[發(fā)明專利]基于超聲導波的液體粘滯系數(shù)檢測裝置及方法

有效

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• 申請日: 2012-07-18
• 公開（公告）號: CN102854090A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設計）人: 吳斌;徐秀;高博;劉秀成;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01N11/00
• 分類號: G01N11/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發(fā)明專利涉及液體粘滯系數(shù)的測定，屬于超聲無損檢測領域，具體為一種利用磁致伸縮傳感器在金屬探桿中激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波，通過建立超聲導波經(jīng)液體作用后導波能量反射系數(shù)與液體粘滯系數(shù)的關系，實現(xiàn)液體粘滯系數(shù)測定的檢測裝置及方法。

背景技術

粘滯系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個重要物理量，測定液體粘滯系數(shù)在各種實際工程均有重要意義。如水力、熱力工程中，由于流體的粘彈性引起流體在管道中長距離輸送時的能量消耗問題；機械工業(yè)中，各種潤滑油的選擇及質(zhì)量檢測，如摻假和分層問題；醫(yī)學上可以用它來分析、研究血液的粘滯性，得出有價值的診斷材料。超聲無損檢測方面，當被檢測對象浸潤在液體中，液體的粘彈性對檢測結果具有干擾作用。目前常用的方法是采用取樣的方式對被檢液體的粘滯系數(shù)進行測定，即將被檢液體脫離原工作環(huán)境或容器后進行測定。由于環(huán)境因素特別是溫度對液體粘滯系數(shù)具有明顯的影響，這種測定方法不能準確反映當前工作狀態(tài)下液體的粘滯系數(shù)，且測定實驗操作繁瑣，不利于工程實際檢測。本發(fā)明中所提及到的測定方法可以實現(xiàn)對液體粘滯系數(shù)的在線檢測。測定時僅需將傳感器所裝配的探桿浸潤于被測液體中，通過后續(xù)處理模塊即可實現(xiàn)對于液體粘滯系數(shù)的測定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有液體粘滯系數(shù)檢測方法離線檢測、環(huán)境適應性差、實驗操作繁瑣的缺點，提出一種基于超聲導波的操作簡單易行的在線液體粘滯系數(shù)測定裝置及方法。

本發(fā)明所述方法的基本原理是當金屬探桿2一部分插入液體中時，通過利用磁致伸縮傳感器3在桿中激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波，導波沿金屬探桿傳播。當導波遇到金屬探桿端面后將發(fā)生反射，由于被檢液體1的粘滯系數(shù)不同，導波傳播過程中泄漏到介質(zhì)中的能量不同。因此，接收到的金屬探桿端面反射信號的能量的衰減程度也不同。以桿在空氣中接收到的反射信號為參考標準，定義探桿浸潤到不同液體中時接收的端面反射信號能量與空氣中接收的端面反射信號能量的比值為反射系數(shù)RF，RF隨不同液體的粘滯系數(shù)及探桿的浸潤深度變化。通過建立粘滯系數(shù)η與相對反射系數(shù)RF、液體密度ρ、導波桿浸潤長度L、頻率f的關系式，η=f(RF,L,f,ρ)，即可依據(jù)實際所測取的反射系數(shù)RF和浸潤深度L等相關參數(shù)計算得到液體的粘滯系數(shù)，其具體表達式為：

η=4πρf(L/InRF)²

其中，由于液體粘度系數(shù)對于溫度比較敏感，所以還需根據(jù)具體當前溫度值對于計算所得的粘滯系數(shù)進行修正。修正公式為

logη=a+b/T

其中a，b為特征系數(shù)，T為絕對溫度。對于不同液體需進行標定擬合，首先給出該種液體在一定范圍內(nèi)不同溫度下的粘度標準值，通過差值擬合確定特征系數(shù)a，b，然后可以根據(jù)擬合的曲線計算修正后的粘度值。

檢測系統(tǒng)由金屬探桿2，磁致伸縮傳感器3以及綜合功能模塊7組成。

磁致伸縮傳感器3安裝于金屬探桿2的一端，整體構成裝置的檢測探頭。其中金屬探桿的直徑應大于1mm；金屬探桿的長度可根據(jù)實際檢測液體深度進行選擇，應大于30cm，以便于激勵信號與端面反射信號的識別。

磁致伸縮傳感器3可以根據(jù)金屬探桿2的直徑大小制作安裝于金屬探桿的表面，并在金屬探桿中激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波，以用于實際測量。如圖2所示,該探頭的結構由金屬探桿2、鐵鈷帶6、塑料套筒5、線圈4等四部分組成，其中，金屬探桿2與鐵鈷帶6通過環(huán)氧膠黏結，黏結前將鐵鈷帶分成尺寸相同的四段。

綜合功能模塊3包括激勵與接收模塊8、溫度自動測量模塊9、探桿浸潤深度自動測量模塊10、數(shù)據(jù)處理模塊11和結果顯示模塊12。該模塊能為傳感器提供激勵源，激勵源的激勵信號周期可調(diào)，在保證能量的基礎上，周期越小越好，以提高信號的分辨率；能夠自動測量當前檢測溫度和探桿浸潤深度參數(shù)，并將參數(shù)上傳給信號處理模塊，用于計算粘滯系數(shù)；能夠接收激勵信號并通過程序?qū)邮盏男盘栠M行數(shù)據(jù)處理，計算液體的粘滯系數(shù)并顯示計算結果。該模塊可根據(jù)該檢測方法的不斷成熟與完善，而使得功能更加集成，體積不斷減小，最終設計出一種便于攜帶的檢測裝置，使得檢測更加靈活與便捷。

本發(fā)明裝置及方法檢測方法原理簡單易于實現(xiàn)；對于硬件要求低；檢測探桿體積小，可以使用于縫隙小不宜人工操作取樣的環(huán)境；技術成熟后，可以實現(xiàn)對于液體粘滯系數(shù)的自動在線測量，且操作簡便，具有實際應用價值。

附圖說明

圖1檢測方法系統(tǒng)圖；

圖2傳感器結構示意圖；

圖3方法可行性試驗結果：兩種不同粘滯系數(shù)液體（水、蜂蜜）試驗接收信號；