一种粘度测试装置及其测试方法与流程

本发明涉及流体物性测量技术领域，具体涉及一种粘度测试装置及其测试方法。

背景技术：

粘度是表征流体性质的一项重要参数，直接反映不同流体的特性，粘度测量被广泛应用于多种社会生产领域。流体的流动是在重力或其他外力作用下的连续变形过程，如我们常见的当流体在管道中流动时，管中心轴处的流速最快，越靠近管壁流速越慢，这说明流体流动时内部各部分的速度是不相同的，流层间存在着速度差，而且流体的运动在逐层传递，这种速度差运动的传递就是由于流体具有粘性，这也是流体与固体的最重要区别一一流体的粘性实质上是流体分子微观作用的宏观表现，是由于分子力所致，因此直接反映不同流体的特性，粘度是粘性的程度，也称动力粘度、粘滞系数或为内摩擦系数，不同物质粘度不同。

近年来，随着科学的进步发展及工业管理的现代化，粘度的测量日趋重要，流体粘度的测量在用于流体性质的界定和流体处理过程中间参数测定的需求正一步步提高，随着今后工业的发展，粘度测定的应用范围还将会逐渐扩大，工业上粘度测量的要求也越来越趋于多样化，工业粘度测量正处于一个全面展开应用于社会实践的阶段。

粘度测量的方法很多，可分为毛细管法、旋转法、平板法、落球法、振动法等，其测量原理各不相同，如落球法是将标准球投入待测液体中作自由落体运动，通过测量其落下的时间来推算粘度；振动法通过使物体在流体中振动，测量物体受到粘性阻力来测定粘度等。

落球法是利用液体对球的阻力和重力的合力会对球造成向下的加速度，但是粘度太小的液体对球的阻力也很小，这时候阻力和重力之间的比例相差过大，造成结果误差很大，球落速太快也使得计算非常不便。

振动法常用于低粘度液体的粘度测量，多数熔体粘度测量采用这种方法。振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点，但没有公认的理想粘度计算公式。

因此，需要进行改进，找出普适性更好的粘度测量方法，准确度更高，操作更简便的方法。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对上述问题，提供一种粘度测试装置及其测试方法，本发明的装置简单灵敏度高，操作方便简单，本发明装置的测试方法适用性强，适用于各范围粘度的液体的粘度测试。

本发明提供的技术方案为：

一种粘度测试装置，包括：压力传感系统、升降系统、基座、外罩、测量杯、PLC控制系统、输入键、显示器；

所述PLC控制系统通过线路与压力传感系统、升降系统、输入键、显示器连接同时连接电源；所述PLC控制系统、显示器、输入键设在基座中；

所述压力传感系统包括压力传感器、金属球、连接绳以及挂钩，所压力传感器通过挂钩、连接绳与金属球连接，所述压力传感器固定设置在外罩上端；其中所述金属球可以是任何金属材料制成的，金属球材料不限定，金属球为规则圆球，可测出金属球体积，连接绳可以为任何材料，优选塑料等不易被腐蚀的材料制成，如聚四氟乙烯、聚氯乙烯等；

所述升降系统包括升降台、升降电机以及升降控制器；所述升降控制器通过控制升降电机来控制升降台运动的速度以及运动距离；所述升降台平行设置在基座上，所述升降控制器设置在基座一侧，所述PLC控制系统控制升降系统；

本发明装置的工作原理是在升降台的升降作用下，使金属球浸没在测试粘度样品液中，浸没在测量杯里连接着压力传感器系统的连接绳和金属球受到所测量液体相对往下匀速运动的粘滞力(测量样品粘度引起的力)，样品的粘度值就可以通过压力传感器所测量到的粘滞力值反映出来，加以标准粘度液测试粘度因子k，可以测量任何液体的粘度值；根据受力平衡：T+f＝G+F，其中，F为金属球受到样品液的粘滞力，f为金属球浮力，G为金属球重力，T为连接绳拉力，F＝μ·A·v，f＝ρgV，G＝mg，ρ为样品密度，μ为粘度，A为金属球表面积，v为升降台运动的速度，V为金属球体积，m为金属球质量，g为重力加速度，令k＝A·v，k＝(T+ρgV-G)/μ，μ＝(T+ρgV-G)/k，本发明中涉及到的金属球的体积、表面积和重力，在不变更金属球的情况下都为固定值(V、A、G不变)，因此可采用标准粘度液测试拉力T，由于标准粘度液的粘度μ已知，可计算得出k，k为粘度因子，再测试其他未知粘度的样品，升降台速度不变，通过测试连接绳拉力T，即可计算出样品粘度。

优选的是，所述装置还包括：温度补偿仪，所述温度补偿仪包括温度传感器、温度控制器；所述温度控制器包括冷热风机；所述冷热风机设置在测量杯两侧，通过螺栓固定在所述升降台上，所述冷热风机设置有方形外壳，靠近测量杯的一侧镂空，所述方形外壳上设有铁架，所述温度传感器架在所述的铁架上插入测量杯中；所述温度传感器通过线路与所述PLC控制系统连接，所述温度传感器测试得到温度信号传递给PLC控制系统后，所述PLC控制系统控制所述温度控制器来对温度进行调节，其中液体的粘度会随温度的变化而变化，本发明添加温度补偿仪的作用是控制测试样品粘度，使其测试的结果准确且可重复，且本发明的温度补偿仪结构简单，成本低。

优选的是，所述铁架上还设有可拆卸固定夹用于固定测量杯，本发明的固定夹固定测量杯，使得在测量过程中测量杯不会移动影响测试结果。

优选的是，所述铁架通过螺栓固定在所述方形外壳上端，所述铁架可拆卸。

本发明还提供一种所述的粘度测试装置的测试粘度的方法，包括：

步骤1、将标准粘度液加入到测量杯中，标准粘度液深度多少没有限定，一般是测量杯的2/3高度刻度处，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在标准粘度液中，至少浸没的深度为标准粘度液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T，显示到显示器上，通过公式k＝(T+ρgV-G)/μ，其中μ为动力粘度，T为连接绳拉力，ρ为标准粘度液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，k为粘度因子，计算出k值；

步骤2、将样品液加入到测量杯中，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在样品液中，至少浸没的深度为样品液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照与步骤1中所述速度U一致进行匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将测试样品时连接绳的拉力T₁，显示到显示器上，通过公式μ₁＝(T₁+ρ₁gV-G)/k，其中μ₁为样品动力粘度，T₁为测试样品时连接绳拉力，ρ₁为样品液的密度，V为金属球体积，g为重力加速度，k为粘度因子即步骤1测得，计算出的μ₁值即为样品液粘度值。

优选的是，所述方法包括：

将所述PLC控制系统设置有A、B模式，其中，

A模式为校正模式，所述校正模式为通过输入键将公式k＝(T+ρgV-G)/μ进行编程输入PLC控制系统，测试粘度因子k，μ为标准粘度液动力粘度，T为测试标准粘度液时连接绳的拉力，ρ为标准粘度液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，G为金属球重力；

B模式为测试模式，所述测试模式为通过输入键将公式μ₁＝(T₁+ρ₁gV-G)/k进行编程输入PLC控制系统，测试样品粘度μ₁，其中T₁为测试样品粘度时连接绳的拉力，ρ₁为样品液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，G为金属球重力；

先测试粘度因子k，将PLC控制系统调到A模式，采用标准粘度液测试粘度因子k，将ρ、G、μ、V值输入到PLC控制系统中后，将标准粘度液加入到测量杯中，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在标准粘度液中，至少浸没的深度为标准粘度液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T传递给PLC控制系统，PLC控制系统自动计算得出的k值，显示到显示器上；

再测试样品液粘度，将PLC控制系统调到B模式，将ρ₁、G、k、V值输入到PLC控制系统中后，将样品液加入到测量杯中，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在样品液中，至少浸没的深度为样品液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T₁传递给PLC控制系统，PLC控制系统自动计算得出的μ₁值，显示到显示器上，得到所述样品液粘度值。

本发明的有益效果如下：

1)、本发明的装置原理简单，通过PLC系统控制，压力传感系统测试连接绳的压力从而计算或是PLC系统自动计算粘度因子以及粘度，且操作方便，测试结果准确，本发明装置升降台升降可控，PLC系统可控制升降台匀速升降，压力传感器系统灵敏，减少误差，具有结构简单、测量方便、快捷、准确、操作方便等优点，适用于各种液体样品粘度的测试；本发明采用的测量杯可拆出清洗，方便操作。

2)、本发明装置测试方法简单，可直接或间接测量显示出样品的粘度值，仪器操作减少人为误差，粘度测试结果准确性高。

附图说明

图1为本发明粘度测试装置图；

图2为本发明温度控制器结构图；

1为粘度测试装置，11为压力传感系统、12为升降系统、13为基座、14为外罩、15为测量杯、16为PLC控制系统、17为输入键、18为显示器，19为温度补偿仪，111为连接绳，112为挂钩，113为压力传感器，114为金属球，121为升降台控制器，122为升降台，123为升降电机，191为温度传感器，192为温度控制器、193为铁架，194为固定夹，1921为方形外壳，1922为冷热风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，一种粘度测试装置1，包括：压力传感系统11、升降系统12、基座13、外罩14、测量杯15、PLC控制系统16、输入键17、显示器18；

所述PLC控制系统16通过线路与压力传感系统11、升降系统12、输入键17、显示器18连接同时连接电源；所述PLC控制系统16、显示器18、输入键17设在基座13中；

所述压力传感系统11包括压力传感器113、金属球114、连接绳111以及挂钩112，所压力传感器113通过挂钩112、连接绳111与金属球114连接，所述压力传感器113固定设置在外罩14上端；

所述升降系统12包括升降台122、升降电机123以及升降控制器121；所述升降控制器121通过控制升降电机123来控制升降台122运动的速度以及运动距离；所述升降台122平行设置在基座13上，所述升降控制器121设置在基座13一侧，所述PLC控制系统16控制升降系统12；

本发明装置的工作原理是在升降台的升降作用下，使金属球浸没在测试粘度样品液中，浸没在测量杯里接连着压力传感器系统的连接绳和金属球受到所测量液体相对往下匀速运动的粘滞力(测量样品粘度引起的力)，样品的粘度值就可以通过压力传感器所测量到的粘滞力值反映出来，加以标准粘度液测试粘度因子k，可以测量任何液体的粘度值；根据受力平衡：T+f＝G+F，其中，F为金属球受到样品液的粘滞力，f为金属球浮力，G为金属球重力，T为连接绳拉力，F＝μ·A·v，f＝ρgV，G＝mg，ρ为样品密度，μ为粘度，A为金属球表面积，v为升降台运动的速度，V为金属球体积，m为金属球质量，g为重力加速度，令k＝A·v，k＝(T+ρgV-G)/μ，μ＝(T+ρgV-G)/k，本发明中涉及到的金属球的体积和重力，在不变更金属球的情况下都为固定值，因此可采用标准粘度液测试拉力T，由于标准粘度液的粘度μ已知，可计算得出k，k为粘度因子，再测试其他未知粘度的样品，升降台速度不变，通过测试连接绳拉力T，即可计算出样品粘度。

本发明在上述基础上优选的另一种实施方式，所述装置1还包括：温度补偿仪19，所述温度补偿仪19包括温度传感器191、温度控制器192；所述温度控制器192包括冷热风机1922；所述冷热风机1922设置在测量杯15两侧，所述冷热风机1922设置有方形外壳1921，靠近测量杯15的一侧镂空，所述方形外壳1921上设有铁架193，所述温度传感器191架在所述的铁架193上插入测量杯15中，测试测量杯中样品的温度；所述温度传感器191通过线路与所述PLC控制系统16连接，所述温度传感器191测试得到温度信号传递给PLC控制系统16后，如测试的温度与预设的测量温度不符合，所述PLC控制系统16控制所述温度控制器192来对温度进行调节，温度高时启动冷热风机的制冷开关，进行调节，如果温度低时，启动冷热风机的加热开关进行调节，因为液体的粘度会随温度的变化而变化，本发明添加温度补偿仪的作用是控制测试样品粘度，使其测试的结果准确且可重复，且本发明的温度补偿仪结构简单，成本低。

本发明在上述基础上优选的另一种实施方式，所述铁架193上还设有可拆卸固定夹194用于固定测量杯，本发明的固定夹固定测量杯，使得在测量过程中测量杯不会移动影响测试结果。

本发明在上述基础上优选的另一种实施方式，所述铁架193通过螺栓固定在所述方形外壳1921上端，所述铁架可拆卸。

本发明的粘度测试装置的测试粘度的方法，包括：

步骤1、将标准粘度液加入到测量杯中，标准粘度液多少没有限定，一般是测量杯的2/3刻度处，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在标准粘度液中，至少浸没的深度为标准粘度液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T，显示到显示器上，通过公式k＝(T+ρgV-G)/μ，其中μ为动力粘度，T为连接绳拉力，ρ为标准粘度液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，k为粘度因子，计算出k值；

步骤2、将样品液加入到测量杯中，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在样品液中，至少浸没的深度为样品液2/3深且不触碰到测量杯底，再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照与步骤1中所述速度U一致进行匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将测试样品时连接绳的拉力T₁，显示到显示器上，通过公式μ₁＝(T₁+ρ₁gV-G)/k，其中μ₁为样品动力粘度，T₁为测试样品时连接绳拉力，ρ₁为样品液的密度，V为金属球体积，g为重力加速度，k为粘度因子即步骤1测得，计算出的μ₁值即为样品液粘度值。

本发明测试方法的另一实施例，所述方法包括：

将所述PLC控制系统设置有A、B模式，其中，

A模式为校正模式，所述校正模式为通过输入键将公式k＝(T+ρgV-G)/μ进行编程输入PLC控制系统，测试粘度因子k，μ为标准粘度液动力粘度，T为测试标准粘度液时连接绳的拉力，ρ为标准粘度液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，G为金属球重力；

B模式为测试模式，所述测试模式为通过输入键将公式μ₁＝(T₁+ρ₁gV-G)/k进行编程输入PLC控制系统，测试样品粘度μ₁，其中T₁为测试样品粘度时连接绳的拉力，ρ₁为样品液密度，V为金属球体积，g为重力加速度，G为金属球重力；其中金属球先称量重量计算出G值，再采用密度计测试样品密度，金属球体积可采用游标卡尺测试出直径后计算V值；

先测试粘度因子k，将PLC控制系统调到A模式，采用标准粘度液测试粘度因子k，将ρ、G、μ、V值输入到PLC控制系统中后，预设测试温度没有特别限制，一般设为25℃，进行温度补偿调节，将标准粘度液加入到测量杯中，用固定夹将测量杯固定，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在标准粘度液中，至少浸没的深度为标准粘度液2/3深且不触碰到测量杯底，温度传感器插入液体中测试温度，温度不在25±0.5℃，那么通过PLC控制系统自动对温度补偿仪进行调节，使得温度补偿仪起到温度补偿的作用，温度稳定后再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T传递给PLC控制系统，PLC控制系统自动计算得出的k值，显示到显示器上；

再测试样品液粘度，将PLC控制系统调到B模式，将ρ₁、G、k、V值输入到PLC控制系统中后，将样品液加入到测量杯中，通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台上升，使金属球浸没在样品液中，至少浸没的深度为样品液2/3深且不触碰到测量杯底，先温度补偿再通过PLC控制系统控制升降控制器使所述升降台按照速度U匀速下降，下降高度不超过金属球浸没的深度，所述压力传感器将连接绳的拉力T₁传递给PLC控制系统，PLC控制系统自动计算得出的μ₁值，显示到显示器上，得到所述样品液粘度值。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。