专利名称：一种测量高粘流体粘度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高粘度流体，包括印刷行业中广泛采用的胶印油墨及石油行业中的高粘度原油的流动情况，具体涉及一种测量高粘流体粘度的方法及装置。
背景技术：
印刷行业广泛使用的胶油墨、石油行业开采出的原油等，其有效粘度非常高，通常在几十到几百Pa*s，采用传统检测仪器很难测得其流动时的有效粘度。流体粘度是指流体在受到外力作用时抵抗油墨发生变形的阻力，我们通常指的流体粘度指流体受到剪切作用时表现出的流体内部层间的摩擦阻力。从能量的观点看，流体特别是高粘流体的粘度实质上是一种能量的耗散，即高粘流体受到外力作用时，由于摩擦作用而产生热量导致温度升高，并以热的方式被消耗。当高粘流体达到流体化状态时，必然导致能量耗散，因此可以从能量耗散来定义高粘流体的流体化状态。高粘流体湍动的能量是大尺度的漩涡体直接从外部机械条件中获得，即湍流发生器对它施加的剪切应力，大尺度的湍流涡体间存在着能量交换，并且进一步向小尺度的涡流体传递，而小尺度涡流体则由于粘性作用引起了能量耗散过程，这种过程最终以热的形式散发出去。由于高粘流体在湍流过程中的能量耗散最终以热的形式发散出去，导致高粘流体在湍动中耗散的能量非常大，而且耗散率很快，整个剪切室内的高粘流体在很短的时间内就达到了很高的温度，这就为实验手段采集悬浮液能量耗散率提供了条件。高粘流体在三维湍流中由于能量耗散而产生的温度场分布从侧面反映了其流场及湍动动能的分布，因为化工行业中任何一种搅拌及混合过程，在质量与动量传递的同时，都伴有能量和热量的传递，因此当高粘流体达到均勻湍动时，其热量传递也必然达到平衡状态，即整个流场的温度达到均勻或者变化的速率相同，这便是“温测法”的检测原理。本发明根据高粘流体的流体力学特性，自行设计开发了一种测量高粘流体粘度的方法及装置，该方法主要测试高粘流体完全湍流时的温度变化及高剪切转子的剪切力，测量过程中高粘流体温度的变化使用热电阻式温度传感器探头来采集，检测中沿剪切室半径方向安装三个传感器探头，其中一个通过转子的中空轴，且插入的深度由低到高，在计算中所用的数值为几个传感器采集值的平均值，转子剪切力则通过变频调节器中的读数及转子结构计算得出。该装置的研制将为我国印刷用胶印油墨及高粘石油的物性检测提供必要的试验研究手段，在工程实践中具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种对高粘流体如印刷用胶印油墨及高粘度石油等流体的粘度进行检测的方法。本发明的另一目的在于提供实现上述方法的装置。本发明的目的通过如下技术方案实现 一种测量高粘流体粘度的方法包括下列步骤(1)将待测高粘流体装入一个容器内，内部安装带温度传感器的探头的转子，温度传感器为若干个，将容器密封后，利用转子在高速旋转中产生的剪切力使高粘流体实现完全湍流；
(2)记录高粘流体达到完全湍流时转子的角速度和轴功率；
(3)根据公式⑴得到平均剪切应力Γ；
^ =........................‘^.....2' ⑴
AmLDj
m
式中L一转子浸没于待测高粘流体中的深度(米)； Dm—转子剪切区域的几何平均直径(米)； Nd—转子轴功率(千瓦)；
—转子角速度(弧度/秒)；
(4)由数据采集系统自动记录高粘流体处于完全湍流状态时流体温度的变化，对采集曲线进行线性回归，回归直线的斜率即为温度变化率Δ T/ Δ t ；
(5)通过公式(2)得出单位时间单位体积的高粘流体的能量耗散密度&(焦耳/ (立方米 秒))；
Bi = CfiihTi^(2)
式中C7—高粘流体的比热(焦耳/(千克·摄氏度))； P—高粘流体密度(千克/立方米) ΔΓ—温度变化(摄氏度)； it 一时间变化(秒)；
(6)根据公式(3)得到高粘流体的有效粘度^eff (帕 秒)；
2所述转子转速达到230(Γ2700转/每分钟时，容器内的高粘流体处于完全湍流状态。所述数据采集系统记录的温度值是所有温度传感器采集值的平均值。所述测量高粘流体粘度的装置，包括电动机1、流体化剪切室4、电机变频器6、若干个温度传感器8、数据采集卡9、计算机10，其特征在于所述湍流发生器由高传动轴2、机械密封3、流体化剪切室、高剪切转子7构成；所述高剪切转子7的转轴为中空结构，所述温度传感器8插入中空结构中；电动机1上安装电机变频器6，并置于支座5上。所述流体剪切室4全封闭，主体材料采用不锈钢材料，封盖采用高强有机玻璃，外壁包有保温材料11。所述高剪切转子7由螺旋叶与搅拌棒构成。
所述湍流发生器4的电动机1由电动机变频器6控制，电动机1转速和频率由电机变频器6测得。所述的若干个温度传感器8中，其中一个温度传感器8通过转子的中空轴，其余温度传感器8沿流体剪切室4半径方向安装，插入深度由低到高。本发明的原理高剪切转子由电机直接带动，在高速旋转中产生高剪切力，使剪切室里的高粘度流体实现流体化，达到完全湍流，高粘流体完全湍流时，主要测试高粘流体的温度变化及高剪切转子的剪切力，测量过程中高粘流体温度的变化通过热电阻式温度传感器探头来采集，检测中沿剪切室半径方向安装三个传感器探头，其中一个通过转子的中空轴，且插入的深度由低到高，在计算中所用的数值为几个传感器采集值的平均值，通过温度变化率计算得出高粘流体完全湍流时的能量耗散密度，见公式(2);转子剪切力则通过变频调节器中的读数及转子结构计算得出，见公式(4);然后根据公式(3)，计算得出高粘流体的有效粘度。该发明与现有技术相比，本发明具有如下优点
1、该方法从能量耗散的角度来计算高粘流体的有效粘度，计算所得值能更好反映高粘流体本身的物理特性，在工程实际中具有重要的指导意义
2、检测装置操作简单，采用高强有机玻璃管道作为封盖，不锈钢为剪切室及转子主体材料，剪切室外面包有保温层，高粘流体与外界没有能量交换，因此该装置不仅可以很好观察流体高粘流体完全湍流时的情况，数据采集系统可以对试验过程中的数据进行全程自动采集；
3、转子转轴是中空结构，温度传感器插入中间，且传感器的插入深度由浅变深，剪切室内的温度变化通过多个传感器测量，因此测试结果更加科学准确；
4、高剪切转子结构采用螺旋叶与搅拌棒相结合的方式，能提供足够高的剪切应力，使得高粘流体完全湍流。5、自行研发的数据采集系统操作简单，可以及时准确的记录试验数据，并以文本格式保存入计算机。6、该测试方法与装置可以测量各种高粘流体，尤其是粘度非常大的流体，且根据实际需要，可以方便的更换转子结构，拆装方便，易于操作。
图1为本发明一种测量高粘流体粘度的方法及装置示意图
图1中1 一电动机，2 —传动轴，3 —机械密封，4 一流体化剪切室，5 —支座，6 —电机变频器，7 —高剪切转子，8 —温度传感器，9 一数据采集卡，10 —计算机，11-保温材料。图2为高粘流体完全湍流时的温度变化图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。如图1所示，一种测量高粘流体粘度的方法及装置，包括1 一电动机，2 —传动轴， 3 一机械密封，4 一流体化剪切室，5 —支座，6 —电机变频器，7 —高剪切转子，8 —温度传感
6器，9 一数据采集卡，10 一计算机，11-保温材料。 对于高粘流体，实验证明，转子转速在230(Γ2700转/每分钟下，高粘流体能达到湍流状态。实验在常温、常压下进行，例如首先把质量为IOOg的胶印油墨装入圆柱形剪切室，为了在实验中能更好观察纸浆在剪切室内的流动形态，剪切室的圆形封盖用有机玻璃制成，剪切室内径120mm，高90mm。高剪切转子是该装置中最重要的元件，其转子用不锈钢制成，外径65mm，主体是均勻分布的三根搅拌棒及螺旋叶片，宽10mm，长75mm，搅拌棒下端焊接有固定圈。实验前设置好传感器的工作参数，启动数据采集软件，使其进入待测状态。 因为高剪切转子与电机直接连接，电机由变频器控制，启动电机，使其转速从低到高逐渐增加，观察高粘流体在高剪切转子下的流动状态，当转子转速在2500/min时，此时剪切应力
通过轴功率计算为2600Pa，能量耗散密度&的计算为330 (kw/m3)，因此计算出胶印油墨的有效粘度为20. 5 Pa*s，剪切室内温度的变化由数据采集系统自动记录，如图2所示。 Δ T/ Δ t由图2的数据计算得出，即对采集曲线进行线性回归，Δ T/ Δ t为回归直线的斜率。
权利要求
1. 一种测量高粘流体粘度的方法，其特征在于包括下列步骤(1)将待测高粘流体装入一个容器内，内部安装带温度传感器的探头的转子，温度传感器为若干个，将容器密封后，利用转子在高速旋转中产生的剪切力使高粘流体实现完全湍流；(2)记录高粘流体达到完全湍流时转子的轴功率和角速度；(3)根据公式⑴得至IJ平均剪切应力Γ； 2000ΛΓ.Γ = ^ ⑴ JH式中L一转子浸没于待测高粘流体中的深度(米)； Dm—转子剪切区域的几何平均直径(米)； Nd—转子轴功率(千瓦)； —转子角速度(弧度/秒)；(4)由数据采集系统自动记录高粘流体处于完全湍流状态时流体温度的变化，对采集曲线进行线性回归，回归直线的斜率即为温度变化率Δ T/ Δ t ；(5)通过公式(2)得出单位时间单位体积的高粘流体的能量耗散密度(焦耳/(立方米 秒))；式中—高粘流体的比热(焦耳/(千克·摄氏度))； t高粘流体密度(千克/立方米)； AI^温度变化(摄氏度)；At—时间变化(秒)；(6)根据公式(3)得到高粘流体的有效粘度^fieff (帕 秒)；
2.根据权利要求1所述测量高粘流体粘度的方法，其特征在于控制转子转速达到 2300^2700转/每分钟，容器内的高粘流体处于完全湍流状态。
3.根据权利要求2所述测量高粘流体粘度的方法，其特征在于数据采集系统记录的温度值是所有温度传感器采集值的平均值。
4.一种实现权利要求1一3之一所述方法的测量高粘流体粘度的装置，包括电动机 (1)、流体化剪切室(4)、电机变频器(6)、若干个温度传感器(8)、数据采集卡(9)、计算机 (10)，其特征在于所述湍流发生器由高传动轴(2)、机械密封(3)、流体化剪切室(4)、高剪切转子(7)构成；所述高剪切转子(7)的转轴为中空结构，所述温度传感器(8)插入中空结构中；电动机(1)上安装电机变频器(6 )，并置于支座(5 )上。
5.根据权利要求4所述测量高粘流体粘度的装置，其特征在于所述流体剪切室(4)全封闭，主体材料采用不锈钢材料，封盖采用高强有机玻璃，外壁包有保温材料(11 )。
6.根据权利要求4所述测量高粘流体粘度的装置，其特征在于所述高剪切转子(7)由螺旋叶与搅拌棒构成。
7.根据权利要求4所述测量高粘流体粘度的装置，其特征在于所述湍流发生器(4)的电动机(1)由电动机变频器(6)控制，电动机(1)转速和频率由电机变频器(6)测得。
8.根据权利要求4所述测量高粘流体粘度的装置，其特征在于所述的若干个温度传感器(8 )中，其中一个温度传感器(8 )通过转子的中空轴，其余温度传感器(8 )沿流体剪切室 (4)半径方向安装，插入深度由低到高。
全文摘要
本发明公开一种测量高粘流体粘度的方法及装置，该装置主要由高粘度流体完全湍流发生装置、转速和扭矩变频调节器、温度传感器及数据采集系统等组成。高剪切转子由电机直接带动，在高速旋转中产生高剪切力，使剪切室里的高粘度流体实现流体化，达到完全湍流。因为高粘流体的粘度是指流体在受到外力作用时抵抗流体发生变形的阻力，从能量的观点来看，高粘流体的粘度实质上是一种能量的耗散，即流体受到高剪切作用力时，由于摩擦作用而产生热量导致温度升高，并以热的方式被耗散。因此该发明通过“温测法”测量计算高粘流体在高剪切发生装置内达到完全湍流后的能量耗散值，并结合其它流体动力学参数，进一步计算得出高粘流体的有效粘度值。
文档编号G01N11/14GK102305754SQ20111022983
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者唐宝玲, 邰晶磊, 陈奇峰, 陈广学 申请人:华南理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
