流体传感器(流体粘度传感器的基础知识与应用)

Posted 2023-05-31

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流体传感器(流体粘度传感器的基础知识与应用)

什么是粘度？

通俗的讲，粘度就是表示流体在流动时，流体内部发生内摩擦的物理量，是流体反抗形变的能力。

➀ 粘度的定义

✎ 国标中对粘度的定义【1】：在两个平行平面间受剪切的流体，单位接触表面积上法向梯度为1时，由于流体粘性所引起的内摩擦力或剪切力的大小称为粘度。非牛顿流体在某一剪切速率下的粘度称为在该剪切速率下的表观粘度。

✎ 百度百科对粘度的定义：是物质的一种物理化学性质，定义为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充以某液体；今对上板施加一推力F，使其产生一速度变化度所需的力。即，η=（F/A）/（du/dr）=τ/r′，其中T为剪切应力，r′为剪切速率（速度梯形）

➁ 符号与单位：η（Pa·s）

1Pa·s代表的意义：即块面积为1㎡的板浸于液体中，两板距离为1米，若在某一块板上加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的粘度为1Pa·s

➂ 粘度的影响因素

根据流体性质的不同，流体可分为牛顿流体和非牛顿流体。

牛顿流体的粘度只与温度有关，与切变速率无关，非牛顿流体的粘度与温度（主要）、压力等有关。

并且液体的粘度随着温度升高而减小，气体粘度则随温度升高而增大。

➃ 动力粘度（dynamic viscosity），运动粘度（Kinematic viscosity）与恩氏粘度（Engler viscosity）

✎动力粘度，又称为动态粘度、绝对粘度和简单粘度，是度量流体粘度大小的常用物理量，常记为μ或η，单位为Pa·s（即kg/(ms)），常用非法定计量单位1厘泊（cp或cps）=1mpa·s

✎运动粘度，是流体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之比，记为v，单位为m2/s

动力粘度与运动粘度的关系：

✎恩氏粘度，全称“恩格勒黏度”或“恩格尔粘度”，亦称“相对粘度”、“条件粘度”。是一定量的试样，在规定温度(如：50℃、80℃、100℃)下，从恩氏粘度计流出200毫升试样所需的时间与蒸馏水在20℃流出相同体积所需要的时间(秒)之比。单位为：°E（量纲为1），恩氏粘度可以与运动粘度之间进行换算，即：

粘度的测量方法

牛顿流体的常用粘度测量方法如下：

➀ 毛细管法（泊肃叶法）

适用性：适用于实验室取样测量105mm2/s以下的运动粘度。

测量原理：通过测量一定体积的流体在重力作用下，以匀速层流状态流经毛细管所需的时间，从而求得运动粘度。

毛细管粘度计类型：平氏粘度计，芬氏粘度计，乌氏粘度计，逆流粘度计。

➁ 落球法

适用性：适用于实验室取样测量，量程较宽，特别适合高粘度试样在低剪切速率下的粘度测量

测量原理：落球法有直落式和滚落式两种方法，直落式是通过测量球在液体中自由下落一定距离所需的时间，从而求动力粘度，滚落式是通过测量固体球在充满试样的倾斜管子中沿管壁滚落，下落一定距离所需的时间从而计算浓度。

测量球和试样管：直落式采用直径为1~4mm的若干轴承钢球，滚落式采用直径为11~15.8mm的不锈钢、合金钢或玻璃球；试样管的计时标间隔不应小于50mm，直落式的试样管的直径必须是测量球直径的5倍~10倍。

➂ 旋转法（转筒法）

适用性：本方法测量范围宽，适用于实验室取样测量。

测量原理：使圆筒（圆锥）在流体中旋转或圆筒（圆锥）静止而周围的流体旋转流动，流体的粘性扭矩将作用于圆筒（圆锥），根据球体的动力粘度和扭矩的关系，可以求得流体的动力粘度

➃ 振动法（阻尼法）

适用性：适用于实验室和工业过程测量1000mpa·s以下的粘度

测量原理：用一定强度的磁脉冲激励测头使振动体振动，振动体置于被测流体中，受流体粘性阻力作用振动将衰减，根据其衰减系数与流体的动力粘度和密度的关系可得到该被测流体的动力粘度。

粘度传感器常见参数

以瑞士Truedyne sensor公司的VLO-M1粘度传感器为例，其传感器的参数如下

测量允许介质：无颗粒（<30μm）碳氢化合物，如汽油E5/E10/E85，柴油B7/B10/XTL，M100（甲醇），异丙醇等。

测量精度：±[0.2mPa·s + 5%测量值]

重复性：±0.1 mPa·s

测量范围：0~5 Pa·s或0~50 Pa·s

允许的介质和环境温度：-20~+60℃

允许的流量范围：0~10 L/h

允许的压力范围：0~20bar

尺寸：80 x 30 x 15 mm3

质量：<150g

此外该传感器还能测量密度，以及由粘度和密度衍生出的平均密度、浓度等参数

图1：VLO-M1粘度传感器

粘度传感器的常见应用

粘性，是流体的基本特征，流体粘度传感器的最常见应用，是对产品品质进行监测，根据产品对粘度的不同相关监测需求可分为以下三类[3]：

（1）产品的品质直接与其粘度相关：

如油墨的稳定性、沥青的品质分级、食品（巧克力、米粉等）的口感等，这些产品的最终质量直接与其粘度相关。

（2）产品工艺的品控与粘度相关：

如聚合物（化纤、树脂等）的合成反应终点判定、陶瓷浆的配料准确性等，这些产品的生成工艺与粘度相关，需要粘度对产品工艺进行品控。

（3）工程设计或控制需要粘度指标：

如管道的设计、燃料的燃烧效率、输送过程的监测和控制等。都需要测量粘度以达到最佳或最经济的效果。