近年來,隨著旋轉式粘度計在工業生產領域的應用日益廣泛,國內外研究人員對結構和功能較為單一的旋轉式粘度計進行了不同程度的改進。
旋轉式粘度計產品分類方法有很多,按照結構形式的不同可分為同軸圓筒式、椎板式和平行板式,按驅動方式的不同可分為同步電機驅動式和伺服電機驅動式。本文從旋轉式粘度計的不同工作原理出發,將其分為塞爾原理(SearlePrinciple)式和庫埃特原理式(CoutettePrinciple)。
1.塞爾原理式旋轉式粘度計:聯軸器結構不同的內筒旋轉式雙圓筒旋轉式粘度計和單圓筒旋轉式粘度計均基于塞爾原理。該原理由物理學家塞爾命名,他于1912年設計了帶有旋轉式同心內筒的旋轉式粘度計。塞爾原理外圓筒固定,用來盛放被測液體。電機帶動內圓筒軸旋轉,內圓筒軸的旋轉速度是預先設定的,在旋轉過程中受到液體粘滯阻力的作用,會給內圓筒軸一個反作用扭矩,使安裝于電機殼的彈簧產生一定的扭轉角。
當游絲的扭矩與粘滯力平衡時,通過傳感器測量的彈簧扭轉角即可算出液體粘度。目前,基于塞爾原理的旋轉式粘度計應用比較廣。然而在實際測量中,針對不同流體,需要更換不同的轉子和切換不同的轉速,以適應測量轉矩的原件(彈簧),并且在測量時,流體因摩擦而溫度升高,會帶來測量誤差。此外,在測試低粘度液體時,由于離心力和慣性的作用,過高的轉軸速度可能會導致液體出現湍流現象。
為了解決上述問題,顧海珍提出了一種基于單片機和科大訊飛TTS語音模塊的旋轉式粘度測量裝置,該裝置的工作原理是:驅動電機帶動慣性輪達到一定的轉速ω0后,離合器松開,使電機與慣性輪分離,轉子在被測流體中自由旋轉,其轉速因粘滯阻力的作用而不斷衰減,轉子轉過一定角度所需的時間反比于轉子轉速衰減的速度。通過光電方式測量編碼盤所轉過的角度φd所對應的時間差。借助單片機,配合對射式光電傳感器,檢測編碼盤所轉過的角度φd所對應的時間——t1、t2、t3,從而算出時間差。
2.庫埃特原理式旋轉式粘度計:庫埃特原理又稱外筒旋轉式原理,由物理學家庫埃特提出。庫埃特原理式旋轉式粘度計的工作原理是:內圓筒軸靜止,電機驅動外圓筒旋轉,內圓筒受到兩圓筒之間被測流體的粘滯力作用而發生偏轉,與之相連的張絲扭轉所產生的恢復力矩與粘滯力矩的方向相反,當二者平衡時,通過內圓筒的偏轉角的大小即可計算出液體的粘度值。外筒旋轉可以降低液體產生湍流的風險,從而保證測量精度,但結構設計要求較高,存在著技術原理和產品應用之間的矛盾,因此目前市面上基于庫埃特原理的旋轉式粘度計較少。與基于塞爾原理的旋轉式粘度計一樣,基于庫埃特原理的旋轉式粘度計同樣會面臨被測流體溫度的變化導致的粘度測量誤差,因此實現旋轉式粘度計的在線溫度校準尤為重要。