫度值是所有溫度傳感器采集值的平均值。
4.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1一3之一所述方法的測量高粘流體粘度的裝置，包括電動機(jī) (1)、流體化剪切室(4)、電機(jī)變頻器(6)、若干個(gè)溫度傳感器(8)、數(shù)據(jù)采集卡(9)、計(jì)算機(jī) (10)，其特征在于所述湍流發(fā)生器由高傳動軸(2)、機(jī)械密封(3)、流體化剪切室(4)、高剪切轉(zhuǎn)子(7)構(gòu)成；所述高剪切轉(zhuǎn)子(7)的轉(zhuǎn)軸為中空結(jié)構(gòu)，所述溫度傳感器(8)插入中空結(jié)構(gòu)中；電動機(jī)(1)上安裝電機(jī)變頻器(6 )，并置于支座(5 )上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述測量高粘流體粘度的裝置，其特征在于所述流體剪切室(4)全封閉，主體材料采用不銹鋼材料，封蓋采用高強(qiáng)有機(jī)玻璃，外壁包有保溫材料(11 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述測量高粘流體粘度的裝置，其特征在于所述高剪切轉(zhuǎn)子(7)由螺旋葉與攪拌棒構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述測量高粘流體粘度的裝置，其特征在于所述湍流發(fā)生器(4)的電動機(jī)(1)由電動機(jī)變頻器(6)控制，電動機(jī)(1)轉(zhuǎn)速和頻率由電機(jī)變頻器(6)測得。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述測量高粘流體粘度的裝置，其特征在于所述的若干個(gè)溫度傳感器(8 )中，其中一個(gè)溫度傳感器(8 )通過轉(zhuǎn)子的中空軸，其余溫度傳感器(8 )沿流體剪切室 (4)半徑方向安裝，插入深度由低到高。
全文摘要
本發(fā)明公開一種測量高粘流體粘度的方法及裝置，該裝置主要由高粘度流體完全湍流發(fā)生裝置、轉(zhuǎn)速和扭矩變頻調(diào)節(jié)器、溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。高剪切轉(zhuǎn)子由電機(jī)直接帶動，在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生高剪切力，使剪切室里的高粘度流體實(shí)現(xiàn)流體化，達(dá)到完全湍流。因?yàn)楦哒沉黧w的粘度是指流體在受到外力作用時(shí)抵抗流體發(fā)生變形的阻力，從能量的觀點(diǎn)來看，高粘流體的粘度實(shí)質(zhì)上是一種能量的耗散，即流體受到高剪切作用力時(shí)，由于摩擦作用而產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度升高，并以熱的方式被耗散。因此該發(fā)明通過“溫測法”測量計(jì)算高粘流體在高剪切發(fā)生裝置內(nèi)達(dá)到完全湍流后的能量耗散值，并結(jié)合其它流體動力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得出高粘流體的有效粘度值。
文檔編號G01N11/14GK102305754SQ20111022983
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者唐寶玲, 邰晶磊, 陳奇峰, 陳廣學(xué) 申請人:華南理工大學(xué)